4. Основы химической кинетики

Скорость химической реакции является одной из важнейших характеристик химического процесса. Раздел химии, изучающий скорости и механизмы химических реакций, называется химической кинетикой.

На скорость реакции влияют:

• природа реагирующих веществ;

• реакционная среда;

• концентрации реагентов;

• давление;

• температура;

• присутствие в системе катализаторов;

• размер поверхности раздела (гетерогенные системы);

• внешние воздействия, например, излучения и др.

4.1. Основные понятия химической кинетики

Различают гомогенные и гетерогенные химические реакции.

Гомогенной называется реакция, протекающая в одной фазе. Гомогенная реакция осуществляется во всем объеме системы (в газовой фазе или жидком растворе), например:

H₂(г) + I₂(г)  2HI(г);

HCl(р-р) + NaOH(р-р)  NaCl(р-р) + H₂O(ж).

Гетерогенной называется реакция, протекающая на границе раздела фаз (твердой и жидкой, твердой и газообразной), например:

Fe(тв) + 2HCl(р-р)  FeCl₂(р-р) + H₂(г);

FeO(тв) + H₂ (г)  Fe(тв) + H₂O(г).

Все реакции подразделяют на простые и сложные.

Простой (элементарной) называется реакция, протекающая в одну стадию (элементарный акт).

Количество частиц (молекул, атомов, ионов), принимающих участие в элементарной реакции, определяет ее молекулярность.

Мономолекулярная реакция – реакция с участием одной частицы. Например, реакция, связанная с распадом молекулы:

H₂  2H.

Бимолекулярная реакция – реакция, протекающая в результате взаимодействия в элементарном акте двух молекул:

H₂ + I₂  2HI.

Тримолекулярные реакции – реакции, требующие одновременного столкновения трех частиц:

2NO + H₂  N₂O + H₂O.

Чаще всего встречаются мономолекулярные и бимолекулярные реакции. Реакции более высокой молекулярности встречаются редко, что связано с крайне малой вероятностью одновременного столкновения трех и более частиц.

Большинство химических реакций являются сложными.

Сложные реакции – это многостадийные реакции, протекающие через ряд элементарных (простых) реакций.

К сложным реакциям относятся последовательные, параллельные, цепные, фотохимические и некоторые другие реакции.

В последовательных реакциях

A B C

продукт, образованный в предыдущей стадии, является одновременно исходным веществом для последующей стадии. Общая скорость процесса определяется скоростью наиболее медленной стадии, которая называется лимитирующей.

В параллельных реакциях исходные вещества претерпевают превращение одновременно в двух или нескольких направлениях по следующей схеме:

В

A

D

Общая скорость процесса определяется скоростью наиболее быстрой стадии.

Совокупность элементарных реакций, из которых складывается сложная химическая реакция, называется механизмом реакции.