Тема 5. Кинетика химических реакций

Ключевые слова и понятия

5.1. Химическая кинетика

5.2. Скорость химической реакции

5.3. Катализ

5.4. Закон действующих масс

5.5. Константа скорости реакции

5.6. Молекулярность реакции

5.7. Кинетическое уравнение

5.8. Энергия активации.

5.9. Обратимые реакции.

5.10.. Необратимые реакции.

5.11. Химическое равновесие. Принцип Ле Шателье.

Входная информация

Приступая к изучению данной темы, Вам необходимо восстановить в памяти (или восполнить) знания из прошлых периодов обучения:

- из курса средней школы: значение понятий атом, молекула, химическая реакция

- из курса «Химия» для студентов технических специальностей: концентрация (С) (1.5.), катализатор (1.3.), ингибитор (1.4.), гомогенная система (2.1.), гетерогенная система (2.2.).

Структура темы

1.Зависимость скорости реакции от концентрации

2. Влияние температуры на скорость реакции

3. Понятие об энергии активации

4.Катализ

5. Химическое равновесие

6. Принцип Ле Шателье

1. Зависимость скорости реакции от концентрации.

Химической кинетикой (5.1.) называется учение о скорости и механизме химических реакций.

Химической кинетикой (5.1.) - называется учение о скорости и механизме

Под скоростью химической реакции (5.2.) понимают изменение количества одного из реагирующих веществ (исходных или продуктов реакции) за единицу времени в единице объема (для гомогенных реакций (2.1.)), или на единице поверхности раздела фаз (для гетерогенных реакций (2.2.)).

Скоростью химической реакции (5.2.) - изменение количества одного из реагирующих веществ (исходных или продуктов реакции) за единицу времени в единице объема (для гомогенных реакций (2.1.)), или на единице поверхности раздела фаз (для гетерогенных реакций (2.2.))

Химические реакции

Гомогенные

гетерогенные

Все реакции в одной фазе (например, газ + газ, или в растворе)

Не все реагенты в одной фазе ( например, жидкость + твердое; газ + твердое)

(4.1) (4.2)

(4.3)

где: dn - количество вещества, которое получается, или вступает в реакцию;

dt – изменение времени;

V- объем раствора;

S - площадь поверхности;

>0 всегда; поэтому обычно пишут  перед уравнением.

Скорость химической реакции зависит от природы реагирующих веществ, условий протекания реакции, концентрации (С) (1.5.) , температуры (Т), наличия катализаторов (1.3.). Зависит и от некоторых других факторов (например, от давления - для газообразных веществ, от степени измельчения - для твердых веществ); от радиоактивного облучения, посторонних веществ: катализаторов (1.3.), ингибиторов (1.4.).

Катализ(5.3.) – изменение скорости реакции при наличии катализатора (1.3.)

Катализ(5.3.) – изменение скорости реакции при наличии катализатора.

Механизм катализа:

Действие катализатора объясняется тем, что при его участии возникают нестойкие промежуточные соединения (активированный комплекс), которые соответствуют максимуму кривой, распад которых ведет к образованию продуктов реакции и к выделению катализатора в начальном виде. При этом энергия активации понижается и активными становятся некоторые молекулы, энергия которых была недостаточна для хода реакции без катализатора.

В тех случаях, когда для протекания реакции необходимо столкновение нескольких реагирующих частиц (молекул, атомов) зависимость скорости реакции от концентрации определяется законом действующих масс (5.4.):

При постоянной температуре скорость химической реакции пропорциональна произведению концентраций реагирующих веществ в степенях, равных их стехиометрическим коэффициентам.

Закон действующих масс (5.4.): При постоянной температуре скорость химической реакции пропорциональна произведению концентраций реагирующих веществ в степенях, равных их стехиометрическим коэффициентам.

Если реакция происходит по уравнению:

Аa + ВbСc + Dd (4.4.)

То скорость реакции ( ) выражается:

 = k•A^a•B^b (4.5.)

где: [A] и [B] - концентрации веществ А и В, моль/л;

k - коэффициент пропорциональности, который носит название константы скорости реакции (5.5.). Он не зависит от концентрации реагирующих веществ, но зависит от температуры (Т), присутствия катализатора и прочее;

Константа скорости реакции(5.5.)- скорость реакции при концентрациях веществ равных 1 моль/л

Молекулярность реакции(5.6.) (a+b) – это минимальное число молекул, участвующих в элементарном химическом процессе. По молекулярности элементарные химические реакции делятся на молекулярные (А →) и бимолекулярные (А + В →); тримолекулярные реакции встречаются чрезвычайно редко.

Если реакция протекает последовательно через несколько гомогенных или гетерогенных элементарных стадий, то суммарная скорость всего процесса определяется самой медленной его частью, а молекулярность заменяется порядком реакции – формальным показателем при концентрации реагирующих веществ. Поэтому весь процесс в целом лучше характеризует порядок реакции.

Молекулярность реакции(5.6.)- это минимальное число молекул, участвующих в элементарном химическом процессе.

Уравнение, которое определяет зависимость скорости реакции от концентраций реагирующих веществ, называется кинетическим уравнением (5.7.) (например уравнение (4.5.)).

Кинетическое уравнение (5.7.)-выражает зависимость скорости реакции от концентрации реагирующих веществ.

Если принять во внимание, что одновременное столкновение более чем трех частиц маловероятно, то такие реакции протекают в несколько стадий. Любая из них происходит в результате взаимодействия максимум трех частиц и может быть выражена законом действующих масс (тогда как полная, суммарная скорость не отвечает этому уравнению).

ЗАПОМНИТЕ!!! Наиболее медленная стадия определяет скорость всего процесса.

Например:

2N₂O_5(г) =2N₂O_4(г) + О_2(г)

Стадии:

N₂O₅ = N₂O₃ + О₂ (медленная)

N₂O₃ = NO₂ +N О (быстрая)

NO + N₂O₅ = 3NO₂ (быстрая)

2NO₂ =N₂O₄ (быстрая)

ЗАПОМНИТЕ!!! Скорость гетерогенной реакции (взаимодействия газа или жидкости с твердым веществом) зависит только концентрации вещества в жидком или газообразном состоянии.