Скорость химических реакций. Химическое равновесие

Скорость химической реакции – это физическая величина, равная изменению количества вещества реагента или продукта реакции в единицу времени в единице объёма реакционной среды для гомогенных реакций или на единице площади межфазной поверхности для гетерогенных реакций.

Таким образом, скорость химической реакции для гомогенных реакций определяется по формуле:

ʋ_гомог. = ± Δn / V ∙ Δt

ʋ_гомог. = ± Δc / Δt.

Для гетерогенных реакций скорость химической реакции определяется по формуле:

ʋ_{гетерог.} = ± Δn / S ∙ Δt.

Где ʋ - скорость реакции, ΔC – изменение концентрации (в моль/л), а Δt – интервал времени, в течение которого это изменение произошло (сек). Следовательно, размерность у скорости реакции такая: моль / л · сек.

Так как со временем концентрация вещества или количество вещества уменьшается, то перед формулами ставится знак минус. Если получится, что концентрация вещества или количество вещества больше 0, то знак минус не ставится. То есть если разница между конечной и начальной концентрацией больше нуля, то ставится знак минус, ведь скорость отрицательной быть не может. Если разница между конечной и начальной концентрацией больше нуля, то знак минус не ставится.

Исходя из приведённых формул, можно выразить величины:

Δn = ʋ ∙ Δt ∙ V

Δc = Δt ∙ ʋ

Δt = Δn / ʋ ∙ V

Δt = Δc / ʋ.

К факторам, влияющим на скорость химических реакций является

концентрация. То есть при увеличении концентрации скорость для гомогенных реакций возрастает. Например, если к цинку добавить соляную кислоту разной концентрации: 5%-ную и 10%-ную, то интенсивность выделения водорода во втором случае будет больше, так как концентрация кислоты будет больше.

Зависимость скорости реакции от концентрации выражает закон действующих масс, согласно которому при постоянной температуре скорость гомогенной реакции прямо пропорционально произведению реагирующих веществ. То есть для химической реакции А + B = C, которая протекает в жидкости или газе в одну стадию этот закон выражается в форме:

ʋ = k ∙ c^а (A) ∙ c^b (В).

В этой формуле ʋ — скорость реакции, которая измеряется в моль / (дм³ · с); c (A) и c (В) — концентрации веществ, соответственно А и В; k — коэффициент пропорциональности, который называют константой скорости реакции.

Значение этой константы зависит от природы реагирующих веществ, температуры, наличия катализатора, но не зависит от концентрации реагирующих веществ.

На скорость химической реакции влияет также природа реагирующих веществ. Например, магний быстрее реагирует с соляной кислотой, чем железо. Так как магний более активный металл, чем железо.

На скорость химической реакции влияет также наличие катализатора. Катализатор снижает энергию активации, увеличивая при этом скорость реакции. Так, разложении перекиси водорода идёт достаточно долго, но если к перекиси добавить MnO₂ – катализатор, то реакции протекает очень быстро

Для реакций с участием газов на скорость реакции влияет давление. То есть при увеличении давления скорость реакции растёт по аналогии с концентрацией.

Решим задачу. Определим, как изменится скорость реакции протекающей в закрытом сосуде, если увеличить давление в 4 раза?

Ответ: скорость реакции возросла в 64 раза.

Температура также влияет на скорость химической реакции. Скорость большинства реакций возрастает с повышением температуры. По правилу Вант-Гоффа: при повышении температуры на каждые 10 °С скорость большинства реакций увеличивается в 2–4 раза:

ʋ_T2 = ʋ_T1 ∙ γ^T2-T1/10,

где γ – температурный коэффициент, который показывает во сколько раз увеличивается скорость реакции при повышении температуры на 10 ºС. Так, при повышении температуры увеличивается число активных молекул, возрастает число эффективных столкновений, что ведёт к увеличению скорости химической реакции.

Следует помнить, что энергия активации – эта энергия, которую необходимо сообщить частица, чтобы они стали активными. Поэтому чем больше энергия активации, тем меньше скорость химической реакции и тем сильнее выражена зависимость скорости химической реакции от температуры.

Решим задачу. Определим, во сколько раз возрастёт скорость реакции при повышении температуры с 20 C до 5? Температурный коэффициент равен 3.

Ответ: скорость реакции возросла в 27 раз.

К условиям протекания реакций относится перемешивание. Для гетерогенных реакций перемешивание увеличивает скорость реакции. Ещё одним условием протекания реакций является дробление твёрдого вещества. Например, при измельчении вещества скорость реакции растёт. Условием протекания реакции является также облучение и воздействие ионизирующих излучений.

Следует помнить, что химические реакции, которые протекают в двух противоположных направления, называются обратимыми. В таких реакциях образуются равновесные смеси реагентов и продуктов, состав их далее не меняется со временем. Например, при нагревании водорода с йодом происходит образование йодоводорода. Состав этой системы не зависит от способа получения, то есть можно нагреть смесь водорода и йода, а можно взять йодоводород, но результат будет одним и тем же: образуется равновесная смесь из трёх веществ: йода, водорода, йодоводорода:

H₂ (г) + I₂ (г) ↔ 2HI (г).

В этой система затем устанавливается химическое равновесие, когда скорость прямой реакции равна скорости обратной реакции. Когда началась реакция ещё не было йодоводорода, но постепенно в смеси он появляется. И йодоводород начинает разлагаться на водород и йод. Когда в смеси появляется достаточное количество йодоводорода, устанавливается химическое равновесие. В этой равновесной системе содержание всех трёх веществ не меняется со временем, если нет внешних воздействий.

Таким образом, химическое равновесие – это состояние системы, при котором скорости прямой и обратной реакции равны.

Но в равновесной системе можно сместить равновесие в нужную сторону. Такая способность равновесных систем «сопротивляться» внешним воздействиям носит общий характер и известна под названием принципа Ле Шателье: если на равновесную систему воздействовать извне, изменяя какой-нибудь из факторов, определяющих положение равновесия, то в системе усилится то направление процесса, которое ослабляет это воздействие.

 На смещение химического равновесия влияет три фактора: это температура, давление (для газов) и концентрация.

При повышении температуры равновесие смещается в сторону эндотермической реакции, а при понижении температуры – в сторону экзотермической.

При повышении давления равновесие смещается в сторону меньшего количества газов, а при понижении давления – в сторону большего количества газа. При равенстве количества газа в обеих частях уравнения давление не оказывает влияние на равновесие.

При повышении концентрации газообразного или жидкого вещества равновесие смещается в сторону его расходования (и наоборот).

Нужно запомнить, что катализатор не влияет на смещение химического равновесия, то есть не смещает его.

Рассмотрим смещение химического равновесия на примере образования оксида углерода (IV) из оксида углерода (II):

2СO (г) + O₂ (г) ↔ 2CO₂ (г) + Q.

 При повышении температуры равновесие сместится в сторону эндотермической реакции, то есть влево. При понижении температуры равновесие сместится вправо. При увеличении давления равновесие сместится в сторону меньшего количества газов, то есть вправо. При понижении давления равновесие сместится влево. При увеличении концентрации оксида углерода (II) или кислорода равновесии сместится в сторону их расходования, то есть вправо, при уменьшении концентрации этих веществ равновесие сместится влево. При увеличении концентрации СО₂ равновесие также сместится влево.