Факторы влияющие на скорость химической реакции.

(Здравствуйте уважаемый читатель.Наше настоятельное пожелание-посетите главную страницу сайта.)

Скорость химической реакции измеряется количеством вещества, вступающего в реакцию или образующегося в результате реакции за единицу времени в единице объёма (для гомогенной реакции) или на единице площади поверхности раздела фаз** (для гетерогенной реакции).

Гомогенные реакции осуществляются во всём объёме жидкого или газового раствора.

Гетерогенные реакции осуществляются на поверхности твёрдого или жидкого вещества, взаимодействующего с жидкостью или газом.

Поскольку отношение количества вещества (моль) к единице объёма (л) – это молярная концентрация раствора, то скорость гомогенной реакции обычно характеризуют изменением концентрации исходного вещества (реагента) или конечного вещества (продукта реакции) в растворе за единицу времени [моль / (м³ ∙ с) или моль /(л ∙ с)].

Среднее значение скорости химической реакции υ определяется изменением концентрации Δс одного из реагентов или продуктов реакции за период времени ∆t

υ =  .

Поскольку по мере протекания химической реакции концентрация реагента убывает (∆с = с₂ – с₁ < 0), то отношение ∆с /∆t оказывается величиной отрицательной (∆t = t₂ – t₁ – величина положительная). Чтобы скорость реакции по реагенту имела положительное значение, это отношение берётся со знаком минус.

Истинное (мгновенное) значение скорости химической реакции в данный момент времени может быть определено как предел, к которому стремится средняя скорость при ∆t → 0, то есть как первая производная от концентрации по времени:

 = lim   .

Главными факторами, определяющими скорость химической реакции, являются: природа и концентрация реагирующих веществ, температура и наличие катализатора.

Природа реагирующих веществ является важнейшим фактором. Именно из-за химического разнообразия веществ одни реакции (молекулярные) протекают медленно, а другие (ионные, радикальные) – очень быстро. Например, в воздухе молекулярный кислород (∙O₂∙ –бирадикал) весьма реакционноспособен, а азот – индифферентен.

В большинстве химических реакций превращение исходных веществ в конечные происходит не непосредственно, а через ряд промежуточных стадий, которые называются элементарными стадиями или простыми реакциями.

Механизм химической реакции – это полная последовательность её элементарных стадий.

Количественно элементарные стадии описываются основным законом химической кинетики, или законом действующих масс: скорость элементарной стадии химической реакции при постоянной температуре прямо пропорциональна произведению концентраций реагирующих веществ в степенях, равных стехиометрическим коэффициентам в уравнении реакции для этой стадии.

Для элементарной стадии, где реагентами являются вещества А и В и которая описывается уравнением со стехиометрическими коэффициентами а и в:

аА + вВ → продукты реакции,

закон действующих масс выражается следующим образом:

 = kc^a(A)c^в(B).

Коэффициент пропорциональности k называется константой скорости химической реакции, которая численно равна скорости реакции, если концентрации реагирующих веществ равны 1 моль/л. Константа скорости зависит от природы реагирующих веществ, температуры системы и наличия катализатора и не зависит от концентрации реагирующих веществ.

Закон действующих масс можно использовать для расчёта скорости одностадийных химических реакций. Например, скорость реакции

2NO₂ → N₂O₄

бурый газ бесцветный газ

можно рассчитать по уравнению

 = kc²(NO₂).

Большинство химических реакций протекает в несколько элементарных стадий. Стадия, которая протекает медленнее других, является лимитирующей и определяет скорость реакции в целом. В таком случае скорость химической реакции описывается уравнением закона действующих масс для лимитирующей стадии.

При гетерогенных реакциях концентрации веществ, находящихся в твёрдой фазе, обычно не изменяются в процессе реакции и поэтому не включаются в выражении для определения её скорости.

Скорость химической реакции с ростом температуры увеличивается. При небольшом изменении температуры скорость реакции с некоторой степенью погрешности определяется по правилу Вант-Гоффа: повышение температуры на каждые 10 К увеличивает скорость большинства химических реакций в 2–4 раза:

 =  =  ,

где  – скорость реакции при температуре Т;

 – скорость реакции при температуре Т + ∆Т;

k_Т – константа скорости реакции при температуре Т;

 – константа скорости реакции при температуре Т + ∆Т;

γ – температурный коэффициент скорости химической реакции,

принимающий значения в интервале 2-4.

Для определения константы скорости газовых реакций в широком интервале температур применимо уравнение Аррениуса:

k = А  ,

где k – константа скорости химической реакции;

А – постоянный множитель, характеризующий число геометрически

благоприятных для протекания химического взаимодействия

столкновений;

 – множитель, характеризующий долю энергетически

эффективных столкновений при температуре Т;

е – основание натуральных логарифмов (e = 2,718…);

Е_а – энергия активации – энергия веществ, достаточная для того,

чтобы они вступили в химическую реакцию, Дж / моль;

R – молярная газовая постоянная (8,314 Дж / (моль ∙ К);

Т – абсолютная (термодинамическая) температура, К.

Уравнение Аррениуса – критерий осуществления химического взаимодействия молекул, сталкивающихся в благоприятной ориентации и обладающих достаточной кинетической энергией. Из этого уравнения следует, что константа скорости химической реакции тем больше, чем меньше энергия её активации.