Розділ 2.2. Швидкість хімічних реакцій. Хімічна рівновага

2.2.1. Основні положення і поняття швидкості хімічних реакцій

Хімічна кінетика вивчає швидкість і механізм перебігу хімічних процесів.

Реакції можуть бути гомогенними та гетерогенними. У гомогенних реакціях вихідні речовини та продукти реакції знаходяться в однаковому агрегатному стані (в одній фазі) – це реакції між газами або розчинами. Реакції між речовинами, які знаходяться в різних агрегатних станах або в різних фазах, називають гетерогенними.

Хімічна взаємодія у випадку гомогенних реакцій відбувається у всьому об’ємі реагуючої суміші, а у випадку гетерогенних реакцій – лише на межі розподілу фаз. Тому говорять про кінетику гомогенних і гетерогенних реакцій.

Швидкість гомогенних реакцій характеризують зміною концентрації речовини, що вступила в реакцію чи утворилася внаслідок реакції, за певний проміжок часу. Таку швидкість називають середньою і розраховують як:

. (2.16)

Швидкість реакції має позитивне значення, тому якщо її виражають через зміну концентрацій її продуктів, то в (2.16) має бути знак „+”, а якщо швидкість виражають через зміну концентрацій реагентів, то знак „–”.

Оскільки концентрації речовин у процесі реакції безперервно змінюються, то швидкість реакції протягом перетворення також змінюється. Тому є сенс розглядати миттєву (істинну) швидкість реакції, тобто швидкість реакції в даний момент часу.

Істинна швидкість реакції є похідна концентрації за часом:

. (2.17)

Зміну концентрацій реагентів та продуктів реакції  із часом відображують кінетичні криві (рис. 9).

Рис. 9. Зміна концентрації речовин, що беруть участь у хімічній реакції, в часі:

1. – кінетична крива для вихідних реагентів (  < 0);

2. – кінетична крива для продуктів реакції (  > 0)

Швидкість для гетерогенних реакцій визначається кількістю речовини, яка вступила в реакцію чи утворилася внаслідок реакції за одиницю часу на одиниці поверхні розділу фаз. Таким чином, швидкість гетерогенних реакцій залежить від величини межі розподілу фаз, тобто від поверхні контакту реагуючих речовин. Гетерогенні хімічні реакції мають велике значення в техніці. До них належать, зокрема, реакції горіння твердого палива, випалювання сульфідів металів, корозії металів. У машино- та приладобудуванні ці реакції використовують, наприклад, у процесах оксидування і травлення металів, зміцнення поверхонь металів та підвищення їх стійкості проти спрацювання нітрогенуванням, ціанідуванням тощо.

Для гетерогенної реакції (наприклад, взаємодія газу чи рідини із твердою речовиною) швидкість за умови незмінності ступеня подрібнення твердої речовини (сталості поверхні розділу фаз) та температури залежить тільки від концентрації речовини в рідкій чи газоподібній фазі. Швидкість гетерогенних хімічних реакцій значною мірою залежить також від дифузійних (масообмінних) процесів, які супроводжують реакцію:

• підведенням нових порцій реагентів до поверхні, на якій здійснюється реакція;

• відведення від цієї поверхні продуктів реакції.

Отже, швидкість гетерогенних реакцій можна розглядати як суму швидкостей двох одночасних процесів: швидкості власне хімічної реакції і швидкості масообмінних процесів (дифузії).

Таким чином, швидкість реакцій залежить від природи реагуючих речовин і умов протікання реакції: концентрації реагентів, від тиску, якщо реагенти – гази, тому що в цьому випадку зі зміною тиску змінюється концентрація реагентів; температури; присутності каталізаторів; площі поверхні розділу фаз у гетерогенній системі.