 |
Химическая кинетика. Скорость реакции.
|
|
|
|
Химическая термодинамика - раздел физической химии, изучающий энергетические эффекты, направление и пределы самопроизвольного (без затраты работы) протекания химических реакций.
Термодинамика позволяет предсказать принципиальную возможность химической реакции и рассчитать равновесные концентрации реагирующих веществ. С точки зрения термодинамики, критерием самопроизвольного протекания реакции является отрицательное значение энергии Гиббса (ΔGT0 < 0), это фактор необходимый, но недостаточный.
Например, с точки зрения термодинамики, вероятность протекания первой реакции значительно выше, чем второй:
H2(г) + 1/2O2(г) → H2O(ж), ΔG2980 = - 237,2 кДж/моль
H+(ж) + OH-(ж) → H2O(ж), ΔG2980 = - 79,9 кДж/моль
Но в обычных условиях реакция взаимодействия водорода с кислородом вообще не происходит, а реакция нейтрализации протекает почти мгновенно, что вы видели на лабораторных работах.
С другой стороны, в присутствии платины при комнатной температуре первая реакция происходит мгновенно.
Ранее мы изучали термодинамическую возможность протекания химической реакции, не обсуждая, за какое время эта реакция произойдет. Времена протекания реакции могут быть разными – от миллионов лет в геологических процессах до ничтожных долей секунды при взрыве.
Химическая кинетика – раздел физической химии, изучающий скорости, механизмы и факторы, влияющие на скорость реакции.
Ключевое понятие химической кинетики – скорость реакции.
Скорость реакции – это изменение количества вещества в единицу времени в единице реакционного пространства.
Гомогенные реакции – это реакции, у которых исходные вещества и продукты реакции находятся в одной фазе. Взаимодействие веществ происходит по всему объёму. Мгновенная скорость гомогенной реакции равна:
|
|
|
Гетерогенные реакции - это реакции, у которых исходные вещества и/или продукты реакции находятся в разных фазах. Взаимодействие веществ происходит на границе раздела фаз.
Мгновенная скорость гетерогенной реакции равна:
V – объём реакционной зоны;
S - поверхность раздела фаз;
τ- время,
Ni – количество i–го вещества.
Знак «+» относится к продуктам реакции, знак «-» - к исходным веществам.
Если химическая реакция происходит в изохорных условиях (V=const), а молярная концентрация равна отношению количества вещества к объему Сi = Ni/V, то мгновенная скорость реакции равна:
Средняя скорость реакции в любой момент времени:
где С2 и С1 – концентрации исходного вещества в моменты времени τ2 и τ1.
Для реакции:
bB + dD → lL + nN
Выражение скорости реакции будет записано так:
Например, для реакции CH4(г) + 2H2O(г) → CO2(г) + 4H2(г)
Поскольку c 1 моль CH4 реагирует 2 моль H2O, концентрация воды уменьшается в 2 раза быстрее, чем концентрация метана. Поэтому в выражении скорости реакции указывают конкретный исходный реагент или продукт реакции.
Скорость реакции можно определить, если есть экспериментальные данные по зависимости концентрации вещества от времени Сi(t)=f(t). По этим данным можно построить график, который называется кинетической кривой.
Скорость реакции в заданной точке кинетической кривой определяется наклоном касательной в этой точке. Определение наклона касательной всегда связано с некоторой ошибкой. Точнее всего определяется начальная скорость реакции, поскольку вначале кинетическая кривая обычно близка к прямой; это облегчает проведение касательной в начальной точке кривой.
Экспериментально установлено, что скорость реакции зависит от:
|
|
|
1) природы реагирующих веществ, например, пары бензина вспыхивают моментально, а дерево горит медленно
2) температуры, магний при комнатной температуре окисляется медленно, а при нагревании вспыхивает и сгорает. Вообще при нагревании скорость реакции всегда увеличивается.
3) концентрации или давления реагирующих веществ,
4) наличия и природы катализатора
Влияние последних двух факторов на скорость реакции не совсем очевидно. На первый взгляд, при одной и той же температуре, с ростом концентрации скорость реакции возрастает, поскольку в единице объема сталкивается большее количество частиц. Например, более концентрированная кислота быстрее растворяет цинк. Но в реальности, зависимость скорости реакции от концентрации имеет более сложный вид и зависит от механизма реакции. Обычно записываемые уравнения химических реакций, являются только материальными балансами химических процессов, протекающих в реакционной системе, и не раскрывают всех стадий реакции.
|
|
|
