Химическая кинетика. Факторы, влияющие на скорость химических реакций

Раздел химии, изучающий скорость химических реакций и механизм их протекания называется химической кинетикой. Химические реакции протекают с различными скоростями. Некоторые из них полностью заканчиваются за малые доли секунды, другие осуществляются минуты, часы, дни. Кроме того, одна и та же реакция может в одних условиях, например, при повышенных температурах, протекать быстро, а в других, например, при охлаждении, - медленно. Знание скоростей реакций имеет очень большое значение. Например, в химической промышленности от этого зависят размеры и производительность аппаратуры, количество вырабатываемого продукта.

 

Факторы, влияющие на скорость химических реакций.

 

К важнейшим факторам, влияющим на скорость реакции, относятся следующие: природа реагирующих веществ, их концентрации, температура, присутствие в системе катализаторов.

 

1) Влияние концентрации.

 

Необходимым условием того, чтобы между частицами исходных веществ произошло химическое взаимодействие, является их столкновение друг с другом. Частицы должны сблизится на столько, чтобы атомы одной из них испытали бы действие электрических полей, создаваемых атомами другой. Только при этом станут возможны те переходы электронов и перегруппировки атомов, в результате которых образуются молекулы новых веществ. Поэтому скорость реакции пропорциональна числу соударений, которые претерпевают молекулы реагирующих веществ. Это число тем больше, чем выше концентрация каждого из реагирующих веществ, или чем больше произведение концентраций реагирующих веществ.

Так скорость реакции:

 

Коэффициент каждого вещества входит в выражение скорости реакции в степени, равной соответствующему коэффициенту в уравнении реакции. Изложенное выше находит свое подтверждение в законе действия масс, открытом опытным путем

К.М. Гульдбергом и П. Вааге в 1867 году:

 

ПРИ ПОСТОЯННОЙ ТЕМПЕРАТУРЕ СКОРОСТЬ ХИМИЧЕСКОЙ РЕАКЦИ ПРОПОРЦИОНАЛЬНА КОНЦЕНТРАЦИИ РЕАГИРУЮЩИХ ВЕЩЕСТВ, ПРИЧЕМ КАЖДАЯ КОНЦЕНТРАЦИЯ ВХОДИТ В ПРОИЗВЕДЕНИЕ В СТЕПЕНИ, РАВНОЙ КОЭФФИЦИЕНТУ, СТОЯЩЕМУ ПЕРЕД ФОРМУЛОЙ ДАННОГО ВЕЩЕСТВА В УРАВНЕНИИ РЕАКЦИИ.

Величина константы k зависит от природы реагирующих веществ, от температуры и от присутствия катализаторов, но не зависит от концентрации веществ. В случае гетерогенных реакций в уравнение закона действия масс входят концентрации только тех веществ, которые находятся в газовой фазе или в растворе.

 

Концентрация вещества, находящегося в твердой фазе, обычно представляет собой постоянную величину и, поэтому, входит в константу скорости. Например, реакция горения угля С+О2=СО2 ϑ=κ[O2].

 

2) Влияние температуры и природы реагирующих веществ.

 

 

Если воспользоваться результатами исследований, то окажется, что число соударений между молекулами так велико, что все реакции должны протекать практически мгновенно, однако, в действительности, не все реакции заканчиваются так быстро. Это противоречие можно объяснить тем, что не всякое столкновение приводит к образованию продукта реакции. Для того чтобы произошла реакция, т.е. образовались новые молекулы, необходимо сначала разорвать или ослабить связи между атомами в молекулах исходных веществ. На это надо затратить определенную энергию. Избыточная энергия, которой должны обладать молекулы для того, что бы их столкновение могло привести к образованию нового вещества, называется энергией активации данной реакции. Энергию активации выражают в кДж/моль.

Молекулы, обладающие такой энергией, называются активными молекулами. С ростом температуры число активных молекул возрастает, отсюда следует, что и скорость химической реакции должна увеличиваться с повышением температуры. Зависимость скорости реакции от температуры описывает эмпирическое правило Вант-Гоффа:

ПРИ ПОВЫШЕНИИ ТЕМПЕРАТУРЫ НА КАЖДЫЕ 10 градусов СКОРОСТЬ БОЛЬШИНСТВА РЕАКЦИЙ ВОЗРАСТАЕТ В 2-4 РАЗА

 

Энергия активации различных реакций различна. Ее величина является тем фактором, посредствам которого сказывается влияние природы реагирующих веществ на скорость реакции. Если энергия активации очень мала (меньше 40 кДж/моль), то значительная часть столкновений между частицами реагирующих веществ приводит к реакции. Скорость такой реакции велика. Напротив, если энергия активации реакции очень велика (больше 120 кДж/моль), то это означает, что лишь очень малая часть столкновений взаимодействующих частиц приводит к протеканию химической реакции. Скорость подобной реакции очень мала. Наконец, если энергия активации имеет среднее значение, то такая реакция будет протекать не очень медленно и не очень быстро. Скорость такой реакции можно измерить.

Реакции, требующие для своего протекания заметной энергии активации, начинаются с разрыва или с ослабления связей между атомами в молекулах исходных веществ. При этом вещества переходят в неустойчивое промежуточное состояние, характеризующееся большим запасом энергии. Это состояние называется активированным комплексом. Именно для его образования и необходима энергия активации.

Активированный комплекс возникает в качестве промежуточного состояния как к ходе прямой, так и обратной реакции. Энергетически он отличается от исходных веществ на величину энергии активации прямой реакции.

 

3) Катализ.

 

Вещества, не расходующиеся в результате протекания реакции, но влияющие на ее скорость, называются катализаторами. Явление изменения скорости под действием катализаторов называется катализом. Реакции, протекающие под действием катализаторов, называются каталитическими. В большинстве случаев действие катализатора объясняется тем, что он снижает энергию активации реакции. В присутствии катализатора реакция проходит через другие промежуточные стадии, чем без него, причем эти стадии энергетически более доступны. В присутствии катализатора возникают другие активированные комплексы, причем для их образования требуется меньше энергии, чем при образовании активированных комплексов, возникающих без катализатора. Таким образом, энергия активации реакции понижается; некоторые молекулы, энергия которых была недостаточна для активных столкновений, теперь оказываются активными. Катализатор в одно и то же число раз ускоряет и прямую, и обратную реакции.