Химическая кинетика – это раздел химии, в котором изучают влияние различных факторов на скорость химической реакции и ее механизм. Рассматриваются только реакции, которые термодинамически разрешены (DGхр< 0).
Скоростью химической реакции называют изменение концентрации реагирующих веществ или продуктов реакции (DС) в единицу времени V = . Скорость реакции измеряется в моль/л∙с, если она идет во всем объеме системы (гомогенная реакция) и в моль/м2∙с, если реакция идет на границе раздела фаз (гетерогенная реакция). Гомогенная система состоит из одной фазы, гетерогенная – из нескольких фаз. Фазойсистемы называют ее часть, отделенную от других физической границей и обладающую во всех своих частях одинаковым составом и свойствами.
Средняя скорость реакции Vср. в интервале времени от t1 до t2 определяется соотношением
V = , где DС = С2 - С1 , Dt = t2 - t1; С1 и С2 – молярная (моль/л) концентрация любого участника реакции в моменты времени t1 и t2 соответственно. Знак (-) перед дробью относится к изменению концентраций исходных веществ, DС< 0; знак (+) - к изменению концентраций продуктов реакции, DС > 0.
Мгновенная скорость – это скорость реакции в момент времени t. Она определяется производной от концентрации по времени Vt = (моль/л∙с, моль/л∙час).
Скорость реакции aA + bB → cC + dD экспериментально можно определять либо по убыли концентраций исходных веществ, либо по увеличению концентраций продуктов реакции:
Vt = = = =
Под механизмом химической реакции понимают последовательность отдельных стадий процесса, приводящих к продуктам реакции. Стадия, имеющая наименьшую скорость, называется лимитирующей. Она определяет скорость процесса в целом.
Основными факторами, влияющими на скорость химической реакции, являются: а) природа реагирующих веществ; б) концентрация реагирующих веществ; в) давление (если в реакции участвуют газы); г) температура; д) наличие катализатора; ж) площадь поверхности раздела фаз (для гетерогенных реакций).
ВЛИЯНИЕ КОНЦЕНТРАЦИИ РЕАГИРУЮЩИХ ВЕЩЕСТВ НА СКОРОСТЬ ХИМИЧЕСКОЙ РЕАКЦИИ
Влияние концентрации на скорость химической реакции выражается законом действующих масс: «При постоянной температуре скорость химической реакции пропорциональна произведению концентраций реагирующих веществ в степенях, равных их стехиометрическим коэффициентам». Закон справедлив только для элементарных реакций.
В общем виде для реакции аА+ bB = cC аналитическое выражение закона действующих масс будет иметь вид:
= [A]a[B]b, где a и b – порядки реакции по каждому реагенту, соответствующие стехиометрическим коэффи-циентам.
Для конкретной реакции: I2(г) + H2(г) ⇄ 2HI(г) уравнение скорости для прямой реакции будет = [I2][H2], а для обратной: = [HI]2. В этих уравнениях и – константы скорости прямой и обратной реакций. Константа скорости – это скорость реакции при концентрации реагирующих веществ, равных единице. Таким образом, константу скорости можно рассматривать как удельную скорость.
В случае гетерогенных процессов, когда реакция протекает на границе раздела фаз, в уравнение скорости
входят концентрации только газообразных или растворенных веществ. Концентрация твердого вещества в процессе реакции остается постоянной и в уравнение скорости реакции не включается.
Например, для гетерогенной реакции Si(тв) + O2(г) = SiO2(тв) уравнение скорости прямой реакции будет = [O2].