Скорость химической реакции определяется изменением концентрации реагирующих веществ в единицу времени.
Если реакция гетерогенная, то скорость измеряется количеством вещества системы, вступающего в реакцию или образующегося в результате реакции за единицу времени на единицу поверхности раздела фаз:
= ,
где = - , и – количество реагирующего вещества в момент времени и ; = - ; – площадь поверхности.
Скорость гомогенных реакций измеряется количеством вещества системы, вступающего в реакцию или образующегося в результате реакции за единицу времени на единицу объема:
= .
Так как – молярная концентрация С, а – ее изменение С, то средняя скорость v за отрезок времени равна отношению . Если стремится к нулю, то в пределе средняя скорость становится скоростью в данный момент времени или истинной скоростью , которая равна производной от концентрации по времени:
V = ,
Знак определяется направлением уменьшения концентрации вещества: плюс означает ее увеличение, а минус – уменьшение.
Скорость химической реакции зависит от:
1) природы реагирующих веществ; 2) условий, при которых протекает реакция, - концентраций реагирующих веществ, температуры, давления (для газов), облучение квантами света и др.,3) присутствия катализаторов.
Зависимость скорости реакции от концентрации определяется законом действующих масс: скорость химической реакции прямо пропорциональна произведению концентрации реагирующих веществ, возведенных в степени их стехиометричским коэффициентом.
Для реакции mA + nB = AmBn скорость химической реакции выражается равенством = k , где – скорость реакции, [A] и [B] – молярные концентрации реагирующих веществ, m, n – стехиометрические коэффициенты, k – константа скорости реакции, числено равная скорости реакции, когда произведение концентраций реагирующих веществ равно единице.
Закон действия масс применим только к гомогенным системам. В случае гетерогенных систем в выражение скорости реакции войдут лишь концентрации газообразных или растворенных веществ. Реакции с участием твердых тел протекают лишь по поверхности, концентрация твердого вещества остается постоянной и не входит в выражение скорости реакции.
Реакция в гомогенной системе:
2 + = 2 O
= k [ ]
Реакция в гетерогенной системе:
Ca + C =
= k[ ]
Пример 1. Вычисление скорости реакции по концентрациям реагирующих веществ.
Реакция между веществами А и В протекает по уравнению 2А + В = С; концентрация вещества А равна 6 моль , а вещества В – 5 моль . Константа скорости реакции равна 0,5 . Вычислите скорость химической реакции в начальный момент и в тот момент, когда в реакционной системе останется 45% вещества В.
Решение. Скорость химической реакции выражается уравнением:
= k [ ].
Скорость химической реакции в начальный момент равна
= 0,5 5 = 90,0 моль . Через некоторое время в реакционной смеси останется 45% вещества В, т.е. концентрация вещества В станет 5 0,45 = 2,25 моль . Следовательно, концентрация вещества А уменьшилась на 5,5 моль и стала равной 0,5 моль (6 - 5,5). Отсюда
= 0,5 2,25 = 0,28 моль .
Пример 2. Влияние давления на скорость реакции.
Определите, как изменится скорость прямой реакции 2СО + = , если общее давление в системе увеличить в 4 раза.
Решение. При увеличении давления в 4 раза объем системы уменьшится в 4 раза, а концентрация реагирующих веществ возрастет в 4 раза.
Тогда = k [ ], а = k [ ].
= = 64
После увеличения давления в 4 раза скорость реакции возрастет в 64 раза.