Тема занятия: Скорость химических реакций

Тема занятия: Скорость химических реакций.

Скорость – это изменение какого-либо параметра во времени. Например, скорость роста растения – изменение длины растения за единицу времени, скорость равномерного движения – изменение пройденного пути за единицу времени. А как можно измерить скорость химической реакции?

Основной характеристикой количества вещества в химии является единица, которая так и называется – количество вещества, n (моль).

Таким образом, скорость химической реакции может быть определена как изменение количества реагирующих или образующихся веществ за единицу времени:

U = Dn/t.

Удобен ли такой подход, отражает ли он особенности протекания химических реакций? Давайте разберемся.

Химические реакции можно разделить на две группы:

1. гомогенные (однородные) реакции, которые идут в одной фазе и, следовательно, протекают по всему объему реакционной системы. Например, оба реагента находятся в виде водных растворов, газовой фазе.

N2(газ) + 3H2(газ) = 2NH3(газ)

2. гетерогенные (разнородные) реакции, в которые вступают реагенты, находящиеся в разных фазах. Такие реакции протекают только на границе между фазами. Например, в реакцию вступают твердые и жидкие вещества, несмешивающиеся жидкости и т. д.

С(графит) + О2(газ) = СО2(газ)

Гомогенные реакции осуществляются по всему объему реакционной системы, причем, так как газообразные вещества занимают весь предоставленный им объем, объем реакционной системы можно считать постоянным. Отнесем изменение концентрации к объему, что даст нам новую формулу для расчета скорости химической реакции:

Uгомог = Dn/Vt.

Однако, нам известно, что n/V = C, где С – молярная концентрация. Молярная концентрация – это количество вещества, содержащегося в одном литре раствора (моль/л).

Таким образом:

Uгомог = DС/t.

Скорость гомогенной реакции можно рассчитать как изменение молярной концентрации реагента или продукта реакции за единицу времени.

Проведем подобный расчет:

Какова скорость взаимодействия между оксидом серы(IV) и кислородом в сосуде объемом 0,5 л если за 10 с масса кислорода в реакционной системе уменьшилась с 32 г в начале реакции до 8 г к текущему моменту?

1. Найдем начальную и конечную молярные концентрации кислорода:

C = n/V, так как n = m/M, то С = m/MV.

С1 = 32 г/(32 г/моль х 0,5 л) = 2,0 моль/л

С2 = 8 г/(32 г/моль х 0,5 л) = 0,5 моль/л

2. Найдем изменение молярной концентрации:

DС = |С1 – С2| = 2,0 – 0,5 = 1,5 (моль/л)

3. Рассчитаем скорость гомогенной реакции:

U = DC/t

U = 1,5/10 = 0,15 моль/л с

Ответ: скорость взаимодействия оксида серы(IV) по кислороду составила 0,15 моль/л с.

Однако, применим ли подобный подход к гетерогенным реакциям?

Конечно же, нет. Так как гетерогенные реакции осуществляются не в объеме реакционной системы, а только на границе раздела фаз, то изменение количества вещества следует отнести к площади поверхности раздела фаз (площади поверхности соприкосновения реагирующих веществ) на начало реакции.

U = Dn/St.

Попробуем провести расчет скорости для гетерогенной реакции.

Какова скорость реакции взаимодействия магния с раствором серной кислоты, если радиус шарообразной гранулы магния за 5 с изменился с 4 мм до 1,5 мм? Плотность магния 1,74 г/см3.

1. Найдем массу гранулы цинка в начальный и конечный момент:

m = Vr

Так как гранулы шарообразные, то

V = 4/3pr3, следовательно

m = 4/3pr3r

m1 = 4/3 х 3,1416 х (0,4 см)3 х 1,74 г/см3 = 0,4665 г

m2 = 4/3 х 3,1416 х (0,15 см)3 х 1,74 г/см3 = 0,0246 г

2. Найдем количество магния в начальный и конечный момент, и его изменение.

n = m/M

n1 = 0,4665 г/24 г/моль = 0,0194 моль

n2 = 0,0246 г/24 г/моль = 0,001025 моль

Dn = 0,0194 – 0,001025 = 0,0184 (моль)

3. Найдем площадь поверхности гранулы цинка:

Так как гранулы шарообразные, то

S = 4pr2

S1 = 4 х 3.1416 х (0,4 см)2 = 2,0106 см2

4. Рассчитаем скорость реакции:

U = Dn/St

U = 0,0184 моль/ (2,0106 см2 х 5 с) = 0,00183 моль/см2 с.

Ответ: скорость взаимодействия магния с серной кислотой, отнесенная к площади поверхности соприкосновения реагирующих веществ в начальный момент составила 0,00183 моль/см2 с.

Вы, наверное, уже обратили внимание на то, что в данных формулах для расчета скорости реакций не учитывается, что молярная концентрация веществ и площадь поверхности раздела фаз не являются постоянными величинами, а изменяются на каждый момент времени. Таким образом, данные формулы применимы только для расчета средних скоростей реакции за определенный промежуток времени.

Для расчета мгновенных значений скорости используют формулу, составленную на основании закона действия масс.

Закон действия масс: скорость химической реакции прямо пропорциональная произведению мгновенных молярных концентрация исходных веществ, возведенных в степень, равную их стехиометрическим коэффициентам.

Для реакции

аА + bВ = сС + dD,

имеем U = k[A]a[B]b.

Здесь запись [A] обозначает мгновенную молярную концентрацию вещества А.

Следует иметь в виду, что молярные концентрации веществ, находящихся в твердой фазе принимают равными 1 (их нельзя принять равными 0, так как в этом случае все произведение обратится в 0).

Коэффициент пропорциональности k называется константой скорости химической реакции и является величиной постоянной для данной реакции при данной температуре.

Рассмотрим применение закона действия масс на примере:

1. Какова формула для расчета мгновенной скорости для реакции:

N2)газ) + 3H2(газ) = 2NH3(газ)

U = k[N2][H2]3

2. Какова формула для расчета мгновенной скорости для реакции:

C(графит) + 2H2(газ) = СH4(газ)

U = k[H2]2

3. Какова мгновенная скорость данной реакции, если равновесная концентрация хлороводородной кислоты составляет 1,2 моль/л, константа скорости 0,024 л/моль с?

Zn(тв) + 2HCl(р-р) = ZnCl2 + H2

U = k[HCl]2

U = 0,024 л/моль с х (1,2 моль/л)2 = 0,03456 моль/л с.