Зависимость скорости реакции от концентрации реагентов

Чтобы произошла реакция, необходимо столкновение реагирующих частиц. При одной и той же температуре число столкновений растет с увеличением числа реагирующих частиц в единице объема, то есть с возрастанием концентрации реагентов. Соответственно скорость реакции повышается с увеличением концентраций реагирующих веществ. Скорость необратимой реакции:

aA + bB ® eE + fF

равна = kC_A^nA × C_B^nB, (2)

где k – константа скорости реакции;

n_A и n_B – коэффициенты, называемые порядками реакции по веществам

А и В.

Уравнение (2) называется кинетическим уравнением химической реакции.

Константа скорости реакции k не зависит от концентрации реагентов, но зависит от их природы и температуры. Константа скорости реакции численно равна самой скорости реакции, если концентрации всех реагирующих веществ равны 1 моль/л, поэтому константу скорости реакции называют еще характеристической скоростью. Размерность константы скорости реакции зависит от порядка реакции, поскольку размерность скорости реакции для всех гомогенных реакций одинакова. Сумма порядков реакции по реагентам называется общим порядком реакции n:

n = ån_i, (3)

где n_i – порядок реакции по i-тому реагенту.

Например, для уравнения (2)

n = n_A + n_B.

Теоретически предсказать порядок реакции трудно, его определяют экспериментально. Порядок реакции зависит от ее сложности. Если реакция простая, то есть протекает в одну стадию, то порядок реакции равен сумме стехиометрических коэффициентов.

Например, если бы реакция:

aA + bB ® eE + fF

протекала в одну стадию, то n_A = а и n_B = b и соответственно n = a + b. В этом случае кинетическое уравнение для указанной реакции принимает вид:

= k[A]^a × [B]^b

= k C^a_A × C^b_B. (4)

Уравнение (4) называется законом действующих масс (К.М. Гульберг, Г. Вааге 1864-1867 гг.): Скорость химической реакции при данной температуре прямо пропорциональна произведению концентраций реагирующих веществ в степенях с показателями, равными стехиометрическим коэффициентам в уравнении реакции.

Для реакции образования иодида водорода:

H₂ + I_{2 (Г)} = 2 HI _(Г),

= k C_H2 × C_I2, то есть n = 1 + 1 = 2.

Однако в большинстве случаев реакции многостадийны. Для многостадийных реакций порядки по реагентам, как правило, не совпадают со стехиометрическими коэффициентами, а общий порядок реакции вычисляют, используя кинетическое уравнение (2), а не его частичный случай – закон действующих масс.

Наиболее часто встречаются реакции первого, второго, иногда третьего порядков. Некоторые реакции имеют дробный порядок, например 0,5 и 1,5.

При гетерогенных реакциях концентрации веществ, находящихся в твердой фазе, обычно незначительно изменяются в ходе реакции и поэтому не включаются в уравнение закона действующих масс.

Пример 1. Написать выражения закона действующих масс для реакций:

а) 2 SO_{2 (Г)} + O_{2 (Г)} ® 2 SO_{3 (Г)};

б) CaCO_{3 (К)} ® CaO _(К) + CO_{2 (Г)}.

Решение:

а) = k [SO₂]² × [О₂].

б) Поскольку карбонат кальция – твердое вещество, концентрация которого практически не изменяется в ходе реакции, искомое выражение будет иметь вид: =k, то есть в данном случае скорость реакции при определенной температуре постоянна.

Пример 2. Как изменится скорость реакции:

3 H_{2 (Г)} + N_{2 (Г)} 2 NH_{3 (Г)},

если а) уменьшить объем реакциионого сосуда в 3 раза,

б) уменьшить давление в 2 раза.

Решение:

а) До изменения объема скорость реакции выражалась уравнением:

₁=k [H₂]³×[N₂].

Вследствие уменьшения объема концентрация каждого из реагирующих веществ возрастет в 3 раза. Следовательно, теперь:

₂ = k (3 [H₂])³ × (3 [N₂]) = 81 k [H₂]³ × [N₂].

Находим отношение скоростей:

.

Скорость данной реакции при уменьшении объема реакционной смеси в 3 раза увеличилась в 27 раз.

б) До изменения давления скорость реакции выражалась уравнением:

^| = k [H₂]³ × [N₂].

При уменьшении давления в 2 раза концентрация газообразных веществ также уменьшится в 2 раза. Следовательно:

^|| = .

Находим отношение скоростей:

.

Скорость данной химической реакции при уменьшении давления в 2 раза уменьшится в 16 раз.

Поиск по сайту: