Влияние температуры на скорость химической реакции

Лекция 6.

Химическая кинетика. Скорость химических реакций.

Определение скорости химической реакции

Взаимодействие между ионами в растворах, в основном, протекает очень быстро. Скорость любой реакции можно определить на основании тех изменений, которые происходят за определенный отрезок времени. Скорость реакции обычно определяют по изменению концентрации исходных веществ или продуктов реакции в единицу времени.

Рассмотрим реакцию общего вида, протекающую при постоянной температуре и давлении:

А + В → АВ.

Обозначим концентрацию вещества А в момент времени τ₀ через С₀. По мере протекания реакция в некоторый момент времени τ₁ (τ₁> τ₀) концентрация вещества А уменьшится за счет образования продукта АВ и будет равна С₁ (С₁< С₀). За промежуток времени τ₁– τ₀изменение концентрации вещества А равно С₁ – С₀, отсюда скорость реакции соответствует выражению:

(1)

Скоростью химической реакции называют изменение концентрации реагирующих веществ в единицу времени. Концентрацию чаще всего выражают в моль/л.

Со временем концентрации реагирующих веществ уменьшаются и увеличиваются концентрации продуктов реакции.

Перед дробью ставится знак «-», когда наблюдается убыль концентрации исходных веществ, а знак «+», если за тот же промежуток времени концентрация продуктов реакции увеличивается.

Истинная скорость получается, если Δτ стремится к нулю.

(2)

Реакции проходят в гомогенных и гетерогенных средах. Реакция называется гомогенной, если она протекает в одной фазе. Фаза – часть системы, имеющая поверхность раздела, при переходе через которую свойства меняются скачкообразно.

Пример гомогенной реакции: СН_4(газ) + 2О_2(газ) → СО_2(газ) + Н₂О_(пар)

Скоростью гомогенной реакции (U_гом) называют изменение количества вещества, участвующего в реакции, (Δn) за единицу времени (τ) в единице объема (V):

(3)

Для растворов:

(4)

где: С_М – молярная концентрация.

Реакция в гомогенной среде протекает во всем объеме.

Реакция называется гетерогенной, если она протекает в двух или нескольких фазах. Гетерогенные реакции происходят на границе раздела фаз.

Пример гетерогенной реакции: СаО_(тв) + Н₂О_(ж) → Са(ОН)_2(тв)

Скоростью гетерогенной реакции (U_гет) называют изменение количества вещества, участвующего в реакции,(Δn) за единицу времени (τ) на единице поверхности (S):

(5)

Основными параметрами, которые приходится учитывать почти во всех процессах, являются концентрация, температура, давление и действие катализаторов.

Влияние концентрации реагирующих веществ на скорость реакции

Взаимодействие между молекулами возможно лишь при условии их столкновения. Следовательно, чем чаще происходят эти столкновения в единицу времени, тем выше скорость реакции. Вероятность столкновения реагирующих частиц возрастает с увеличением их концентрации.

Влияние концентрации на скорость реакции выражается законом действия масс: при постоянной температуре скорость химической реакции прямо пропорциональна произведению концентраций реагирующих веществ в степенях, соответствующих их стехиометрическим коэффициентам.

Для реакции аА + бБ = вВ + гГ закон действия масс записывается уравнением:

(6)

где: U – скорость химической реакции; С_А, С_Б, [А], [Б] – концентрации веществ А и Б; а, б – стехиометрические коэффициенты компонентов А и Б; k – константа скорости химической реакции.

По физическому смыслу константа скорости реакции – это скорость реакции, при концентрации каждого из реагирующих веществ равной единице. Чем больше константа скорости, тем быстрее идет реакция.

Например, для гомогенных процессов в газовой фазе:

N₂ + 3H₂ = 2NH₃

U = k·[N₂]·[H₂]³

в растворе:

CH₃COOH + C₂H₅OH = H₂O + CH₃COOC₂H₅

U = k·[CH₃COOH]·[C₂H₅OH]

Гетерогенные реакции идут на поверхности раздела фаз, поэтому концентрация твердого тела остается практически постоянной и не входит в выражение закона масс.

Например, в гетерогенном процессе

2Са_(тв) + О_2(г) = 2СаО_(г)

скорость реакции определяется концентрацией только газообразного вещества:

U = k·[O₂]

Так как концентрация газообразного вещества пропорциональна его парциальному давлению, то можно записать:

U = k·РO₂

Уравнения, показывающие зависимость скорости химической реакции от концентрации реагирующих веществ, называются кинетическими.

Пример.

Как изменится скорость прямой реакции 2NO + O₂ = 2NO₂, если: 1) увеличить давление в 3 раза; 2) увеличить объем в 2 раза; 3) уменьшить концентрацию окиси азота в 4 раза?

Решение:

Согласно закону действия масс

U₁ = k·[NO]²·[O₂]

Для простоты обозначим [NO] = а, [O₂] = b, тогда начальная скорость реакции:

U₁ = k·а²b

1) При увеличении давления в 3 раза концентрация каждого газа увеличится в 3 раза. Тогда скорость реакции:

U₂ = k·(3а)²·3b = k·27а²b

Ответ: скорость реакции увеличится в 27 раз.

2) При увеличении объема в 2 раза концентрация газов уменьшается в 2 раза. Тогда скорость реакции:

Ответ: скорость реакции уменьшится в 8 раз.

3) При уменьшении концентрации NO в 4 раза скорость реакции:

Ответ: скорость реакции уменьшится в 16 раз.

Влияние температуры на скорость химической реакции

Зависимость скорости химической реакции от температуры выражается приближенным правилом Вант-Гоффа: при повышении температуры на каждые 10 °С скорость реакции увеличивается в 2÷4 раза:

(7)

где: U_t – скорость реакции при температуре t°С; U_t ₊₁₀ – скорость реакции при увеличении температуры на 10 °С; γ – температурный коэффициент скорости реакции, показывающий, во сколько раз увеличивается скорость реакции при повышении температуры на 10 °С.

В общем случае, при изменении температуры на t°С уравнение принимает вид:

(8)

Пример.

Как изменится скорость коррозии металла при увеличении температуры с 20 °С до 40 °С, если температурный коэффициент равен 2.

Решение:

Согласно правилу Вант-Гоффа

Ответ: скорость увеличится в 4 раза.

Дата добавления: 2020-12-22; просмотров: 677; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

Мы поможем в написании ваших работ!