Зависимость скорости химической реакции от




ЗНАЕТЕ ЛИ ВЫ?

Зависимость скорости химической реакции от



Концентрации

Необходимым условием того, чтобы между частицами (молекулами, ионами) исходных веществ произошло химическое взаимодействие, является их столкновение друг с другом (соударение). Точнее говоря, частицы должны сблизиться друг; с другом настолько, чтобы атомы одной из них испытывали бы действие электрических полей, создаваемых атомами другой. Только при этом станут возможны те переходы электронов и перегруппировки атомов, в результате которых образуются молекулы новых веществ — продуктов реакции. Поэтому 'скорость реакции пропорциональна числу соударений, которые претерпевают молекулы реагирующих веществ.

Число соударений, в свою очередь, тем больше, чем выше концентрация каждого из исходных веществ или, что то же самое, чем больше произведение концентраций реагирующих веществ

Рассмотрим зависимость скорости от концентрации. Предположим, имеем реакцию А+В+2D=F+L. Надо найти зависимость скорости от концентрации реагентов

u = f(CA, CB, CD) = ?

Измерим скорость при каких либо концентрациях, а потом увеличим концентрацию СА вдвое и еще раз измерим скорость. Пусть она возросла вдвое. Это значит, что скорость пропорциональна концентрации СА в первой степени. Увеличим концентрацию СВ вдвое. Предположим, что это не повлияло на скорость – вполне реальная ситуация. Если растворять NO2 в воде для получения азотной кислоты, то очевидно, что скорость реакции не будет зависеть от количества воды. В таком случае можно сказать, что скорость реакции зависит от концентрации СВ в нулевой степени. Пусть теперь мы обнаружили, что от концентрации СD скорость зависит как концентрация СD 2 во второй степени. Тогда общее уравнение скорости реакции запишется как

 

= kCACB 0 CD 2 , (1.3)

где k — коэффициент пропорциональности, называемый константой скорости данной реакции

Это уравнение называется кинетическим уравнением реакции. Величина константы скорости k зависит от природы реагирующих веществ, от температуры и от присутствия катализаторов, но не зависит от концентраций веществ.

Показатели степеней при концентрациях в кинетическом уравнении называются порядками реакции по данному веществу, а их сумма – общим порядком реакции. Порядки реакции устанавливаются экспериментально, а не по стехиометрическим коэффициентам. Существует совсем немного реакций, где порядок совпадает с суммой стехиометрических коэффициентов.

N2O5= 2NO2+ 1/2O2: = kC(N2O5) реакция первого порядка

(H2)+(J2) = 2(HJ): = kC(H2)C(J2) реакция второго порядка

(Cl2) +2(NO) = 2(NOCl): = kC(Cl2)C(NO)2 реакция третьего порядка

 

Наиболее часто встречаются реакции первого, второго, иногда ‑ третьего порядка.

H2 + Br2 = 2HBr ;

= kCH2CBr2 ½ .

Иными словами, порядок может быть и дробным. Почему, рассмотрим ниже.

Реакции обычно идут по стадиям, поскольку невозможно представить себе одновременное столкновение большого числа молекул.

Предположим, что некая реакция идет по стадиям: A + 2B = C + D

1) А + В = АВ;

2) АВ + В --> C +D.

Тогда, если первая реакция идет медленно, а вторая быстро, то скорость определяется первой стадией (пока она не пройдет, не может идти вторая), т.е. накопление частиц АВ. Тогда и = kCACB.

Скорость реакции для последовательных реакций определяется самой медленной стадией. Отсюда различие между порядком реакции и стехиометрическими коэффициентами. Например, реакция разложения перекиси водорода

2H2O2 = 2H2O+O2

на самом деле - реакция первого порядка, т.к. она лимитируется первой стадией H2O2 = H2O+O, а вторая стадия O+O = O2 идет очень быстро.

Самой медленной может быть не первая, а вторая или другая стадия, и тогда мы получаем иногда дробный порядок, выражая концентрации интермедиатов (промежуточных соединений) через концентрации начальных веществ.

Скорость реакции в момент t - мгновенная скорость - подчиняется закону действующих масс, который был экспериментально открыт и теоретически обоснован в середине ХIX столетия и получил свое название от термина «действующая масса» - синонима современного понятия «концентрация».

Закон действующих масс (К. Гульдберг, П.Вааге, 1867г. Норвегия):

скорость химической реакции прямо пропорциональна произведению концентраций реагирующих веществ.

aA + bB + . . . ® . . .

= k • [A]a • [B]b • . . . (1.4)

Константа скорости реакции k зависит от природы реагирующих веществ, температуры и катализатора, но не зависит от значения концентраций реагентов.

Физический смысл константы скорости заключается в том, что она равна скорости реакции при единичных концентрациях реагирующих веществ.

 

1.3.1Скорость реакции первого порядка:

Рассмотрим химическую реакцию первого порядка – это обычно реакции разложения или диссоциации.

H2 à 2H ;

=k*C ;

;

; .

принимая для времени t=0 C = C0, получим

, (1.5)

тогда

. (1.6)

Концентрация реагентов и скорость реакции первого порядка уменьшаются во времени по экспоненциальному закону.

Прологарифмируем уравнение (1.4), получим

 

,

, тогда

. (1.7)

 

Константа скорости реакции первого порядка измеряется в [с-1]

 

Рисунок 2 – Изменение концентрации реагирующих веществ

для реакций первого порядка

 
 

 


(1.8)

 

 

Период полураспада (t ½) - время, в течение которого концентрация реагента уменьшается вдвое по сравнению с начальной концентрацией.

Подставим С=С0/2 в (1.6), тогда получим

. (1.9)

Период полураспада реагента в случае реакции первого порядка не зависит от начальной концентрации, а определяется константой скорости реакции.

1.3.2 Скорость реакции второго порядка

Рассмотрим реакцию второго порядка:

2HJ = H2+J2 ,

, = kС2 .

Используя уравнения для скоростей реакций и разделяя переменные, получим

.

Принимая в начальный момент

 

C = C0 .

получим

 

. (1.10)

(л/моль ∙ с). (1.11)

 

. (1.12)

 

. (1.13)

 

 
 

 


Рисунок 3 - Изменение концентраций исходных веществ во

времени для уравнений реакций второго порядка

 





Последнее изменение этой страницы: 2016-08-14; Нарушение авторского права страницы

infopedia.su Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав. Обратная связь - 3.239.242.55 (0.011 с.)