Файл: КР ТИ_КИ.doc

Система, состоящая из веществ в одинаковом агрегатном состоянии (в одной фазе) является гомогенной. В гомогенных системах нет поверхности раздела между отдельными составными частями, поэтому реакция протекает в однородной среде.

Например: Н_2(Г) + Cl_2(Г) ↔2HCl_(Г).

Гетерогенная система состоит из веществ разных агрегатных состояний, имеет поверхность раздела между отдельными ее частями. Гетерогенные реакции протекают на границе раздела фаз.

Например: С_(ТВ) + О_2(Г)→ СО_2(Г)

Количественно скорость химической реакции характеризуется изменением концентраций реагирующих веществ в единицу времени.

4.1.1. Скорость химических реакций в гомогенной системе

Скорость гомогенных реакций равна изменению количества вещества (исходного или продукта) в единицу времени в единице объема реакционного пространства.

, моль/(лс),

где – скорость реакции, моль/(лс);

–изменение количества вещества, моль;

V – объем, л;

Δτ – изменение времени, с.

- молярная концентрация, моль/л

- изменение концентрации, моль/л.

Например, при взаимодействии водорода с парами иода реакция идет по уравнению:

Н_2(Г) + J_2(Г) ↔2HJ_(Г).

Концентрацию паров иода (или водорода) можно определить в начале некоторого отрезка времени, обозначив ее С₁ (моль/л) и в конце его – С₂ (моль/л), а время соответственно τ₁и τ₂(с). Тогда скорость этой реакции равна:

Так как в течение реакции происходит убыль концентрации иода (или водорода), то (С₂ – С₁)<0. Скорость есть величина положительная, поэтому в выражении скорости ставится знак минус:

Скорость реакции можно также определить по увеличению концентрации продукта реакции (HJ) и тогда (С₂ – С₁)>0 и знак скорости – положительный.

Приведенные выше выражения изменения концентрации веществ в ходе реакции характеризуют среднюю скорость ее за время Δτ:

Истинная (мгновенная) скорость реакции в данный момент времени выражается производной концентрации по времени:

4.1.2 Скорость химических реакций в гетерогенной системе

Для гетерогенной системы с участием твердого вещества реакция может протекать только на его поверхности. Поэтому концентрация твердого вещества остается постоянной и не входит в выражение скорости реакции.

Так, в реакции горения угля:

С_(ТВ) + О_2(Г) = СО_2(Г) ,

скорость реакции будет иметь вид:

где к – константа скорости;

S_C– поверхность твердого угля, м²;

[O₂] – концентрация кислорода, моль/л.

Но - постоянная величина, так как константа скорости и поверхность твердого вещества постоянны. Обозначив , тогда скорость этой реакции будет иметь вид:

т.е. скорость реакции пропорциональна только концентрации кислорода.

4.2 Факторы, влияющие на скорость реакции

Скорость химической реакции зависит от многих факторов. Важнейшими являются: природа, концентрация веществ, температура, катализаторы, давление (для газообразных систем) и т.д.

4.2.1 Концентрация реагирующих веществ

Зависимость скорости реакции от концентрации реагирующих веществ определяется законом действия масс (ЗДМ):

Скорость химической реакции пропорциональна произведению молярных концентраций реагирующих веществ в степенях их стехиометрических коэффициентов.

Так для модельной реакции:

аА + bB ↔ dD + qQ

этот закон выразится уравнениями:

где [A], [B], [D], [Q] – молярные концентрации веществ, моль/л;

к₁и к₂ – константы скорости реакции;

a, b, d, q – стехиометрические коэффициенты.

Константа скорости (к₁или к₂) не зависит от концентрации, но зависит от природы реагирующих веществ, температуры, катализатора.

Так, при [A] = [B] = 1моль/л константа скорости к₁численно равна скорости реакции:

υ = к₁

В этом есть физический смысл константы скорости.

Например, для гомогенной системы:

2 NO_(Г) + Cl_2(Г)↔2 NOCl_(Г)

скорости прямой и обратной реакций определяются выражениями:

Для гетерогеннойсистемы:

2 С_(ТВ) + О_2(Г) ↔ 2 СО_(Г)

4.2.2. Давление

В системах, где одно или несколько веществ являются газами, скорость химической реакции зависит от внешнего давления. Например:

Н_2(Г) + Cl_2(Г) ↔2HCl_(Г).

Если увеличить давление на систему в три раза, то во столько раз уменьшится объем и, следовательно, во столько же раз увеличатся концентрации каждого из реагирующих веществ.

Пример 1. Определите, как и во сколько раз изменится скорость прямой реакции

2 NO_(Г) + О_2(Г)↔2 NO_2(Г),

если объем системы уменьшить в 3 раза?

Решение. По ЗДМ скорость прямой реакции будет иметь вид:

Обозначив [NO] = x, [O₂] = y, получим:

После уменьшения объема системы, концентрация веществ увеличится в 3 раза. Тогда: [NO] = 3x, [O₂] = 3y.

Разделив наполучим изменение скорости:

Скорость реакции возросла в 27 раз.

Пример 2. В системе

СО_(Г)+ Cl_2(Г)↔ СОСl_2(Г)

концентрацию СО увеличили от 0,3 до 1,2 моль/л, а концентрацию Cl₂ от 0,5 до 1,45 моль/л. Во сколько раз возросла скорость реакции?

Решение. По ЗДМ скорость этой реакции имеет вид:

Начальная скорость (υ₁) будет равна:

Конечная скорость (υ₂) будет равна:

Разделив υ₂на υ,₁ получим:

Скорость реакции возросла в 11,6 раз.

Пример 3. Константа скорости реакции

А + 2В ↔ 2С

равна 0,65 (л)²моль^-2с^-1. Начальные концентрации веществ (моль/л): А=1,5; В=2,5. В результате реакции концентрация вещества В оказалась равной 0,5 моль/л. Вычислите, какова концентрация вещества А и скорость реакции.

Решение. Находим уменьшение концентрации вещества В.

моль/л.

Так как А и В взаимодействуют между собой в отношении 1:2, то концентрация вещества А уменьшится на моль/л. Тогда концентрация вещества А станет равноймоль/л. Скорость реакции в этот момент будет равна: