Химия. Полный справочник для подготовки к ЕГЭ

В гомогенных(однородных) системах исследуется скорость реакции между реагентами, не имеющими границы раздела (газовые реакции, реакции в растворах). В гетерогенныхсистемах изучается скорость реакции на поверхности раздела между реагирующими веществами (например, А – твердое вещество, В – газ или А – твердое вещество, В – вещество в растворе).

Для гомогенных систем скорость реакции – это изменение концентраций реагентов или продуктов в единицу времени:

где v– скорость реакции, моль/(л с);

c _реаг= (с' _реаг– с" _реаг) - уменьшениеконцентрации реагентов, моль/л, за промежуток времени = ₂– ₁;

c _прод= (с" _прод– с' _прод) – увеличениеконцентрации продуктов, моль/л, за тот же промежуток времени.

В начальный момент времени ( = 0) концентрация реагентов наибольшая, а концентрация продуктов равна нулю. В процессе реакции концентрация реагентов уменьшается, а концентрация продуктов растет.

К факторам, влияющим на скорость реакции, относятся природа реагентов, катализатор, температура, концентрация реагентов.

1. Природа реагентов.Здесь большую роль играет характер химических связей в соединениях, строение их молекул. Например, выделение водорода цинком из раствора хлороводорода происходит значительно быстрее, чем из раствора уксусной кислоты, так как полярность связи Н – Cl больше, чем связи О – Н в молекуле СН ₃СООН; иначе говоря, из-за того, что НCl – сильный электролит, а СН ₃СООН – слабый электролит в водном растворе.

Чем больше поверхность соприкосновения реагирующих веществ, тем быстрее протекает реакция. Поверхность твердого вещества может быть увеличена путем его измельчения или растворения (если вещество растворимо). Реакции в растворах протекают практически мгновенно.

2. Катализаторы.Большое влияние на скорость реакции оказывают катализаторы– вещества, увеличивающиескорость реакции (часто от нуля до очень больших значений), но не входящие в состав продуктов. Увеличение скорости реакции под влиянием катализаторов называется катализом.Во многих случаях катализаторы образуют с одним из реагирующих веществ промежуточное соединение, которое реагирует с другим исходным веществом, в результате получается продукт и высвобождается катализатор.

Иногда употребляют отрицательные катализаторы — ингибиторы,которые, наоборот, замедляютнежелательные химические реакции (например, коррозию металлов).

3. Температура.Для газовых реакций известно, что при повышении температуры на десять градусов( Т= 10 К или t= 10 °C) скорость реакции возрастает в 2–4 раза ( правило Вант-Гоффа).Для скорости реакции ₂и  ₁при значениях температуры t ₂и t ₁имеем:

₂= ₁^0,1(t ₂-t ₁),

где – температурный коэффициент скорости реакции, = 2–4.

Для реакций в растворах скорость также увеличивается с ростом температуры и часто в той же мере, как и для газовых реакций.

При повышении температуры возрастает число активныхмолекул, т. е. таких молекул, которые в момент столкновения обладают большей энергией и могут образовать продукты.

Как показывают исследования, активных молекул в реакционной среде при обычных условиях очень мало. Иначе все реакции между газами протекали бы мгновенно, и в воздухе не было бы, например, свободного кислорода, необходимого для дыхания. Реакции между газами при обычных условиях практически не идут (встречаются исключения, например, при 20 °C полностью протекает реакция 2NO + O ₂= 2NO ₂).

4. Концентрация реагентов.Чтобы произошло взаимодействие, частицы реагирующих веществ в гомогенной среде должны столкнуться. Число столкновений пропорционально числу частиц реагирующих веществ в объеме реактора, т. е. молярным концентрациям этих веществ.

Чем большие количества веществ взяты для реакции в данном объеме системы, т. е. чем вышеконцентрация реагентов, тем больше число столкновений частиц и тем большескорость реакции. Зависимость скорости реакции от концентрации реагентов распространяется на газовые смеси и растворы.

Установлено, что:

Скорость химической реакции прямо пропорциональна произведению молярных концентраций реагентов

если для реакции необходимо столкновение двухреагирующих молекул. Эта зависимость носит название кинетического закона действующих масс(К. Гулльберг, П. Воге, 1867)

Для гомогеннойреакции А + В ->… этот закон изображается уравнением

= kc_Ac_B,

где k – константа скорости реакции [л/(моль с)], зависящая от природы реагентов, присутствия катализатора и температуры, но не зависящая от концентрации реагентов и численно равная скорость реакции при условии с _Ас _в= 1.