Влияние концентрации на скорость химической реакции

Зависимость скорости реакции от концентрации реагирующих веществ сформулирована в законе действующих масс: “ При постоянной температуре скорость химической реакции прямо пропорциональна произведению концентраций реагирующих веществ в степенях, равных их стехиометрическим коэффициентам”

Например: для реакции mA+nB→pAB

математическое выражение закона действующих масс:

υ = k [A]^m ∙ [B]ⁿ ( иначе – кинетическое уравнение реакции),

где [A] и [B] - концентрации реагирующих веществ А и В;mиn– стехиометрические коэффициенты;k– коэффициент пропорциональности, названный константой скорости.

Физический смысл константы скорости заключается в том, что при концентрациях реагирующих веществ равных 1,0 моль/л([A]=[B] = 1моль/л), скорость химической реакции равна константе скорости (υ=k). Константа скорости зависит только от природы реагирующих веществ и от температуры, но не зависит от концентрации веществ.

Математическая запись закона действующих масс для гомогенных и гетерогенных систем имеет некоторые отличия. Для гетерогенных реакций в кинетическое уравнение входят концентрации только тех веществ, которые находятся в системе в растворе или в газовой фазе. Концентрация же веществ, находящихся в твердом состоянии на поверхности в течение реакции остается постоянной, поэтому ее величина учитывается в константе скорости реакции.

Например: для гомогенной реакции 2H_2(г)+O_2(г)= 2H₂O_(г)

выражение закона: υ = k∙ [H₂]²∙ [O₂];

для гетерогенной реакции С_(тв)+O_2(г)=СО_2(г)

выражение закона υ = k _эф∙ [O₂ ]

Элементарной называют реакцию прямого превращения молекул исходных веществ в молекулы продуктов реакции. Элементарная реакция состоит из большого числа однотипных элементарных актов химического превращения.

Число молекул, участвующих в элементарном акте химического превращения, называют молекулярностьюреакции . Если в результате элементарного акта химического превращения изменение претерпевает одна молекула, реакцию называют мономолекулярной (), 2 – бимолекулярной (), 3 – тримолекулярной (). Элементарных химических актов с одновременным участием 4 молекул не бывает, так как вероятность одновременного столкновения четырех молекул ничтожно мала.

Молекулярность реакции равна сумме стехиометрических коэффициентов, выражающих число молекул, участвующих в элементарном акте химического превращения. Так для бимолекулярной реакции (210) определиться как

.

Таким образом, молекулярность реакции равна: 1, 2 и реже 3.

Если реакция (210) выражает элементарный акт химического взаимодействия, то скорость реакции можно выразить:

, (211)

Большинство химических реакций являются сложными и включают несколько элементарных стадий химического превращения, каждая из которых может быть моно-, би- или реже тримолекулярной. Стадии могут сильно различаться по своим скоростям. Самая медленная стадия химической реакции определяет скорость процесса и называется лимитирующей. Лимитирующая стадия может быть одна, или их может быть несколько, когда две или несколько стадий протекают с близкими скоростями.

Если механизм реакции не изучен и лимитирующая стадия не выявлена, то закон действия масс (211) применяют формально для описания скорости сложных реакции. Если уравнение (210) отражает протекание сложной реакции, то ее скорость можно выразить:

, (212)

где , – эмпирические коэффициенты, которые называют частными порядками химической реакции по данному веществу;

– константа скорости реакции.

Сумму частных порядков – называют порядком химической реакции. Частные порядки реакции в общем случае не равны стехиометрическим коэффициентам и могут совпадать с ними лишь для элементарных реакций. Частные порядки и общий порядок реакции определяются только экспериментально. Порядок реакции может принимать значения целые, дробные, отрицательные и может быть равен нулю.