2015-05-14
18352
Зависимость скорости реакции от концентрации реагирующих веществ определяется законом действующих масс (сформулирован Гульдбергом и Вааге в 1867г. и независимо от них Бекетовым в 1865г.): скорость химической реакции, протекающей при постоянной температуре в гомогенной среде, пропорциональна произведению концентраций реагирующих веществ, возведенных в степень их стехиометрических коэффициентов.
Так, для реакции типа А+2В=С закон действия масс выражается следующим образом:
v=k[A] [В]2.
В этом уравнении [А] и [В] - концентрации реагирующих веществ, а k - константа скорости реакции, значение которой зависит от природы реагирующих веществ. При гетерогенных реакциях концентрации веществ, находящихся в твердой фазе, обычно не изменяются в ходе реакции и поэтому не включаются в уравнение закона действия масс.
Пример: написать выражения закона действия масс для реакций
2NO(r) + С12(г) = 2NOCl(r), (4.2.1)
СаСО3(тв) = СаО(тв) + СО2(г). (4.2.2)
Решение:
V1= k[NO]2[Cl2],
v2=k,
так как карбонат кальция - твердое вещество, концентрация которого не изменяется в ходе реакции.
|
|
|
Пример: как изменится скорость реакции
2NO(r)+O2(r)=2NO2(r),
если уменьшить объем реакционного сосуда в 3 раза?
Решение: до изменения объема скорость реакции выражалась уравнением
v=k[NO]2[O2].
Вследствие уменьшения объема концентрация каждого из реагирующих веществ возрастает в 3 раза. Следовательно, теперь скорость реакции выражается уравнением
V1=k(3[NO])2(3[O2]) = 27k[NO]2[O2],
т.е. скорость реакции возрастет в 27 раз.
Зависимость скорости реакции от температуры
Закон действующих масс справедлив при любой температуре, однако константа скорости увеличивается с ростом температуры, а следовательно, увеличивается скорость реакции.
Возрастание скорости реакции с ростом температуры принято характеризовать температурным коэффициентом, т.е. числом, показывающим, во сколько раз возрастает скорость данной реакции при повышении температуры на 10°. Данную зависимость выражает правило Вант-Гоффа: при повышении температуры на 10° скорость реакции увеличивается в 2-4 раза
γ = kt+10/kt = vt+10/vt
где k, - константа скорости при температуре t, kt+10 - константа скорости при температуре t+10, γ - температурный коэффициент реакции, v - скорости реакции.
В общем случае, если температура изменилась на Δt, то последнее уравнение преобразуется к виду: kt+10 /kt = vt+10/vt =γΔt/10.
Пример: температурный коэффициент скорости реакции равен 2,8. Во сколько раз возрастет скорость реакции при повышении температуры от 20 до 75 °С?
Решение: поскольку Δt = 75°С-20°С = 55°С, то, обозначив скорость реакции при 20 и75° через v и v1 можем записать
v1/v=2,855/l0=2,85-3=287.
Скорость реакции увеличится в 287 раз.
|
|
|
Как показывает пример, скорость химической реакции очень сильно возрастает при повышении температур. Это связано с тем, что элементарный акт химической реакции протекает не при всяком столкновении реагирующих молекул: реагируют только те молекулы (активные молекулы), которые обладают достаточной энергией, чтобы разорвать или ослабить связи в исходных частицах и тем самым создать возможность образования новых молекул. Поэтому каждая реакция характеризуется определенным энергетическим барьером; для его преодоления необходима энергия активации - некоторая избыточная энергия (по сравнению со средней энергией молекул при данной температуре), которой должны обладать молекулы для того, чтобы их столкновение было эффективным, т.е. привело бы к образованию нового вещества. С ростом температуры число активных молекул быстро увеличивается, что и приводит к резкому возрастанию скорости реакции.
Зависимость константы скорости реакции к от энергии активации Еа, (Дж/моль) выражается уравнением Аррениуса
k=k0e-E/RT
где k - константа скорости реакции, k0 - постоянная величина, называемая частотным фактором, е - основание натуральных логарифмов, R - газовая постоянная, Т - абсолютная температура.
