Зависимость скорости реакции от различных факторов
Скорость химической реакции зависит от природы и состояния реагирующих веществ, концентрации, температуры реакции, поверхности соприкосновения для гетерогенных систем, катализатора, а также от некоторых других факторов (например, от давления – для газовых реакций, от измельчения – для твердых веществ).
3.2.1. Влияние концентраций реагирующих веществ
Чтобы осуществить химическое взаимодействие веществ А и В, их молекулы (частицы) должны столкнуться. Чем больше столкновений тем быстрее протекает реакция. Число же столкновений, тем больше, чем выше концентрация реагирующих веществ. Отсюда на основе обширного экспериментального материала сформулирован основной закон химической кинетики, устанавливающий зависимость скорости от концентрации реагирующих веществ (закон действия масс): при постоянной температуре скорость реакции прямо пропорциональна произведению концентрации реагирующих веществ, возведенных в степени, равные стехиометрическим коэффициентам в уравнении реакции.
Математическая запись закона для реакции в общем виде следующая:
аА + вВ = сС + dD,
- скорость прямой реакции,
- скорость обратной реакции,
где [A], [B]. [C], [D] – концентрации веществ; а, b, с, d – стехиометрические коэффициенты уравнения реакции; 
, 
- коэффициенты пропорциональности, называемые константами скорости реакции.
Физический смысл констант скорости реакции: константы численно равны скорости реакции, когда концентрации каждого из реагирующих веществ или продуктов реакции составляют 1 моль/л или когда их произведение равно единице.
|
|
|
Константы скорости реакции k зависят от природы реагирующих веществ и от температуры, но не зависят от концентраций.
Химические реакции могут быть гомогенными и гетерогенными. В гомогенной реакции все вещества (компоненты) находятся в одной фазе и между ними нет поверхности раздела, например, смесь этилового спирта с водой. Примером гомогенной системы может служить любая газовая смесь – все газы при не очень высоком давлении неограниченно растворяются друг в друге. В гетерогенной реакции вещества находятся в разных фазах, и между ними имеется поверхность раздела, например, раствор соли с осадком. В гетерогенных реакциях взаимодействие между различными фазами протекает на поверхности раздела фаз и определяется величиной поверхности раздела. Если взять, например, железо в виде порошка и в виде стержня, то там, где порошкообразное железо, реакция будет идти значительно быстрее, т.к. поверхность раздела значительно больше.
Закон действия масс (з.д.м.) строго соблюдается только для гомогенных реакций. В случае гетерогенных реакций в уравнение скорости не включается концентрация веществ, находящихся в твердом состоянии, т.к. их концентрации постоянны и они реагируют лишь на поверхности. Выражение скорости реакции по з.д.м. для гомогенной и гетерогенной реакции имеет вид:
|
|
|
2SO2(г) + O2(г) Û 2SO3(г) – гомогенная реакция,
,
,
С(тв) + О2(г) 
CO2(г) – гетерогенная реакция
,
.
3.2.2. Влияние температуры
Зависимость скорости реакции от температуры определяется правилом Вант-Гоффа: при повышении температуры на каждые 10 ° С скорость большинства реакций увеличивается в 2 - 4 раза. Математически эта зависимость выражается соотношением
где Jt2, Jt1 – скорость реакции соответственно при начальной (t1) и конечной (t2) температурах, а 
– температурный коэффициент скорости реакции, принимающий значение от 2 до 4. Более точно зависимость скорости реакции от температуры выражается уравнением Аррениуса:
,
где k – константа скорости реакции, моль/л×с; А – константа, не зависящая от температуры; Т – температура, К; Еа – энергия активизации (наименьшее избыточное значение энергии по сравнению со средней для данной температуры, достаточное для протекания химической реакции, кДж/моль); R – универсальная газовая постоянная, равная 8,314 Дж/моль×К.
|
|
|
При повышении температуры растет число активных молекул в системе и, следовательно, число активных соударений, что приводит к повышению скорости реакции.
Задача 1. Рассчитайте температурный коэффициент скорости реакции, зная, что с повышением температуры на 70 °С скорость возрастает в 128 раз. Для расчета используем правило Вант-Гоффа:
; 
; 
; 
; 
.
Задача 2. На сколько градусов следует повысить температуру, чтобы скорость реакции возросла в 8 раз. Температурный коэффициент γ = 2. По правилу Вант-Гоффа:
; 
; 
; Δt = 30 °C.
Энергия активации
Значительное изменение скорости реакции с изменением температуры объясняет теория активации. Согласно этой теории в химическое взаимодействие вступают только активные молекулы (частицы), обладающие энергией, достаточной для осуществления данной реакции. Неактивные частицы можно сделать активными, если сообщить им необходимую дополнительную энергию. Этот процесс называется активацией. Один из способов активации – увеличение температуры: при повышении температуры число активных частиц сильно возрастает, благодаря чему резко увеличивается скорость реакции.
|
|
|
Энергия, которую надо сообщить молекулам (частицам) реагирующих веществ, чтобы превратить их в активные, называется энергией активации. Ее определяют опытным путем, обозначают буквой Еа и обычно выражают в кДж/моль. Например, для соединения водорода и йода
H2 + J2 = 2HJ, Еа = 167,4 кДж/моль,
а для распада иодоводорода
2HJ = H2 + J2, Еа = 186,2 кДж/моль.
Энергия активации Еа зависит от природы реагирующих веществ и служит характеристикой каждой реакции. Скорость реакции непосредственно зависит от значения энергии активации: если она мала, то за определенное время протекания реакции энергетический барьер преодолеет большее количество частиц и скорость реакции будет высокой, но если энергия активации велика, то реакция идет медленно.
При взаимодействии ионов энергия активации очень мала и ионные реакции протекают с очень большой скоростью (практически мгновенно).
Дата добавления: 2018-09-22; просмотров: 610; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!