Хімічна кінетикА та рівновага

Свіжовідрізана скибочка яблука досить швидко на повітрі стає коричневою, а бронзовий пам’ятник на вологому повітрі повільно вкривається нальотом зеленого кольору – основним карбонатом купруму. Золоті прикраси зберігають на повітрі свій блиск століттями. Петарда, кинута в полум’я, миттєво вибухає.

Цікаво, що з позиції термодинаміки можливі всі названі процеси, навіть окиснення золота. Просто відбуваються вони з різною швидкістю.

Для правильного розуміння перебігу хімічної реакції крім енергетичних

характеристик (D Н, D S) необхідно також знати основні закономірності її перебігу за певний час, тобто мати дані про швидкість і механізм процесу.

Предмет хімічної кінетики

Розділ хімії, який вивчає перебіг хімічних процесів за певний час, називається хімічною кінетикою.

Дослідження кінетики хімічних процесів має не тільки теоретичний, а й практичний інтерес. У необхідності врахування кінетичного фактора під час розгляду хімічних реакцій можна переконатись на прикладі взаємодії кисню і водню. Не звертаючи увагу на те, що реакція

2Н₂(г) + О₂(г) = 2Н₂О(г), DG = -456,4 кДж

характеризується значним зменшенням енергії Гіббса, тобто є можливість самочинного перебігу процесу, за звичайних умов водень і кисень між собою не реагують, а їх суміш може зберігатися будь-який час. За наявності каталізатора чи в разі нагрівання до» 700°С (DG°₁₀₀₀ = -495,3 кДж) суміш реагує дуже швидко, а іноді навіть із вибухом. В обох випадках енергія Гіббса системи майже однакова, а кінетичні особливості різні.

Таким чином, від’ємне значення зміни енергії Гіббса є необхідною, але не достатньою умовою перебігу процесів.

Існує багато галузей технології, виробництва й науки, у яких швидкості ре­акцій належить провідна роль. Дуже важливо знати, з якою швидкістю згоряє паливо в автомобільному двигуні, як швидко твердне бе­тон або нанесений на підлогу лак, від чого залежить швидкість корозії металу. Для процесів, що відбуваються під час виготовлення харчових продуктів теж важливими є знання про швидкість їх перебігу та умови інтенсифікації.

Вивчення чинників, які впливають на швидкість процесів, визначення оптимальних умов, за яких можна здійс­нити реакцію добування заданої речовини, є предметом хімічної кінетики.

Перш ніж розглядати питання про швидкість реакції, зазначимо, що хімічні реакції можуть відбуватися в гомогенній (однорідній) і в гетерогенній (неоднорідній) системах. Гомогенна система складається з однієї фази, гетерогенна − з кількох.

Фазою називають однорідну частину системи, однакову за складом та властивостями і відокремлену від інших фаз поверхнею поділу.

Гомогенні реакції відбуваються в усьому об’ємі системи, гетерогенні – на поверхні поділу фаз. Прикладами гомогенних реакцій є взаємодія в газових сумішах, розчинах, гетерогенних – взаємодія металів із киснем, розчинами кислот, солей тощо.

Швидкість хімічних реакцій

Хімічні перетворення відбуваються в разі зіткнення молекул, якщо в результаті цього перебудовуються хімічні зв’язки, тобто зв’язки у вихідних молекулах розриваються, а нові - утворюються. Швидкість хімічної реакції характеризує інтенсивність хімічного процесу, тобто число елементарних актів взаємодії чи розкладу за одиницю часу в одиниці об’єму (для гомогенних реакцій) чи на одиницю поверхні поділу фаз (для гетерогенних).

Для гомогенних процесів, які відбуваються без зміни об’єму, швидкість хімічної реакції визначають як зміну концентрацій реагуючих речовин чи продуктів реакції за одиницю часу.

Зміна концентрацій дорівнює різниці між концентрацією С ₂, яка відповідає моменту часу t₂, і вихідною (початковою) концентрацією С ₁ у момент часу t₁. Тоді середня швидкість реакції дорівнює

v

Концентрація речовин у процесі реакції весь час змінюється, а це впливає на її швидкість, тому слід розглядати миттєву швидкість реакції, тобто швидкість у даний момент часу. Для гомогенних реакцій – це похідна концентрації за часом:

v

Рис. 15. Зміна концентрацій речовин під час перебігу реакції

Оскільки швидкість хімічних реакцій завжди позитивна й характеризується зміною концентрацій реагуючих речовин (С ₂< С ₁), то величина D С (dC) буде негативною і відношення D С /Dt (d C /dt) треба брати зі знаком “мінус” (рис. 15). Якщо швидкість реакції визначають за зміною концентрації одного з продуктів реакції, то величина D С позитивна і відношення D С /Dt (d C /dt) необхідно брати із знаком “плюс”. Швидкість хімічної реакції дорівнює тангенсу кута нахилу дотичної до

кривої залежності концентрації від часу:

v = tg a.

Швидкість хімічних реакцій залежить від природи реагуючих речовин, їх концентрації, температури, наявності каталізатора та деяких інших зовнішніх факторів.