Скорость химической реакции

Скорость реакции. При взаимодействии реагентов (исходных веществ) происходит изменение количества реагирующих веществ: уменьшение количества исходных веществ и увеличение количества продуктов реакции. Количество реагирующих веществ и образовавшихся продуктов реакции взаимосвязаны стехиометрическим уравнением реакции, поэтому о скорости реакции можно судить по изменению количества любого из веществ, участвующих в реакции. Используя стехиометрические коэффициенты, можно скорость реакции по одному веществу пересчитать на скорость реакции по другому веществу.

Однако, чтобы изменение количества вещества не было безотносительным (действительно, в реакции можно использовать разные количества вещества) его относят к единице объема в случае гомогенной реакции или к единице поверхности раздела фаз — в случае гетерогенной реакции. В самом деле, происходит ли изменение массы реагирующего вещества (например, хлора при взаимодействии с водородом) в объеме пробирки или цистерны; между куском угля (или его крошкой) с кислородом — разница есть и довольно существенная. В первом случае скорость расходования вещества будет обратно пропорциональна объему, во втором — прямо пропорциональна величине поверхности. Поэтому в определении скорости реакции должно фигурировать понятие концентрации вещества, а в случае гетерогенных реакций скорость превращения следует относить и к единице поверхности раздела фаз. Л поскольку изменение количества вещества определяют во времени, его нужно относить и к единице времени.

Таким образом, общее определение скорости реакции можно сформулировать таким образом. Скорость реакции — это число элементарных актов превращения вещества, происходящих в единице объема (для гомогенных реакций) или на единице поверхности раздела фаз (для гетерогенных реакций) за единицу времени.

Принимая во внимание, что количество вещества в единице объема — не что иное, как концентрация вещества, можно дать определение скорости реакции и так: скорость реакции — это изменение концентрации реагирующего вещества за единицу времени.

Предположим, что имеется реакция, описываемая следующим уравнением:

где А и В — исходные вещества: D и F — продукты реакции; т, п, р и g — стехиометрические коэффициенты.

О скорости этой реакции можно судить по скорости уменьшения концентрации исходного вещества А или В а также по скорости увеличения (накопления) концентрации продуктов D или F.

Графически изменение концентрации веществ А и D во времени отображается зависимостями, представленными на рис. 15.2 (кривые С^А и C^D соответственно).

Рис. 15.2. Изменение концентрации реагирующих веществ и продуктов во времени.

Скорость химической реакции изменяется с течением времени из-за различных факторов: изменения концентрации исходных веществ, их свойств, температуры и многих других факторов. Поэтому различают среднюю и истинную скорость реакции.

Средней скоростью химической реакции называют изменение концентрации ?С реагирующего вещества, отнесенное к конечному интервалу времени ?t, в течение которого это изменение произошло. Применительно к рассматриваемой реакции, согласно рис. 15.2, можно написать выражение для средней скорости реакции за интервал времени ?t по веществу А:

(15.1).

или по компоненту (веществу) D:

Скорость реакции принято считать положительной величиной. Отношение же ? С/?t. может быть как положительным, так и отрицательным, в зависимости от соотношения концентраций в начальном и конечном моментах времени. В соответствии с этим перед выражением скорости химической реакции в общем случае принято ставить знаки «±» :

Истинной скоростью реакции в данный момент времени называется изменение концентрации какого-либо компонента, отнесенное к бесконечно малому промежутку времени.

(15.2).

а это — не что иное, как производная концентрации по времени.

Размерность скорости выражается в единицах концентрации, отнесенной к единице времени. Концентрацию в химической кинетике принято выражать либо числом молекул в единице объема [например, число молекул/см³, или просто (см ³)], либо числом молей в одном литре (моль/л).

Соответственно и скорость будет измеряться в соответствующих единицах: молекул/(см³ • с); молекул/^м³ • ч) и т. п., либо: мольДл • ч); мольДл • с) и т. д.

Истинную скорость реакции можно определить графически, проведя касательную к кинетической кривой (рис. 15.3); истинная скорость реакции в данный момент времени равна по абсолютной величине тангенсу угла наклона касательной (угловому коэффициенту в данной точке):

Рис. 15.3. Графическое определение v_ист

Необходимо отмстить, что в случае, если стехиометрические коэффициенты в уравнении химической реакции неодинаковы, величина скорости реакции будет зависеть от того, изменение концентрации какого реагента определялось. Очевидно, что в реакции.

концентрации водорода, кислорода и воды изменяются в различной степени.

Скорость химической реакции зависит от множества факторов: природы реагирующих веществ, их концентрации, температуры, природы растворителя и т. д.