Зависимость скорости реакции от концентрации

Скорость химической реакции прямо пропорциональна произведению концентраций реагирующих веществ, возведенных в степени, равные стехиометрическим коэффициентам в уравнении реакции.

Так, для гомогенной реакции (реагенты находятся в одной фазе)

2SO₂(г) + O₂(г) = 2SO₃(г)

V1 = k1 [SO₂]² [O2] − скорость прямой реакции,

V2 = k2 [SO₃]² − скорость обратной реакции,

где k1, k2 − константы скорости реакции, равные скорости реакции при концентрации веществ 1 моль. Константа скорости зависит от природы реагирующих веществ, температуры, способа выражения концентрации, но не зависит от величины концентрации реагирующих веществ.

Гетерогенные реакции идут на поверхности раздела фаз, и их скорость зависит от величины этой поверхности S. Например, скорость гетерогенной реакции с участием твердого вещества и реагента, находящегося в газообразном состоянии или в растворе, описывается уравнением

V = k C/S,

где С – концентрация реагента.

Таким образом, первой особенностью гетерогенных реакций является влияние на скорость процессов площади реакционной поверхности. Если реакция идет на поверхности твердого вещества, то понятие «концентрация твердого вещества» в данном случае не имеет физического смысла. Конечно же, скорость реакции зависит от степени дисперсности (раздробленности) этого вещества, но это не находит отражения в законе

действующих масс. Отсюда следует вторая особенность гетерогенных реакций, которая заключается в том, что концентрации твердых веществ не включаются в кинетические уравнения, так как они постоянны,

Скорость химической реакции с ростом температуры почти всегда увеличивается. При небольшом изменении температуры в первом приближении соблюдается правило Вант-Гоффа.

При повышении температуры на каждые десять градусов скорость реакции возрастает примерно в 2−4 раза:

Сильную зависимость скорости химической реакции от температуры нельзя объяснить просто увеличением числа столкновений молекул между собой с ростом температуры. Причина заключается в резком возрастании с ростом температуры числа «успешных столкновений», т. е. столкновений, которые заканчиваются образованием продуктов реакции. При повышении температуры существенно увеличивается доля молекул с энергией выше, чем энергия активации реакции Еа (активные молекулы), это приводит к существенному увеличению скорости реакции. Еа входит в уравнение Аррениуса в

качестве показателя степени, поэтому даже небольшое уменьшение энергии активации приводит к значительному возрастанию скорости реакции.

Катализатор − это вещество, изменяющее скорость реакции, но не расходующееся при этом. Катализ – явление изменения скорости реакции в присутствии катализаторов. Если компоненты реакции и катализатор находятся в одной фазе, катализ называется гомогенным, если в разных фазах – гетерогенным.

Главная причина ускоряющего действия катализатора состоит в том, что он снижает энергию активации реакции за счет образования промежуточных соединений в гомогенных реакциях. При снижении активационного барьера реакции возрастает число активных молекул.

Для гетерогенного катализа с участием твердых катализаторов существует адсорбционная теория. На поверхности катализатора имеются активные центры, атомы которых обладают ненасыщенными валентностями, благодаря которым образуются неустойчивые поверхностные промежуточные соединения с веществом жидкой или газообразной фазы.

Под химическим равновесием понимают такое состояние обратимой реакции, при котором скорости прямой и обратной реакции равны между собой (V1 = V2 – кинетическое условие химического равновесия).

Химическое равновесие неизменно при постоянстве внешних условий (С, Т, Р). Изменение этих условий приводит к нарушению равновесия. Но через некоторое время снова наступает равенство скоростей прямой и обратной реакций и устанавливается новое состояние равновесия. Значение константы равновесия при этом остается неизменным. Переход системы из одного состояния равновесия в другое называется смещением равновесия.

Направление смещения равновесия в зависимости от изменения концентрации, температуры и давления определяется принципом Ле Шателье:

Если изменить одно из условий, определяющих положение равновесия (давлениеш концентрацию, температуру), то в системе усиливаются те процессы, которые ослабляют произведенные изменения.

В соответствии с принципом Ле Шателье нагревание смещает равновесие в сторону реакции, идущей с поглощением тепла; при повышении давления равновесие смещается в сторону реакции, сопровождающейся уменьшением объема системы; увеличение концентрации исходного вещества смещает равновесие в сторону прямой реакции, увеличение концентрации продукта реакции − в обратном направлении.

Экспериментальная часть

О п ы т 1

Зависимость скорости реакции от концентрации

Зависимость скорости реакции от концентрации реагирующих веществ удобно исследовать на примере взаимодействия тиосульфата натрия с серной кислотой, идущего по реакции

Na₂S₂O₃ + H₂SO₄ = Na₂SO₄ + SO₂↑ + H₂O + S↓

Образующаяся в результате окислительно-восстановительного процесса сера вызывает помутнение раствора. Однако помутнение становится заметным после того, как концентрация серы достигнет определенной величины. Время τ от начала реакции (началом реакции считается момент сливания растворов) до заметного помутнения раствора зависит от скорости реакции V. Это дает возможность судить об относительной скорости реакции: чем больше скорость, тем меньше время.

Приготовьте три раствора различной концентрации. Для этого возьмите три сухие пробирки, внесите в первую 4 капли 1 н. раствора тиосульфата натрия и 8 капель воды, во вторую 8 капель 1 н. раствора тиосульфата натрия и 4 капли воды, в третью 12 капель 1 н. раствора тиосульфата натрия. Первую и вторую пробирку осторожно встряхните.

Добавьте в первую пробирку одну каплю 0,5 н. раствора серной кислоты, одновременно включите секундомер. Измерьте время от момента добавления кислоты до появления в растворе заметного помутнения. То же проделайте со второй и третьей пробирками.

Постройте график зависимости скорости V (ось ординат) от концентрации С (ось абсцисс). Согласно закону действия масс зависимость скорости реакции от концентрации должна выражаться прямой линией, проходящей через начало координат. Сделайте вывод о зависимости скорости реакции от концентрации. Результаты опыта занесите в таблицу.

О п ы т 2

Мы поможем в написании ваших работ!