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(C_A, C_B, C_D) = ?

Измерим скорость при каких либо концентрациях, а потом увеличим концентрацию С_А вдвое и еще раз измерим скорость. Пусть она возросла вдвое. Это значит, что скорость пропорциональна концентрации С_А в первой степени. Увеличим концентрацию С_В 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 С_В в нулевой степени. Пусть теперь мы обнаружили, что от концентрации С_D скорость зависит как концентрация С_D ² во второй степени. Тогда общее уравнение скорости реакции запишется как

 

= kC_AC_B ⁰ C_D 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 ;

= kC_H2C_Br2 ^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 = kC_AC_B.

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