Скорость реакции в химии: определение и ее зависимость от различных факторов

Скорость реакции является величиной, которая показывает изменение концентрации реагирующих веществ за промежуток времени. Для того чтобы оценить ее размер, необходимо изменить исходные условия процесса.

Гомогенные взаимодействия

Скорость реакции между некоторыми соединениями, находящимися в одной агрегатной форме, зависит от того, каков объем взятых веществ. С математической точки зрения можно выразить зависимость между скоростью гомогенного процесса и изменением концентрации за единицу времени.

Примером такого взаимодействия можно считать окисление оксида азота (2) в оксид азота (4).

Гетерогенные процессы

Скорость реакции для исходных веществ, находящихся в разных агрегатных состояниях, характеризуется количеством моль исходных реагентов на единице площади в единицу времени.

Гетерогенные взаимодействия характерны для систем, которые имеют различное агрегатное состояние.

Подводя итог, отметим, что скорость реакции демонстрирует изменение количества моль исходных реагентов (продуктов взаимодействия) за промежуток времени, на единице поверхности раздела фаз либо в единице объема.

Концентрация

Рассмотрим основные факторы, влияющие на скорость реакции. Начнем с концентрации. Подобная зависимость выражается законом действующих масс. Между произведением концентраций веществ, вступающих во взаимодействие, взятых в степени их стереохимических коэффициентов, и быстротой протекания реакции, существует прямо пропорциональная зависимость.

Рассмотрим уравнение аА +бБ = сС + дД, где А, В, С, Д – являются жидкостями или газами. Для приведенного процесса кинетическое уравнение можно записать с учетом коэффициента пропорциональности, который для каждого взаимодействия имеет свое значение.

В качестве основной причины роста скорости можно отметить увеличение количества столкновений реагирующих частиц в единице объема.

Температура

Рассмотрим влияние температуры на скорость реакции. Процессы, которые протекают в гомогенных системах, возможны только при соударении частиц. Но далеко не все столкновения приводят к образованию продуктов реакции. Только в том случае, когда у частиц есть повышенная энергия. При нагревании реагентов наблюдается увеличение кинетической энергии частиц, растет количество активных молекул, поэтому наблюдается повышение скорости реакции. Связь между температурным показателем и скоростью процесса определяется правилом Вант-Гоффа: каждое увеличение температуры на 10°С приводит к росту скорости процесса в 2-4 раза.

Катализатор

Рассматривая факторы, влияющие на скорость реакции, остановимся на веществах, которые способны увеличивать быстроту протекания процесса, то есть на катализаторах. В зависимости от агрегатного состояния катализатора и реагирующих веществ, выделяют несколько видов катализа:

• гомогенный вид, при котором реагенты и катализатор имеют одно агрегатное состояние;
• гетерогенный вид, когда реагирующие вещества и катализатор находятся в одной фазе.

В качестве примеров веществ, ускоряющих взаимодействия, можно выделить никель, платину, родий, палладий.

Ингибиторами считают вещества, которые замедляют реакцию.

Площадь соприкосновения

От чего еще зависит скорость реакции? Химия подразделяется на несколько разделов, каждый из которых занимается рассмотрением определенных процессов и явлений. В курсе физической химии рассматривается связь между площадью соприкосновения и быстротой протекания процесса.

Для того чтобы увеличить площадь соприкосновения реагентов, их измельчают до определенных размеров. Быстрее всего происходит взаимодействие в растворах, именно поэтому многие реакции проводят именно в водной среде.

При измельчении твердых веществ следует соблюдать меру. Например, при превращении пирита (сульфита железа) в пыль, в печи для обжига происходит спекание его частиц, что негативно отражается на скорости протекания процесса окисления данного соединения, уменьшается выход сернистого газа.

Реагенты

Попробуем понять, как определить скорость реакции в зависимости от того, какие реагенты вступают во взаимодействие? Например, активные металлы, расположенные в электрохимическом ряду Бекетова до водорода, способны взаимодействовать с растворами кислот, а те, что находятся после Н₂, не имеют подобной способности. Причина такого явления заключается в различной химической активности металлов.

Давление

Как с этой величиной связана скорость реакции? Химия - это наука, которая тесно связана с физикой, поэтому зависимость прямо пропорциональная, она регулируется газовыми законами. Существует прямая связь между величинами. А чтобы понять, какой закон определяет скорость химической реакции, необходимо знать агрегатное состояние и концентрацию реагентов.

Виды скоростей в химии

Принято выделять мгновенную и среднюю величины. Средняя скорость химического взаимодействия определяется как разность концентраций реагирующих веществ за временной промежуток.

Полученная величина имеет отрицательное значение в том случае, когда происходит уменьшение концентрации, положительное – при нарастании концентрации продуктов взаимодействия.

Истинной (мгновенной) величиной является такое отношение в определенную единицу времени.

В системе СИ скорость химического процесса выражается в [моль×м^-3×с^-1].

Задачи в химии

Рассмотрим несколько примеров задач, связанных с определением скорости.

Пример 1. В сосуде смешивают хлор и водород, затем смесь нагревают. Через 5 секунд концентрация хлороводорода приобрела значение 0,05 моль/дм³. Вычислите среднюю скорость образования хлороводорода (моль/дм³ с).

Необходимо определить изменение концентрации хлороводорода спустя 5 секунд после взаимодействия, вычитая из конечной концентрации исходную величину:

C(HCl) = c2 - c1 = 0,05 - 0 = 0,05 моль/дм³.

Вычислим среднюю скорость образования хлороводорода:

V = 0,05/5 = 0,010 моль/дм³ ×с.

Пример 2. В сосуде, объем которого составляет 3 дм³, происходит следующий процесс:

C₂H₂ + 2H₂=C₂H₆.

Первоначальная масса водорода – 1 г. Спустя две секунды после начала взаимодействия масса водорода приобрела величину 0,4 г. Вычислите среднюю скорость получения этана (моль/дм³×с).

Масса водорода, который вступил в реакцию, определяется как разница между начальной величиной и конечным числом. Она составляет 1 - 0,4 = 0,6 (г). Для определения количества моль водорода, необходимо поделить ее на молярную массу данного газа: n = 0,6/2 = 0,3 моль. По уравнению из 2 моль водорода образуется 1 моль этана, следовательно, из 0,3 моль Н₂ получаем 0,15 моль этана.

Определяем концентрацию образовавшегося углеводорода, получаем 0,05 моль/дм³. Далее можно рассчитать среднюю скорость его образования: =0,025 моль/дм³ ×с.

Заключение

На скорость химического взаимодействия влияют различные факторы: природа реагирующих вещества (энергия активации), их концентрация, присутствие катализатора, степень измельчения, давление, вид излучения.

Во второй половине девятнадцатого века профессором Н. Н. Бекетовым было сделано предположение о том, что между массами исходных реагентов и продолжительностью протекания процесса есть связь. Данная гипотеза была подтверждена в законе действующих масс, установленном в 1867 году норвежскими химиками: П. Ваге и К. Гульдбергом.

Изучением механизма и скорости протекания разных процессов занимается физическая химия. Простейшие процессы, протекающие в одну стадию, называют мономолекулярными процессами. Сложные взаимодействия предполагают несколько элементарных последовательных взаимодействий, поэтому каждая стадия рассматривается по отдельности.

Для того чтобы при минимальных энергетических затратах можно было рассчитывать на получение максимального выхода продуктов реакции, важно учитывать те основные факторы, которые оказывают влияние на протекание процесса.

Например, для ускорения процесса разложения воды на простые вещества необходим катализатор, роль которого выполняет оксид марганца (4).

Все нюансы, связанные с выбором реагентов, подбором оптимального давления и температуры, концентрации реагентов, рассматриваются в химической кинетике.