Химическая кинетика и равновесие. Изучение влияния различных факторов на скорость и механизм химических реакций

Методические указания для самостоятельной работе по теме "Химическая кинетика и равновесие" для студентов первого курса нехимических специальностей всех форм обучения. / Алт.гос.техн.ун–т им. И.И.Ползунова.– Барнаул: Изд-во АлтГТУ, 2002.–  12с.

Рассмотрено и одобрено на заседании кафедры Общей Химии. Протокол № 2 от.   .11. 2004.

Подписано в печать . Формат 60×84 1/16.

Печать – ризография. Усл. п.л. 

Тираж 100 экз. Заказ 

Издательство Алтайского государственного технического университета им. И.И.Ползунова, 656099, г. Барнаул, пр-т Ленина, 46.

Лицензия на издательскую деятельность ЛР № 020822 от

21.09.93.

Отпечатано в типографии АлтГТУ

1. ХИМИЧЕСКАЯ КИНЕТИКА

Одна из основных задач химии - изучение влияния различных факторов на скорость и механизм химических реакций. Этому посвящен особый  раздел химии - химическая кинетика.

Реакции могут быть гомогенными и гетерогенными. Гомогенные реакции протекают в однородной среде (например, в газовой фазе или жидком растворе). Гетерогенные реакции протекают в неоднородной среде - между веществами, которые находятся в разных фазах (твердой и жидкой, газовой и жидкой и т.д.).

Таким образом, гомогенные реакции происходят равномерно во всем объеме, заполненном реагентами, гетерогенные - только на некоторых пограничных поверхностях - на границе раздела фаз.

Скоростью химической реакции  называется число элементарных актов реакции, происходящих в единицу времени в единице объема (для гомогенных реакций) или на единице поверхности раздела фаз (для гетерогенных реакций).

Скорость реакции обычно характеризуют  изменением концентрации какого-либо из исходных веществ или конечных продуктов реакции в единицу времени. Размерность - моль/(л⋅сек).

Пусть за промежуток  времени от ^t₁ до ^t ₂ концентрация некоторого вещества уменьшится от с₁ до с₂, тогда среднюю скорость

νможно выразить следующим образом: с2 −с1

v =± t2 − t1

Поскольку концентрация реагирующего вещества во времени уменьшается, то с₂ – с₁ < 0. Но скорость не может быть  отрицательной величиной, поэтому в правой части уравнения ставится               "–". Если скорость определяют по увеличению концентрации продукта реакции, то она положительна. В общем случае:

c² − c¹       ∆c v =±        =±     t ₂ − t₁                   ∆t

Эта формула выражает так называемую среднюю скорость реакции. Мгновенная скорость реакции выражается  первой производной концентрации по времени:

dc dt

               ν= ±

Иногда на практике применяется  так называемая относительная скорость. Это величина, обратная времени  1/t, ее размерность 1/с.

Скорость реакции зависит от многих факторов. На нее влияют: природа и концентрация реагента, давление (для реакции с участием газов), температура, катализатор и т.д.

1.1 Влияние концентрации на скорость химической реакции.

Закон действия масс. Основным законом химической кинетики является открытый в 1864-67 гг. норвежскими учеными Гульдбергом и Вааге закон действия масс.

Согласно этому закону скорость элементарной реакции пропорциональна произведению концентраций реагирующих веществ в степенях, равных стехиометрическим коэффициентам.

Так, для реакции типа А_(г) + 2В_(г) = АВ_2(г) закон действия масс выражается следующим образом: v = k[A][B]², где [A] и [B] – концентрации вступающих в реакцию веществ, а k – константа скорости реакции. Величина k  численно равна скорости реакции, когда концентрации реагирующих веществ равны единице. Константа скорости реакции зависит от природы реагирующих веществ и от температуры.

В случае реакции, протекающей в гомогенной среде, 

2NO(г)+ Cl2(г) = 2NOCl(г) выражение скорости реакции записывается следующим

образом:

v  = k[NO]²[Cl₂].

Для гетерогенной реакции:

С(т) + О2(г) = СО2(г)

Выражение скорости реакции можно записать так:  v = k^| const[O₂].  k^| const = k, тогда v = k[O₂].

В этом случае скорость реакции зависит только от изменения концентрации кислорода, а концентрация углерода входит в константу скорости реакции, т.к. представляет собой постоянную величину.

Таким образом, в выражение скорости гетерогенных реакций входят концентрации только тех веществ, которые находятся в газообразном или жидком состояниях.

Следует иметь в виду, что закондействия масс применим для элементарных реакций (в системе протекает только один процесс, и уравнение реакции раскрывает ее механизм). Большинство реакций являются сложными и представляют собой суммарный результат нескольких элементарных процессов. Обычная запись этих реакций, как правило, не отражает их реальный механизм и закон действия масс применяется к ним формально.

1.2 Влияние давления на скорость реакции.

Если реакция протекает в газовой фазе, то изменение давления существенно влияет на скорость реакции.

Например, если увеличить давление в системе в 2 раза, то объем