Лабораторная работа № 1. Химической кинетикой называют раздел химии, посвященный изучению скоростей химических реакций и их зависимости от различных условий — природы и концентрации

Химическая кинетика

Химической кинетикой называют раздел химии, посвященный изучению скоростей химических реакций и их зависимости от различных условий — природы и концентрации реагирую­щих веществ, температуры, присутствия катализаторов и др.

Скоростью гомогенной химической реакции по веществу B называется величина изменения концентрации этого вещества в единицу времени.

Факторы, воздействующие на скорость химических реакций:

- природа реагирующих веществ;

- концентрации реагирующих веществ;

- площадь поверхности раздела фаз реагентов для гетерогенных реакций;

- температура;

- наличие катализаторов или ингибиторов;

- наличие перемешивания, воздействия ударных волн, ультразвука, облучения видимым или ультрафиолетовым светом радиоактивного облучения и др.;

Зависимость скорости химической реакции от температуры определяется законом действующих масс.

Современная его формулировка: при постоянной температуре скорость химической реакции прямо пропорциональна произведению концентраций реагирующих веществ.

Для химической реакции, протекающей в одну стадию:

,

математическое выражение закона действующих масс имеет вид:

, (1.1)

где V – скорость реакции;

k – коэффициент пропорциональности, называемый константой скорости химической реакции;

С _А и С _В – концентрации реагентов А и В, соответственно;

a и b – стехиометрические коэффициенты в уравнении реакции.

Для многостадийных химических реакций порядки реакции по различным веществам (степени, в которые возводят концентрации реагирующих веществ в уравнении закона действующих масс), как правило, не совпадают с коэффициентами химического уравнения. Они находятся экспериментальным путем и могут принимать дробные или нулевые значения.

С повышением температуры скорость химических реакций возрастает. Согласно эмпирическому правилу Вант-Гоффа: при повышении температуры на каждые 10 градусов скорость химической реакции возрастает в 2÷4 раза.

Математически это правило может быть представлено следующим образом:

(1.2)

где - скорости реакции при температурах Т ₁ и Т ₂, соответственно;

γ – температурный коэффициент скорости реакции, численное значение которого для большинства реакций лежит в интервале от 2 до 4.

Сильное влияние на скорость протекания химических реакций оказывает присутствие в реакционной системе катализаторов и ингибиторов.

Катализаторами называются вещества, повышающие скорость химических реакций; ингибиторами – вещества, понижающие скорость химических реакций. Катализаторы и ингибиторы обладают определенной селективностью (избирательностью) действия. Они оказывают влияние на скорость одних и не оказывают воздействия на скорость других реакций, одновременно протекающих в системе. Особенно велика селективность биологических катализаторов – ферментов. Они способны избирательно ускорять лишь одну из нескольких десятков тысяч протекающих в живом организме реакций.

Свои специфические особенности имеет протекание гетерогенных химических реакций, то есть реакций происходящих в системах, состоящих из двух или более фаз (гетерогенных системах).

Гетерогенные реакции протекают на поверхность раздела фаз и включают, по меньшей мере, три последовательные стадии:

1. Подвод реагирующего вещества к поверхности раздела фаз;

2. Химическое взаимодействие на поверхности раздела фаз;

3. Отвод продуктов реакции от поверхности.

Скорость гетерогенной реакции определяется скоростью наименее быстрой ее стадии. Часто самыми медленными стадиями реакции оказываются подвод реагирующего вещества к поверхности раздела фаз или отвод продуктов реакции. В этом случае скорость реакции определяется скоростью переноса веществ к поверхности раздела фаз и при возрастании поверхности раздела фаз увеличивается и скорость химической реакции.

По признаку полноты протекания химические реакции можно разбить на две группы: необратимые и обратимые реакции. Необратимые реакции протекают до конца – то есть до полного израсходования одного из реагирующих веществ. Обратимые реакции протекают не до конца - ни одно из реагирующих веществ не расходуется полностью. Необратимыми являются химические реакции, при протекании которых одно или несколько образующихся веществ (продуктов реакции), покидает сферу реакции. Например, выпадает в осадок или выделяется в виде газа. Необратимыми являются также химические реакции, в которых одним из продуктов является малодиссоциирующее соединение (например, вода).

В первый момент скорость прямой реакции, определяемая начальными концентрациями исходных веществ, максимальна, а скорость обратной реакции, определяемая концентрациями продуктов, равна нулю. По мере расходования исходных веществ и накопления продуктов реакции скорость прямой реакции уменьшается, а обратной увеличивается. Спустя некоторое время скорости прямой и обратной реакции становятся равными - в системе устанавливается химическое равновесие. В условиях равновесия в системе сохраняются постоянными концентрации всех входящих в ее состав веществ: как исходных, так и образовавшихся. Состояние равновесия будет сохраняться, пока все параметры системы остаются неизменными. Если на систему, находящуюся в состоянии химического равновесия, оказывается внешнее воздействие, то положение химического равновесия может смещается.

Направление смещения положения химического равновесия под действием внешнего воздействия определяется принципом Ле-Шателье – Брауна: если на систему, находящуюся в состоянии равновесия, оказывают воздействие путем изменения какого-либо из условий, определяющих положение равновесия, то оно смещается в направлении той реакции, протекание которой ослабляет эффект произведенного воздействия. Так, повышение температуры вызывает смещение равновесия в направлении той реакции, которая сопровождается поглощением тепла, а понижение температуры вызывает смещение равновесия в направлении реакции, сопровождающейся выделением тепла.

Повышение давления смещает равновесие в направлении реакции, сопровождающейся уменьшением количества вещества газообразных веществ, а понижение давления действует в противоположном направлении. Например, в равновесной системе, состоящей из водорода, азота и аммиака:

3Н₂ + N₂ Û 2NН₃ + Q

прямая реакция сопровождается выделением тепла и повышение температуры приводит к смещению равновесия влево. Повышение давления смещает равновесие вправо, так как при этом уменьшается суммарное количество вещества в системе.

При введении в равновесную систему дополнительного количества какого-либо из исходных веществ, в первый момент увеличивается скорость прямой реакции, и равновесие смещается вправо, в сторону образования продуктов (конечных веществ). Добавление продукта, наоборот, вызовет первоначальное повышение скорости обратной реакции, и смещение равновесия влево. Постепенно скорости прямой и обратной реакций снова уравниваются, и система вновь приходит в состояние равновесия. В этом новом состоянии равновесные концентрации всех веществ, присутствующих в системе, будут отличаться от первоначальных равновесных концентраций, но соотношение между ними останется прежним. Таким образом, в системе, находящейся в состоянии равновесия, нельзя изменить концентрацию одного из веществ, не вызвав изменения концентраций всех остальных.

Целью настоящей работы является исследование влияния различных факторов на скорость необратимых химических реакций, а также изучение поведения равновесных систем при изменении внешних условий.