Швидкість хімічної реакції. Кінетичне рівняння і константа швидкості. Закон діючих мас

Багато чого вдається дізнатися про хімічних реакціях, вивчаючи швидкість їх перебігу та фактори, від яких вона залежить. Цим займається розділ хімії, званий хімічної кінетики.

Згадаймо вже відоме нам визначення швидкості хімічної реакції:

Швидкістю хімічної реакції називається кількість речовини, що вступає в реакцію або утворюється при реакції за одиницю часу в одиниці об’єму системи.

Кількість речовини виражають у молях, а обсяг у літрах. У цьому випадку ми отримуємо зручну для роботи величину – КОНЦЕНТРАЦІЮ речовини в моль / л, яка ЗМІНЮЄТЬСЯ в ході реакції.

Таким чином, швидкістю реакції називають зміну концентрації якогось речовини, що бере участь в реакції, за одиницю часу (наприклад, за секунду або за хвилину). Звідси інше визначення швидкості реакції:

Швидкістю хімічної реакції називається зміна концентрації реагенту або продукту в одиницю часу. За швидкістю реакції А + Б = В можна стежити з витрачання одного з реагентів (А або Б), або з накопичення продукту (В). Тут ми стикаємося з серйозною проблемою: швидкість реакції може постійно ЗМІНЮВАТИСЯ. Дійсно, на початку реакції, коли молекул А і Б ще багато, зіткнення між ними відбуваються набагато частіше, ніж наприкінці реакції, коли молекул А і Б вже набагато менше. Як ми знаємо, зіткнення молекул є приводом для реакції між ними. На рис. 1-9 показана спрощена модель реакції А + Б = В, в якій кожне зіткнення призводить до хімічної реакції між двома частинками. Втім, такі реакції теж є. Наприклад, практично кожне зіткнення іонів Н + і ОН- в розчині призводить до утворення молекули Н2О (у цієї реакції низька енергія активації). Модель реакції А + Б = В. Освіта продукту (В) відбувається швидко на початку реакції і сповільнюється ближче до кінця реакції. На графіку накопичення продукту (В) в суміші добре видно, що при одному і тому ж інтервалі часу ?t зміна концентрації ?C на початку реакції більше, ніж наприкінці реакції. Таким чином, швидкість хімічного перетворення може постійно змінюватися в ході реакції.

Як же бути в такому випадку? Що приймати за істинну швидкість реакції ? На щастя, існує підхід, який дозволяє усунути цю труднощі у вивченні швидкостей хімічних реакцій.

Чим більше концентрація молекул (А) або (Б) в суміші, тим більше вірогідність зіткнення між ними. Якщо позначити буквами А і Б (у квадратних дужках) молярні концентрації цих речовин, то швидкість реакції буде пропорційна добутку цих молярних концентрацій:

v = [А моль / л] [Б моль / л] (1)

Надалі позначення ” моль / л ” у квадратних дужках ми вже писати не будемо. Зауважимо, що в отриманому нами виразі (1) для швидкості хімічної реакції розмірності лівої і правої частини не збігаються. Дійсно, розмірність швидкості реакції, як ми вже знаємо, ” моль / л.сек “, а розмірність твори в правій частині рівняння інша: ” моль2/л2 “. Для того щоб вирівняти розмірності в правій і лівій частинах рівняння, потрібен коефіцієнт пропорційності. Позначимо його буквою k і присвоїмо йому розмірність ” л / моль.сек “. Тоді рівняння (1) прийме такий вигляд:
v = k [А] [Б] (2)

Виявилося, що коефіцієнт пропорційності k здатний виконувати набагато більш корисну функцію, ніж просте вирівнювання розмірностей в лівій і правій частинах рівняння (2). Коефіцієнт k НЕ ЗАЛЕЖИТЬ від концентрацій [А] і [Б]. Ці концентрації (як і швидкість) можуть змінюватися в ході реакції, але значення k зберігається ПОСТІЙНИМ для даної реакції в обраних умовах. Тому коефіцієнт k називають константи швидкості РЕАКЦІЇ. Рівняння (2) називається кінетичного рівняння для реакцій типу А + Б = В (або А + Б = В + Г +…).

Цікаво, що в кінетичному рівнянні швидкість реакції не залежить від кількості ПРОДУКТІВ реакції та їх концентрацій. Це й зрозуміло: адже швидкість реакції в даному випадку визначається лише зіткненнями молекул реагентів (А) і (Б).

Константу швидкості k можна визначити експериментально: вона чисельно дорівнює швидкості реакції в той момент, коли концентрації вихідних речовин дорівнюють 1 моль / л:

v = k [А] [Б] = k [1] [1], отже, в цей момент v = k.

Константа швидкості k дає хімікам можливість КІЛЬКІСНО обговорювати питання, пов’язані з вивченням швидкостей реакцій. Наведемо приклад.

Посилання на основну публікацію