Скорость химической реакции

Предмет химической кинетики

Изучив основы химичекой термодинамики, мы знаем, как с помощью расчетов установить принципиальную возможность самопроизвольного протекания химической реакции и степень превращения исходных веществ. Однако такая термодинамическая характеристика не дает полного представления о данной реакции. Так, например, термодинамический расчет показывает, что водород и хлор при стандартных условиях должны самопроизвольно вступать в реакцию, которая приведет к образованию хлороводорода. В действительности смесь этих газов может храниться в темноте очень долго и никаких признаков химического взаимодействия мы не обнаружим. Если эту смесь осветить ультрафиолетовым излучением реакция произойдет мгновенно и полностью. Некоторые химические реакции завершаются в течение долей секунды, другие продолжаются десятками и сотнями лет. Для того, чтобы практически использовать ту или иную реакцию необходимо знать те факторы, от которых зависит ее скорость.

Химическая кинетика - это область химической науки, которая изучает скорость химических реакций и влияющие на нее факторы.

Химическая кинетика изучает также механизмы химических реакций. Некоторые реакции протекают в одну стадию, в них участвуют только частицы, входящие в стехиометрическое уравнение реакции. Такие реакции называются простыми илиэлементарными. Так, если известно, что реакция А + В = АВ является элементарной, это означает, что она протекает в результате столкновения молекул А и В.

Большинство химических реакций являются сложными, т.е. протекают в несколько стадий. Так, например, образование воды из смеси газообразных водорода и кислорода 2Н₂ + О₂ = 2Н₂О состоит, по крайней мере, из восьми различных стадий. Для сложных реакций стехиометрическое уравнение не дает представления о реально протекающих в системе процессах. Изучить механизм химической реакции это значит выяснить ту реальную последовательность простых реакций, которые приводят к образованию конечных продуктов.

Итак,

химическая кинетика – это наука о скоростях и механизмах химических реакций.

Термин скорость реакции означает скорость, с которой образуются продукты реакции, либо скорость, с которой расходуются исходные вещества. Скорость реакции измеряется изменением количества вещества в единице объема в единицу времени

u = Dn / V Dt (2.1.)

Но количество вещества в единице объема - это молярная концентрация с, значит

u = Dc / Dt (2.2.)

Таким образом,

скорость реакции измеряется изменением концентрации реагирующего вещества за единицу времени.

В ходе реакции ее скорость не остается постоянной: она максимальна в начальный момент и далее постепенно уменьшается. Рассмотрим в качестве примера взаимодействие карбоната кальция с хлороводородной кислотой:

СаСО_3(тв) + 2НСl_(вод) = CaCl_2(вод) + CO_2(г) + Н₂О_(ж)

За изменением скорости реакции можно следить, измеряя через равные промежутки времени объем выделившегося газа.

Поскольку скорость постоянно меняется, выражение (2.2.) справедливо для средней скорости реакции за период времени Dt. Если взять бесконечно малый отрезок времени dt, получим выражение для мгновенной скорости в любой конкретный момент времени:

u = ± dc / dt (2.3.)

О скорости реакции можно судить, измеряя концентрацию как продуктов реакции, так и исходных веществ. В первом случае с течением времени концентрация увеличивается и производная dc/dt имеет знак"+". Во втором случае концентрация постепенно уменьшается и производная отрицательна. Но скорость реакции в любом случае - величина положительная. Поэтому в зависимости от выбранного способа измерения скорости перед производной берется знак "+" или "-". Размерность скорости реакции – концентрация×время^-1.