Основные проблемы современной химии
Информация - Химия
Другие материалы по предмету Химия
сть выбора: + - если скорость реакции определяется по изменению количества продукта реакции, - - если скорость определяется по изменению количества исходного вещества.
Отношение количества вещества к объему системы есть не что иное, как молярная концентрация данного вещества, С. Тогда равенство (1) принимает вид:
DС
v = (2)
Dt
Для гетерогенных систем, в которых реакция протекает на поверхности раздела фаз:
D n
v = (3)
S Dt
где S - площадь поверхности раздела фаз, на которой идет химическая реакция.
Гетерогенная система - система, состоящая из нескольких фаз, разграниченных между собой поверхностями раздела. Фаза - отдельная однородная часть гетерогенной системы. Например, при 00С лёд, вода и образующийся над ними пар образуют гетерогенную систему из трех фаз: твердой - льда, жидкой - воды и газообразной - водяного пара. Система, состоящая из одной фазы, будет гомогенной. Примеры гомогенных систем: смеси газов, истинные растворы и т.д. Примеры гетерогенных систем: любые системы, в которых участвуют реагенты в твердом состоянии, несмешивающиеся жидкости и т.д.
Скорость химической реакции, как правило, выражается в моль/лс для гомогенных систем и в моль/м2с для гетерогенных систем.
Так как скорость реакции изменяется со временем (по мере расходования реагентов скорость реакции обычно снижается), то мы можем вычислить только среднюю скорость реакции в определенном временном интервале 0t.
Можно относить изменение концентрации к бесконечно малому промежутку времени, определяя истинную (мгновенную) скорость vмгн. в данный момент как производную от концентрации по времени
dС
vмгн. = (4)
dt
На рисунке 1 приведен график зависимости концентрации исходного вещества от времени. В каждый момент времени (например, t1) мгновенная скорость реакции равна тангенсу угла наклона касательной к графику функции C = f (t).
C
C = f (t)
a t
t1
Рис. 1Эффективные и неэффективные столкновения реагирующих частиц. Активированный комплекс
Химическая реакция происходит только при контакте, при столкновении частиц реагирующих веществ (молекул, ионов, радикалов и т.д.). Однако не всякое столкновение частиц приводит к преобразованию таких частиц и к перегруппировке атомов. Если при столкновении частицы не обладают достаточной энергией, то столкновение будет неэффективным, упругим, подобным столкновению бильярдных шаров. Если же энергия частиц будет достаточно высока, то столкновение будет эффективным, в результате такого столкновения возникает активированный комплекс, происходит перераспределение электронной плотности, перегруппировка атомов, и образуются новые частицы - частицы продуктов реакции.
Рассмотрим такой процесс на примере реакции H2 + I2 2 HI.
При столкновении молекулы водорода с молекулой йода, если они обладают достаточной энергией, сначала образуется активированный комплекс H2 --- I2 . Далее происходит перераспределение электронной плотности, переключение связей, активированный комплекс распадается на две молекулы HI. Активированный комплекс существует очень короткое время (порядка 10-13 с).
Активированный комплекс будет возникать только в том случае, если в момент столкновения молекулы будут обладать достаточной энергией - энергией активации, за счет которой можно преодолеть отталкивание электронных оболочек и запустить процесс перераспределения электронной плотности.
Энергия активации Еа - это некоторое избыточное количество энергии (по сравнению со средней), необходимое для вступления молекул в реакцию.
Схематически изменение суммарной теплоты образования исходных веществ и продуктов реакции можно изобразить в виде энергетической диаграммы реакции. На рис. 2 представлена такая диаграмма для экзотермической реакции. Как видим, при протекании реакции преодолевается энергетический барьер - энергия активации для образования активированного комплекса.
Рассмотрим влияние различных факторов на протекание реакций:
а) Влияние природы реагирующих веществ.
Даже однотипные реакции при одних и тех же условиях протекают с различной скоростью в зависимости от природы реагирующих веществ. Например, сходные реакции взаимодействия щелочных металлов с водой протекают с разной скоростью.
Q
Еа
Рис. 2 Влияние на скорость реакции различных факторов.
Литий взаимодействует с водой более спокойно, а калий - бурно, с обязательным воспламенением выделяющегося водорода.
Li + 2 H2O 2 LiOH + H2
Na + 2 H2O 2 NaOH + H2
K + 2 H2O 2 KOH + H2
б) Влияние концентрации реагирующих веществ (для гомогенных систем).
С увеличением концентрации реагирующих веществ скорость реакции возрастает, так как с увеличением концентрации реагентов возрастает количество частиц реагирующих веществ в единице объема и, следовательно, возникает больше столкновений между такими частицами, в том числе и эффективных.
В качестве примера можно сравнить горение серы на воздухе и в чистом кислороде: S + O2 SO2.
Количественно зависимость между скоростью реакции и концентрацией определяется законом действия масс (или законом действующих масс):
При постоянной температуре скорость дан?/p>