Лекция 7 Основы химической кинетики
Химическая кинетика – это область химической науки, которая изучает скорость химических реакций и влияющие на нее факторы.
Химическая кинетика также изучает механизмы химических реакций. Некоторые реакции протекают в одну стадию, в них участвуют только частицы, входящие в стехиометрическое уравнение реакции. Такие реакции называются простыми или элементарными. Так, если известно, что реакция А + В = АВ является элементарной, это означает, что она протекает в результате столкновения молекул А и В.
Большинство химических реакций являются сложными, т.е. протекают в несколько стадий. Так, например, образование воды из смеси газообразных водорода и кислорода 2Н2 + О2 =2Н2О состоит, по крайней мере, из восьми различных стадий. Для сложных реакций стехиометрическое уравнение не дает представления о реально протекающих в системе процессах. Изучить механизм химической реакции – это значит выяснить ту последовательность простых реакций, которые приводят к образованию конечных продуктов. Итак, химическая кинетика - это наука о скоростях и механизмах реакций.
Скорость реакции измеряется изменением количества вещества в единице объема в единицу времени υ = ∆ν/(V*∆τ). Но количество вещества в единице объема – это молярная концентрация с, значит, υ = ∆с/ ∆τ.
Таким образом, скорость реакции измеряется изменением концентрации реагирующего вещества за единицу времени.
Поскольку скорость в ходе реакции не остается постоянной, то выражение υ = ∆с/ ∆τ справедливо для средней скорости реакции за период времени ∆τ. Бесконечно малый отрезок времени dτ, получим выражение для мгновенной скорости в любой конкретный момент времени υ = ± dc/ dτ
Графически мгновенная скорость реакции определяется тангенсом угла наклона касательной к кривой скорости в соответствующий момент времени.
v
τ
Из графика видно, что с течением времени наклон касательной уменьшается и становится равным нулю, когда реакция прекращается.
Если в ходе реакции изменяется общее количество газообразных веществ, то за ее протеканием можно наблюдать, измеряя давление газа при постоянном объеме.
Экспериментальные исследования показывают, что скорость реакции зависит от нескольких факторов.
1. Природа реагирующих веществ. Из лабораторной практики мы знаем, что нейтрализация кислоты основанием Н+ + ОН- = Н2О
взаимодействие солей с образованием малорастворимого соединения Ag+ + Cl- = AgCl и другие реакции в растворах электролитов происходят очень быстро.
Время, необходимое для завершения таких реакций, измеряется в миллисекундах и даже микросекундах. В противоположность ионным реакциям взаимодействие между ковалентно связанными молекулами обычно протекает гораздо медленнее. Ведь в ходе реакции между такими частицами должен произойти разрыв связей в молекулах исходных веществ. Для этого сталкивающиеся молекулы должны обладать определенным запасом энергии. Кроме того, если молекулы достаточно сложны, для того, чтобы произошла между ними реакция, они должны быть определенным образом ориентированы в пространстве.
2. Концентрация реагирующих веществ. Скорость химической реакции, при прочих равных условиях, зависит от числа столкновений реагирующих частиц в единицу времени. Вероятность столкновений зависит от количества частиц в единице объема, т. е. от концентрации. Поэтому скорость реакции увеличивается с повышением концентрации.
3. Физическое состояние веществ. В гомогенных системах скорость реакции зависит от числа столкновений частиц в объеме раствора (или газа). В гетерогенных системах химическое взаимодействие происходит на поверхности раздела фаз. Увеличение площади поверхности твердого вещества при его измельчении облегчает доступ реагирующих частиц к частицам твердого вещества, что приводит к существенному ускорению реакции.
4. Температура оказывает существенное влияние на скорость разнообразных химических и биологических процессов. При увеличении температуры повышается кинетическая энергия частиц, а, следовательно, увеличивается доля частиц, энергия которых достаточна для химического взаимодействия.
5. Стерический фактор характеризует необходимость взаимной ориентации реагирующих частиц. Чем сложнее молекулы, тем меньше вероятность их должной ориентации, тем меньше эффективность столкновений.
6. Наличие катализаторов. Вводимые в реакционную систему катализаторы в небольших количествах, способны чрезвычайно менять скорость процесса.