Химическая кинетика – раздел химии, который изучает скорость химической реакции и факторы влияющие на неё.
О принципиальной осуществимости процесса судят по значению изменения энергии Гиббса системы. Однако оно ничего не говорит о реальной возможности реакции в данных условиях, не даёт представления о скорости и механизме процесса.
Изучение скоростей реакций позволяет выяснить механизм сложных химических превращений. Это создаёт перспективу для управления химическим процессом, позволяет осуществлять математическое моделирование процессов.
Реакции могут быть:
1. гомогенными – протекают в одной среде (в газовой фазе); проходят во всём объёме;
2. гетерогенными – протекают не в одной среде (между веществами, находящимися в разных фазах); проходят на границе раздела.
Под скоростью химической реакции понимают число элементарных актов реакции, проходящих в единицу времени в единице объёма (для гомогенных реакций) и на единицу поверхности (для гетерогенных реакций).
Так как при реакции изменяется концентрация реагирующих веществ, то скорость обычно определяют как изменение концентрации реагентов в единицу времени и выражают в . При этом нет необходимости следить за изменением концентрации всех веществ, входящих в реакцию, поскольку стехиометрический коэффициент в уравнении реакции устанавливает соотношение между концентрациями, т.е. при скорость накопления аммиака вдвое больше скорости расходования водорода.
, , т.к. не может быть отрицательной, поэтому ставят «–».
Скорость в интервале времени 
– истинная мгновенная скорость
– 1‑ая производная концентрации по времени.
Скорость химических реакций зависит :
1. от природы реагирующих веществ;
2. от концентрации реагентов;
3. от катализатора;
4. от температуры;
5. от степени измельчения твёрдого вещества (гетерогенные реакции);
6. от среды (растворы);
7. от формы реактора (цепные реакции);
8. от освещения (фотохимические реакции).
Основной закон химической кинетики – закон действующих масс : скорость химической реакции пропорциональна произведению концентраций реагирующих веществ в реакции
где – постоянная скорости химической реакции
Физический смысл при .
Если в реакции участвуют не 2‑е частицы, а более , то: ~ в степенях, равных стехиометрическим коэффициентам, т.е.: 
, где
– показатель порядка реакции в целом (реакции первого, второго, третьего … порядков).
Число частиц, участвующих в этом акте реакции определяет молекулярность реакции :
Мономолекулярная ()
Бимолекулярная (
)
Тримолекулярная.
Больше 3‑х не бывает, т.к. столкновение более 3‑х частиц сразу – маловероятно.
Когда реакция идёт в несколько стадий, то общая реакции = наиболее медленной стадии (лимитирующей стадии).
Зависимость скорости реакции от температуры определяется эмпирическим правилом Вант-Гоффа : при увеличении температуры на , скорость химической реакции увеличивается в 2 – 4 раза: .
где – температурный коэффициент скорости химической реакции .
Не всякое столкновение молекул сопровождается их взаимодействием. Большинство молекул отскакивают как упругие шарики. И только активные при столкновении взаимодействуют друг с другом. Активные молекулы обладают некоторой избыточной но сравнению с неактивными молекулами, поэтому в активных молекулах связи между ними ослаблены.
Энергия для перевода молекулы в активное состояние – энергия активации . Чем она меньше, тем больше частиц реагируют, тем больше скорость химической реакции.
Величина зависит от природы реагирующих веществ. Она меньше диссоциации – наименее прочной связи в реагентах.
Изменение в ходе реакции:
Выделяется (экзотермическая)
С увеличением температуры число активных молекул растёт, поэтому увеличивается.
Константа химической реакции связана с
где – предэкспоненциальный множитель (связан с вероятностью и числом столкновений).
В зависимости от природы реагирующих веществ и условий их взаимодействия, в элементарных актах реакций могут принимать участие атомы, молекулы, радикалы или ионы.
Свободные радикалы чрезвычайно реакционноспособны, активных радикальных реакций очень мала ().
Образование свободных радикалов может происходить в процессе распада веществ при температуре, освещении, под действием ядерных излучений, при электроразряде, сильных механических воздействиях.
Многие реакции протекают по цепному механизму . Особенность цепных реакций состоит в том, что один первичный акт активации приводит к превращению огромного числа молекул исходных веществ.
Например: .
При обычной температуре и рассеянном освещении реакция протекает крайне медленно. При нагревании смеси газов или действия света, богатого УФ лучами (прямой солнечный свет, свет от горящего ) смесь взрывается.
Эта реакция протекает через отдельные элементарные процессы. Прежде всего, за счёт поглощения кванта энергии УФ лучей (или температуры) молекула диссоциируется на свободные радикалы – атомы : 
, затем , затем и т.д.
Естественно, возможно столкновение свободных радикалов и друг с другом, что приводит к обрыву цепей: 
.
Кроме температуры на реакционную способность веществ существенное влияние оказывает свет. Воздействие света (видимого, УФ) на реакции изучает раздел химии – фотохимия.
Фотохимические процессы весьма разнообразны. При фотохимическом действии молекулы реагирующих веществ, поглощая кванты света, возбуждаются, т.е. становятся реакционноспособными или распадаются на ионы и свободные радикалы. На фотохимических процессах основана фотография – воздействие света на светочувствительные материалы (фотосинтез).
Одним из наиболее распространённых в химической практике методов ускорения химических реакций является катализ . Катализаторы – вещества, изменяющие химической реакции за счёт участия в промежуточном химическом взаимодействии с компонентами реакции, но восстанавливающие после каждого цикла промежуточного взаимодействия свой химический состав.
Увеличение каталитической реакции связано с меньшей нового пути реакции. Т.к. в выражении для входит в отрицательный показатель степени, то даже небольшое уменьшение вызывает очень большое увеличение химической реакции.
Цель работы : изучение влияние температуры на скорость реакции, концентрации на сдвиг химического равновесия.
Скоростью химической реакции называется количество вещества, вступающего в реакцию или образующегося в результате реакции за единицу времени в единице объёма (для гомогенных реакций) или на единице поверхности раздела фаз (для гетерогенных реакций).
Если за промежуток времени?ф = ф 2 ф 1 концентрация одного из веществ, участвующих в реакции, уменьшается на?С = С 2 С 1 , то средняя скорость химической реакции за указанный промежуток времени равна
Величина V выражает скорость химического процесса на некотором отрезке времени. Поэтому чем меньше?ф, тем средняя скорость будет ближе к истинной.
Скорость химической реакции зависит от следующих факторов:
1) природы и концентрации реагирующих веществ;
2) температуры реакционной системы;
3) наличия катализатора;
4) давления,
5) величины поверхности раздела фаз и скорости перемешивания системы (для гетерогенных реакций);
6) типа растворителя.
Влияние концентрации реагентов. Скорость реакции пропорциональна числу соударений молекул реагирующих веществ. Число соударений, в свою очередь, тем больше, чем выше концентрация каждого из исходных веществ.
Общую формулировку влияния концентрации на скорость химической реакции даёт закон действия масс (1867 г., Гульдберг, Вааге, Бекетов).
При постоянной температуре скорость химической реакции пропорциональна произведению концентраций реагирующих веществ, взятых в степенях их уравнительных (стехиометрических) коэффициентов.
Для реакции аА + вВ = сС V = K[A] а [B] в,
где К - коэффициент пропорциональности или константа скорости;
Если [А] = 1 моль/л, [В] =1 моль/л, то V = K, отсюда физический смысл
константы скорости К: константа скорости равна скорости реакции при концентрациях реагирующих веществ, равных единице.
Влияние температуры на скорость реакции. С ростом температуры увеличивается частота столкновения реагирующих молекул, а следовательно, увеличивается скорость реакции.
Количественно влияние температуры на скорость гомогенных реакций может быть выражено правилом Вант-Гоффа.
В соответствии с правилом Вант-Гоффа при повышении (понижении) температуры на 10 градусов скорость химической реакции увеличивается (уменьшается) в 2-4 раза:
где V(t 2 ) и V(t 1 ) - скорости химической реакции при соответствующих температурах; ф(t 2 ) и ф(t 1 ) - продолжительность химической реакции при соответствующих температурах; г - температурный коэффициент Вант-Гоффа, который может принимать числовое значение в интервале 2-4.
Энергия активации. Избыточная энергия, которой должны обладать молекулы для того, чтобы их столкновение могло привести к образованию нового вещества, называется энергией активации данной реакции (выражается в кДж/моль). Одним из способов активации является увеличение температуры: при повышении температуры число активных частиц сильно возрастает, благодаря чему резко увеличивается скорость реакции.
Зависимость скорости реакции от температуры выражается уравнением Аррениуса:
где К - константа скорости химической реакции; E а - энергия активации;
R - универсальная газовая постоянная; А - постоянная; exp - основание натуральных логарифмов.
Величина энергии активизации может быть определена, если известны два значения константы скорости К 1 и К 2 при температуре соответственно Т 1 и Т 2 , по следующей формуле:
Химическое равновесие.
Все химические реакции можно разделить на две группы: необратимые и обратимые. Необратимые реакции протекают до конца - до полного израсходования одного из реагирующих веществ, т.е. протекают только в одном направлении. Обратимые реакции протекают не до конца. При обратимой реакции ни одно из реагирующих веществ не расходуется до конца. Обратимая реакция может протекать как в прямом, так и в обратном направлении.
Химическое равновесие - это такое состояние системы, при котором скорости прямой и обратной реакций равны.
Для обратимой реакции
m A + n B ? p C + q D
константа химического равновесия равна
В обратимых химических реакциях равновесие устанавливается в тот момент, когда отношение произведения концентраций продуктов, возведенных в степени, равные стехиометрическим коэффициентам, к произведению концентраций исходных веществ, также возведенных в соответствующие степени, равно некоторой постоянной величине, называемой константой химического равновесия.
Константа химического равновесия зависит от природы реагирующих веществ и от температуры. Концентрации, при которых устанавливается равновесие, называются равновесными. Изменение внешних условий (концентрации, температуры, давления) вызывает смещение химического равновесия в системе и переход ее в новое равновесное состояние.
Подобный переход реакционной системы из одного состояния к другому называется смещением (или сдвигом) химического равновесия.
Направление смещения химического равновесия определяется принципом Ле Шателье: если на систему, находящуюся в состоянии химического равновесия, производить какое-либо внешнее воздействие (изменять концентрацию, температуру, давление), то в этой системе самопроизвольно возникают процессы, стремящиеся ослабить произведенное воздействие.
Повышение концентрации одного из исходных реагентов сдвигает равновесие вправо (усиливается прямая реакция); повышение концентрации продуктов реакция смещает равновесие влево (усиливается обратная реакция).
Если реакция протекает с увеличением числа молекул газа (т.е. в правой части уравнения реакции суммарное число молекул газов больше, чем число молекул газообразных веществ в левой части), то повышение давления препятствует реакции, а уменьшение давления - благоприятствует реакции.
При повышении температуры равновесие смещается в сторону эндотермической реакции, а при понижении - в направлении экзотермической реакции.
Катализатор изменяет в одинаковое число раз как скорость прямой, так и обратной реакции. Поэтому катализатор не вызывает сдвиг равновесия, а лишь сокращает или увеличивает время, необходимое для достижения равновесия.
Опыт №1 Зависимость скорости гомогенной реакции от концентрации исходных реагентов.
ь Приборы, оборудование: пробирки, секундомер, растворы тиосульфата натрия (III), разб. серной кислоты (1М), вода.
ь Методика проведения: Эту зависимость можно изучить на классическом примере гомогенной реакции взаимодействия тиосульфата натрия с серной кислотой, протекающей по уравнению
Na 2 S 2 O 3 + H 2 SO 4 = Na 2 SO 4 + Sv + SO 2 ^ + H 2 O.
Сера в первый момент образует с водой коллоидный раствор (едва уловимое помутнение). Необходимо измерить по секундомеру время от момента сливания до появления едва заметной мути. Зная время протекания реакции (в секундах), можно определить относительную скорость реакции, т.е. величину, обратную времени:
химический гомогенный кинетика
Для опыта следует приготовить три сухие чистые пробирки, пронумеровать их. В первую внести 4 капли раствора тиосульфата натрия и 8 капель воды; во вторую - 8 капель тиосульфата натрия и 4 капли воды; в третью - 12 капель тиосульфата натрия. Пробирки встряхнуть.
Если условно обозначить молярную концентрацию тиосульфата натрия в пробирке 1 через «с», то соответственно в пробирке 2 будет 2 с моль, в пробирке 3 - 3 с моль.
В пробирку 1 внести одну каплю серной кислоты, одновременно включить секундомер: встряхивая пробирку, следить за появлением мути в пробирке, держа ее на уровне глаз. При появлении малейшей мути остановить секундомер, отметить время реакции и записать в таблицу.
Проделать аналогичные опыты со второй и третьей пробирками. Данные опыта внести в лабораторный журнал в виде таблицы.
ь Вывод: с повышением концентрации тиосульфата натрия скорость данной реакции возрастает. Графиком зависимости является прямая линия, проходящая через начало координат.
Опыт №2. Изучение зависимости скорости гомогенной реакции от температуры.
ь Приборы и оборудование: пробирки, секундомер, термометр, растворы тиосульфата натрия (III), серной кислоты (1М)
ь Методика проведения:
Приготовить три чистые сухие пробирки, пронумеровать их. В каждую из них внести по 10 капель раствора тиосульфата натрия. Пробирку №1 поместить в стаканчик с водой при комнатной температуре и через 1…2 минуты отметить температуру. Затем в пробирку добавить одну каплю серной кислоты, одновременно включить секундомер и остановить его при появлении слабой, едва заметной мути. Отметить время в секундах от момента добавления кислоты в пробирку до появления мути. Записать результат в таблицу.
Затем повысить температуру воды в стакане точно на 10 0 либо нагреванием на плитке, либо смешиванием с горячей водой. Поместить в эту воду пробирку №2, выдержать несколько минут и добавить одну каплю серной кислоты, включив одновременно секундомер, встряхивать пробирку с содержимым в стаканчике с водой до появления мути. При появлении едва заметной мути выключить секундомер и внести показания секундомера в таблицу. Аналогичный опыт провести с третьей пробиркой. Температуру в стакане предварительно повысить ещё на 10 0 , поместить в неё пробирку №3, выдержать несколько минут и добавить одну каплю серной кислоты, одновременно включив секундомер и встряхивая пробирку.
Результаты опытов выразить графиком, откладывая по оси ординат скорость, а по оси абсцисс - температуру.
Определить температурный коэффициент реакции г
ь Вывод: в ходе опыта был рассчитан средний температурный коэффициент, который оказался равным 1,55. В идеале он составляет
2-4. Отклонение от идеала можно объяснить погрешностью измерения времени помутнения раствора. График зависимости скорости реакции от температуры имеет вид ветви параболы, которая не проходит через 0. С повышением температуры скорость реакции увеличивается
Опыт №3 Влияние концентрации реагирующих веществ на химическое равновесие.
ь Приборы и оборудование: пробирки, хлорид калия (крист.), растворы хлорида железа (III), роданид калия (насыщ.), дистиллированная вода, цилиндр
ь Методика проведения:
Классическим примером обратимой реакции является взаимодействие между хлоридом железа и роданидом калия:
FeCl 3 + 3 KCNS Д Fe(CNS) 3 + 3 KCl.
красного цвета
Образующийся роданид железа имеет красный цвет, интенсивность которого зависит от концентрации. По изменению окраски раствора можно судить о смещении химического равновесия в зависимости от увеличения или уменьшения содержания роданида железа в реакционной смеси. Составить уравнение константы равновесия данного процесса.
В мерный стаканчик или цилиндр налить 20 мл дистиллированной воды и добавить одну каплю насыщенного раствора хлорида железа (III) и одну каплю насыщенного раствора роданида калия. Полученный окрашенный раствор разлить в четыре пробирки поровну. Пробирки пронумеровать.
В первую пробирку прибавить одну каплю насыщенного раствора хлорида железа (III).Во вторую пробирку прибавить одну каплю насыщенного раствора роданида калия. В третью пробирку добавить кристаллический хлорид калия и сильно взболтать. Четвёртая пробирка для сравнения.
Исходя из принципа Ле Шателье, объяснить, чем вызвано изменение окраски в каждом отдельном случае.
Результаты опыта записать в таблицу по форме
В первом во втором случае мы повышали концентрацию исходных веществ, поэтому получается более интенсивная окраска. Причем во втором случае окраска темнее, потому что концентрация KSCN изменяется с кубической скоростью. В третьем опыте мы повышали концентрацию конечного вещества, поэтому окраска раствора светлей.
Вывод: при повышении и концентрации исходных веществ равновесие смещается в сторону образования продуктов реакции. При повышении концентрации продуктов равновесие смещается в сторону образования исходных веществ.
Общие выводы: в ходе опытов мы экспериментально установили зависимость скорости реакции от концентрации исходных веществ (чем выше концентрация, тем выше скорость реакции); зависимость скорости реакции от температуры (чем выше температура, тем больше скорость реакции); как концентрация реагирующих веществ влияет на химическое равновесие (при повышении концентрации исходных веществ химическое равновесие смещается в сторону образования продуктов; при повышении концентрации продуктов хим. равновесие смещается в сторону образования исходных веществ)
Химическая кинетика
Химическое равновесие
Химическая кинетика – раздел химии, который изучает скорость химической реакции и факторы влияющие на неё.
О принципиальной осуществимости процесса судят по значению изменения энергии Гиббса системы. Однако оно ничего не говорит о реальной возможности реакции в данных условиях, не даёт представления о скорости и механизме процесса.
Изучение скоростей реакций позволяет выяснить механизм сложных химических превращений. Это создаёт перспективу для управления химическим процессом, позволяет осуществлять математическое моделирование процессов.
Реакции могут быть:
1. гомогенными – протекают в одной среде (в газовой фазе); проходят во всём объёме;
2. гетерогенными – протекают не в одной среде (между веществами, находящимися в разных фазах); проходят на границе раздела.
Под скоростью химической реакции понимают число элементарных актов реакции, проходящих в единицу времени в единице объёма (для гомогенных реакций) и на единицу поверхности (для гетерогенных реакций).
Так как при реакции изменяется концентрация реагирующих веществ, то скорость обычно определяют как изменение концентрации реагентов в единицу времени и выражают в . При этом нет необходимости следить за изменением концентрации всех веществ, входящих в реакцию, поскольку стехиометрический коэффициент в уравнении реакции устанавливает соотношение между концентрациями, т.е. при 
скорость накопления аммиака вдвое больше скорости расходования водорода.
, , т.к. не может быть отрицательной, поэтому ставят «–».
Скорость в интервале времени 
– истинная мгновенная скорость
– 1‑ая производная концентрации по времени.
Скорость химических реакций зависит :
1. от природы реагирующих веществ;
2. от концентрации реагентов;
3. от катализатора;
4. от температуры;
5. от степени измельчения твёрдого вещества (гетерогенные реакции);
6. от среды (растворы);
7. от формы реактора (цепные реакции);
8. от освещения (фотохимические реакции).
Основной закон химической кинетики – закон действующих масс : скорость химической реакции пропорциональна произведению концентраций реагирующих веществ в реакции
где – постоянная скорости химической реакции
Физический смысл при .
Если в реакции участвуют не 2‑е частицы, а более , то: ~ в степенях, равных стехиометрическим коэффициентам, т.е.: 
, где
– показатель порядка реакции в целом (реакции первого, второго, третьего … порядков).
Число частиц, участвующих в этом акте реакции определяет молекулярность реакции :
Мономолекулярная ()
Бимолекулярная (
)
Тримолекулярная.
Больше 3‑х не бывает, т.к. столкновение более 3‑х частиц сразу – маловероятно.
Когда реакция идёт в несколько стадий, то общая реакции = наиболее медленной стадии (лимитирующей стадии).
Зависимость скорости реакции от температуры определяется эмпирическим правилом Вант-Гоффа : при увеличении температуры на , скорость химической реакции увеличивается в 2 – 4 раза: .
где – температурный коэффициент скорости химической реакции .
Не всякое столкновение молекул сопровождается их взаимодействием. Большинство молекул отскакивают как упругие шарики. И только активные при столкновении взаимодействуют друг с другом. Активные молекулы обладают некоторой избыточной но сравнению с неактивными молекулами, поэтому в активных молекулах связи между ними ослаблены.
Энергия для перевода молекулы в активное состояние – энергия активации . Чем она меньше, тем больше частиц реагируют, тем больше скорость химической реакции.
Величина зависит от природы реагирующих веществ. Она меньше диссоциации – наименее прочной связи в реагентах.
Изменение в ходе реакции:
Выделяется (экзотермическая)
С увеличением температуры число активных молекул растёт, поэтому увеличивается.
Константа химической реакции связана с
где – предэкспоненциальный множитель (связан с вероятностью и числом столкновений).
В зависимости от природы реагирующих веществ и условий их взаимодействия, в элементарных актах реакций могут принимать участие атомы, молекулы, радикалы или ионы.
Свободные радикалы чрезвычайно реакционноспособны, активных радикальных реакций очень мала ().
Образование свободных радикалов может происходить в процессе распада веществ при температуре, освещении, под действием ядерных излучений, при электроразряде, сильных механических воздействиях.
Многие реакции протекают по цепному механизму . Особенность цепных реакций состоит в том, что один первичный акт активации приводит к превращению огромного числа молекул исходных веществ.
Например: .
При обычной температуре и рассеянном освещении реакция протекает крайне медленно. При нагревании смеси газов или действия света, богатого УФ лучами (прямой солнечный свет, свет от горящего ) смесь взрывается.
Эта реакция протекает через отдельные элементарные процессы. Прежде всего, за счёт поглощения кванта энергии УФ лучей (или температуры) молекула диссоциируется на свободные радикалы – атомы : 
, затем , затем и т.д.
Естественно, возможно столкновение свободных радикалов и друг с другом, что приводит к обрыву цепей: 
.
Кроме температуры на реакционную способность веществ существенное влияние оказывает свет. Воздействие света (видимого, УФ) на реакции изучает раздел химии – фотохимия.
Фотохимические процессы весьма разнообразны. При фотохимическом действии молекулы реагирующих веществ, поглощая кванты света, возбуждаются, т.е. становятся реакционноспособными или распадаются на ионы и свободные радикалы. На фотохимических процессах основана фотография – воздействие света на светочувствительные материалы (фотосинтез).
Одним из наиболее распространённых в химической практике методов ускорения химических реакций является катализ . Катализаторы – вещества, изменяющие химической реакции за счёт участия в промежуточном химическом взаимодействии с компонентами реакции, но восстанавливающие после каждого цикла промежуточного взаимодействия свой химический состав.
Увеличение каталитической реакции связано с меньшей нового пути реакции. Т.к. в выражении для входит в отрицательный показатель степени, то даже небольшое уменьшение вызывает очень большое увеличение химической реакции.
Существуют 2 вида катализаторов :
гомокатализаторы;
гетерокатализаторы.
Биологические катализаторы – ферменты .
Ингибиторы – вещества, замедляющие химической реакции.
Промоторы – вещества, усиливающие действие катализаторов.
Реакции, которые протекают только в одном направлении и идут до конца – необратимые (образование осадка, выделение газа). Их мало.
Большинство реакций – обратимые
: 
.
Согласно закону действия масс: 
– химическое равновесие
.
Состояние системы, в которой прямой реакции = обратной реакции, называется химическим равновесием .
.
С увеличением температуры, : для эндотермической реакции возрастает, для экзотермической реакции убывает для остаётся постоянным.
Влияние различных факторов на положение химического равновесия определяется принципом Ла-Шателье : если на систему, находящуюся в равновесии, оказать какое-либо воздействие, то в системе усиливаются процессы, стремящиеся уменьшить это воздействие.
Химическая кинетика – это раздел химии, изучающий скорости химических реакций. Химические реакции могут протекать с различными скоростями (от малых долей секунды до десятилетий и более продолжительных временных интервалов). При рассмотрении вопроса о скорости реакций необходимо различать гомогенные и гетерогенные реакции. Гомогенные системы состоят из одной фазы (например, любая газовая смесь), а гетерогенные – из нескольких фаз (например, вода со льдом). Фазой является часть системы, отделённая от других её частей поверхностью раздела, при переходе через которую происходит скачкообразное изменение свойств.
Скорость гомогенной реакции – это количество вещества, вступающего в реакцию или образующегося при реакции за единицу времени в единице объёма системы. Скоростью гетерогенной реакции является количество вещества, вступающего в реакцию или образующегося при реакции за единицу времени на единице поверхности фазы (или массы, объёма твердой фазы, когда затруднительно определение велечины поверхности твёрдого тела):
v гомог = ; v гетерог = . Т.е. скорость гомогенной реакции можно определить как изменение концентрации какого-либо из веществ, вступающих в реакцию или образующихся при реакции, протекающее за единицу времени .
Большинство химических реакций являются обратимыми, то есть могут протекать как в прямом, так и в обратном направлениях. Рассмотрим обратимую реакцию:
Скорости прямой и обратной реакций связаны с концентрациями реагентов следующими уравнениями:
v х.р, пр =k пр [A] a ×[B] b и v х.р. обр =k обр [C] c ×[D] d
С течением времени скорость прямой реакции будет уменьшаться вследствие расхода реагентов А и В и понижения их концентраций. Напротив, скорость обратной реакции по мере накопления продуктов С и D будет возрастать. Поэтому через некоторый промежуток времени скорости прямой и обратной реакций сравняются друг с другом. Установится состояние системы, в котором отсутствуют потоки вещества и энергии, называемое химическим равновесием. Все обратимые процессы протекают не полностью, а лишь до состояния равновесия, в котором из условия v х.р. пр = v х.р. обр следует:
| k пр /k обр =[C] c ×[D] d / [A] a ×[B] b =K |
где K - константа химического равновесия, которая зависит от температуры и природы реагентов, но не зависит от концентрации последних. Это математическое выражение закона действующих масс, который позволяет рассчитывать состав равновесной реакционной смеси.
Важнейшими факторами, влияющими на скорость реакции, являются:
1. Природа реагирующих веществ;
2. Концентрации реагирующих веществ;
3. Температурный фактор;
4. Наличие катализаторов.
В некоторых случаях скорость гетерогенных реакций зависит также от интенсивности движения жидкости или газа вблизи поверхности, на которой реализуется реакция.
1) Влияние концентрации реагирующих веществ. Представим уравнение химической реакции в общем виде: аА+bB+…=, тогда v х.р. =k[A] a [B] b – это, по сути, математическая запись закона действующих масс , открытого опытным путём К. Гульдбергом и П. Вааге в 1864-1867 гг. Согласно указанному закону, при неизменной температуре v х.р пропорциональна произведению концентраций реагирующих веществ, причём каждая концентрация входит в произведение в степени, равной коэффициенту, стоящему перед формулой данного вещества в уравнении реакции. Величина константы скорости реакции (k) зависит от природы реагирующих веществ, температуры и наличия катализаторов, но не зависит от концентрации веществ.
2) Зависимость v х.р. от температуры и от природы реагирующих веществ. Энергией активации Е а (в кДж/моль) называют избыточную энергию, которой должны обладать молекулы для того, чтобы их столкновение могло привести к образованию нового вещества. Е а различных реакций различна. Посредством этого фактора сказывается влияние природы реагирующих веществ на v х.р. . Если Е а <40 кДж/моль (т.е. мала), то скорость такой реакции велика (например, ионные реакции в растворах, протекающие практически мгновенно). Если Е а >120 кДж/моль (т.е. очень значительна), то скорость такой реакции незначительна (например, реакция синтеза аммиака N 2 +3H 2 =2NH 3 – скорость этой реакции при обычных Т вследствии высоких значений Е а настолько мала, что заметить её протекание практически невозможно).
В 1889 г. знаменитый шведский химик Аррениус вывел из опытных данных уравнение, связывающее константу скорости с температурой и энергией активации. Позднее это уравнение получило теоретическое обоснование. Согласно Аррениусу, константа скорости находится в экспоненциальной зависимости от температуры: k=k max ×exp(-E a /RT) , где R - универсальная газовая постоянная, равная 8,31 Дж/моль×К; k max - предэкспоненциальный фактор, имеющий смысл максимально возможного значения константы скорости при нулевой энергии активации или бесконечно высокой температуре, когда все столкновения молекул реагентов становятся активными. Уравнение Аррениуса используют чаще в логарифмической форме: lnk=lnk max -E a /RT .
Возрастание v х.р. с ростом температуры обычно характеризуют температурным коэффициентом скорости реакции – величиной, показывающей, во сколько раз возрастает скорость рассматриваемой реакции при повышении температуры системы на 10 градусов. Температурный коэффициент (g) для разных реакций различен. При обычных температурах его значение для большинства реакций лежит в пределах от 2 до 4 (т.е. g х.р. =2-4 раза).
Катализаторами являются вещества, не расходующиеся в реакции, но оказывающие влияние на её скорость. Явление изменения скорости реакции под действием катализаторов называется катализом , а сами эти реакции являются каталитическими . Действие катализатора обусловлено снижением активационного предела химического взаимодействия, т.е. снижением величины энергии активации. Под воздействием катализаторов реакции могут ускоряться в миллионы и более раз. Более того, некоторые реакции без катализаторов вообще не реализуются. Катализаторы широко используются в промышленности.
Различают гомогенный и гетерогенный катализ . При гомогенном катализе катализатор и реагенты образуют одну фазу (газ или раствор), а при гетерогенном катализе – катализатор находится в системе в виде самостоятельной фазы. Примером гомогенного катализа служит разложение перекиси водорода на воду и кислород в присутствии катализаторов Cr 2 O 7 2- , WO 4 2- и др. Примером гетерогенного катализа является окисление диоксида серы в триоксид при контактном способе получения серной кислоты из отходящих газов металлургических производств: SO 2 +0,5O 2 +H 2 O=(kt)=H 2 SO 4 .
Химическая кинетика
Химическое равновесие
Химическая кинетика – раздел химии, который изучает скорость химической реакции и факторы влияющие на неё.
О принципиальной осуществимости процесса судят по значению изменения энергии Гиббса системы. Однако оно ничего не говорит о реальной возможности реакции в данных условиях, не даёт представления о скорости и механизме процесса.
Изучение скоростей реакций позволяет выяснить механизм сложных химических превращений. Это создаёт перспективу для управления химическим процессом, позволяет осуществлять математическое моделирование процессов.
Реакции могут быть:
1. гомогенными – протекают в одной среде (в газовой фазе); проходят во всём объёме;
2. гетерогенными – протекают не в одной среде (между веществами, находящимися в разных фазах); проходят на границе раздела.
Под скоростью химической реакции понимают число элементарных актов реакции, проходящих в единицу времени в единице объёма (для гомогенных реакций) и на единицу поверхности (для гетерогенных реакций).
Так как при реакции изменяется концентрация реагирующих веществ, то скорость обычно определяют как изменение концентрации реагентов в единицу времени и выражают в
. При этом нет необходимости следить за изменением концентрации всех веществ, входящих в реакцию, поскольку стехиометрический коэффициент в уравнении реакции устанавливает соотношение между концентрациями, т.е. при скорость накопления аммиака вдвое больше скорости расходования водорода.Скорость в интервале времени
– истинная мгновенная скорость – 1‑ая производная концентрации по времени.Скорость химических реакций зависит :
1. от природы реагирующих веществ;
2. от концентрации реагентов;
3. от катализатора;
4. от температуры;
5. от степени измельчения твёрдого вещества (гетерогенные реакции);
6. от среды (растворы);
7. от формы реактора (цепные реакции);
8. от освещения (фотохимические реакции).
Основной закон химической кинетики – закон действующих масс : скорость химической реакции пропорциональна произведению концентраций реагирующих веществ в реакции
: , – постоянная скорости химической реакцииФизический смысл
при .Если в реакции участвуют не 2‑е частицы, а более
, то: ~ в степенях, равных стехиометрическим коэффициентам, т.е.: , где – показатель порядка реакции в целом (реакции первого, второго, третьего … порядков).Число частиц, участвующих в этом акте реакции определяет молекулярность реакции :
мономолекулярная ( ) бимолекулярная ( ) тримолекулярная.Больше 3‑х не бывает, т.к. столкновение более 3‑х частиц сразу – маловероятно.
Когда реакция идёт в несколько стадий, то общая
реакции = наиболее медленной стадии (лимитирующей стадии).Зависимость скорости реакции от температуры определяется эмпирическим правилом Вант-Гоффа : при увеличении температуры на
, скорость химической реакции увеличивается в 2 – 4 раза: . ,Не всякое столкновение молекул сопровождается их взаимодействием. Большинство молекул отскакивают как упругие шарики. И только активные при столкновении взаимодействуют друг с другом. Активные молекулы обладают некоторой избыточной
но сравнению с неактивными молекулами, поэтому в активных молекулах связи между ними ослаблены.Энергия для перевода молекулы в активное состояние – энергия активации
. Чем она меньше, тем больше частиц реагируют, тем больше скорость химической реакции.Величина
зависит от природы реагирующих веществ. Она меньше диссоциации – наименее прочной связи в реагентах.Изменение
в ходе реакции: выделяется (экзотермическая)С увеличением температуры число активных молекул растёт, поэтому
