Химическая кинетика реакций. Основные положения и понятия.

Химической кинетикой называется учение о скорости химиче­ских реакций и ее зависимости от различных факторов — природы и концентрации реагирующих веществ, давления, температуры, ка­тализаторов.

Скорости химических реакций могут значительно различаться. Например, некоторые реакции совершаются в тысячные доли се­кунды (взрыв), другие же протекают в течение значительно более длительного времени. Так, ржавчина на железе становится заметна уже через несколько часов после того, как оно пришло в контакт сводой или влажным воздухом, а образование антрацита в земной коре протекает в течение сотен и тысяч лет.

Вопрос о скорости химических реакций имеет исключительно большое практическое и теоретическое значение. От скорости ре­акции в различных технологических процессах зависят производи­тельность и габариты заводской аппаратуры, течение тех или иных биологических процессов, эффективность действия на живой организм различных лекарственных препаратов.

Чтобы получить в единицу времени наибольшее количество вы­рабатываемого продукта, необходимо максимальное увеличение скоростей реакций, лежащих в основе того или иного химического процесса. С другой стороны, вредные, нежелательные процессы — коррозию металлов, окисление каучука — необходимо как можно больше замедлить. Поэтому изучение законов химической кинети­ки, открывающее путь к сознательному регулированию скоростей реакций, имеет исключительно важное значение для практики. Управление химическим процессом является главной задачей хи­мической кинетики.

Прежде чем приступить к обсуждению закономерностей, управ­ляющих развитием реакции, остановимся на самом понятии скоро­сти химической реакции.

Под скоростью реакции понимают изменение концентрации реагирующих веществ в единицу времени. При этом концентрацию обычно выражают числом молей вещества на единицу объема ре­акционной смеси (обычно — на 1 л), время—в секундах, минутах и т. п. Чтобы вычислить скорость реакции, необходимо знать, на­сколько изменилась концентрация одного из реагирующих веществ в единицу времени. Например, за какой-то промежуток времени ∆t=t₂—t₁концентрация реагирующих веществ уменьшается на

—∆С=С₁—С₂ (рис.2.1). Тогда сред­няя скорость реакции за промежуток времени ∆t:

Знак минус в правой части выраже­ния (2.0l) означает, что концентра­ция реагирующих веществ, а следо­вательно, и скорость химической ре­акции уменьшаются.

Средняя скорость не отражает истинной скорости в каждый момент времени, поэтому математически ис­тинную скорость υреакции в данный момент принято выражать от­ношением бесконечно малого изменения концентрации dC к беско­нечно малому отрезку времени dt, в течение которого произошло из­менение концентрации:

Скорость химической реакции по закону действия масс пропор­циональна концентрации реагирующего вещества в данный момент времени. Так, для реакции типа А→В скорость реакции может быть выражена следующим кинетическим уравнением:

2.03

где С_а — концентрация вещества А в данный момент; k — коэффи­циент пропорциональности, который носит название константы ско­рости химической реакции.

При взаимодействии двух веществ или более, т. е. для реакций типа

mA + nB→ pC,

математическое выражение скорости будет

2.04

где С _а и С_В — концентрации веществ А и В в данный момент вре­мени. Таким образом, скорость химической реакции прямо пропор­циональна произведению концентраций реагирующих веществ. При­чем стехиометрические коэффициенты входят в уравнение скорости в виде показателя степени при соответствующих концентрациях.

Коэффициент пропорциональности, или константа скорости хи­мической реакции, не меняется при изменении концентраций А и В. Иногда k называют еще удельной скоростью реакции, т. е. скоро­стью реакции при концентрациях реагирующих веществ, равных единице. Удельная скорость реакции зависит от природы реагирую­щих веществ, температуры, присутствия посторонних примесей (в частности, катализатора), а также среды, в которой протекает ре­акция. Значение k зависит также от выбора единиц концентрации и времени.

Чем больше константа скорости k, тем быстрее идет реакция.