Залежність швидкості реакції від концентрації реагентів і тиску

1. Вплив концентрації реагентів на швидкість хімічної реакції

Вплив концентрації реагентів можна пояснити на основі теорії зіткнень, згідно з якою хімічна взаємодія є результатом зіткнення частинок речовин, що вступають в реакцію. Збільшення числа частинок в об’ємі призводить до підвищення частоти їхніх зіткнень (Рис. 1), а значить до збільшення швидкості реакції.

Мал. 1. Збільшення числа частинок в об’ємі призводить до підвищення частоти їхніх зіткнень

Більшість хімічних реакцій є складними процесами, під час яких  можуть відбуватися декілька послідовних і паралельних  стадій, що відбуваються з різною швидкістю. Тому надалі будемо розглядати залежність швидкості від концентрації тільки елементарних реакцій – одностадійних реакцій, які не можуть бути представлені простішими хімічними перетвореннями.

Закон, який встановлює співвідношення між концентрацією реагентів і швидкістю реакції отримав назву закон діючих мас.

• Швидкість елементарної хімічної реакції прямо пропорційна добутку концентрацій реагуючих речовин, взятих у ступенях, що дорівнюють відповідним стехіометричним коефіцієнтам. 

Нехай гомогенна хімічна реакція описується рівнянням

аА + bВ = dD,

де А, В і D – деякі речовини у газоподібному або рідкому стані;

а, b і d – стехіометрічні коефіцієнти в рівнянні реакції.

Тоді математичний вираз закону діючих мас (так зване кінетичне рівняння) має наступний вигляд:

v = kC^a(A)∙C^b(В),

де С(А) і С(В) – молярні концентрації речовин А і В;

а і b – стехіометрічні коефіцієнти в рівнянні реакції;

k – коефіцієнт пропорційності, який називається константою швидкості реакції.

Наприклад, для реакції, що описується рівнянням реакції

2SO_2(г) + O_{2(г) =} 2SO_3(г),

вираз для швидкості реакції має наступний вигляд

v = kC²(SO₂)C(O₂).

Константа швидкості реакції залежить від природи реагуючих речовин, температури, каталізатора і не залежить від концентрації речовин.

Фізичний зміст константи швидкості можна встановити якщо прийняти, що C_A = C_B = 1 моль/л. Тоді k = v, тому константа швидкості чисельно дорівнює швидкості, з якою реагують речовини при концентрації, що дорівнює 1 моль/л.

Константа швидкості дозволяє врахувати розходження між одиницями  швидкості та концентрації. Оскільки швидкість реакції зазвичай виражається в моль/(л∙с), то одиниці константи швидкості будуть визначатися сумою показників ступенів (а + b) в кінетичному рівнянні хімічної реакції – порядком реакції.

Щоб вивести одиницю константи швидкості реакції скористаємось формулою

.

Швидкість гетерогенної реакції (наприклад, взаємодія газу чи рідини з твердою речовиною) за умови незмінності ступеня подрібнення твердої речовини (сталості поверхні розділу фаз) залежить тільки від концентрації речовини, що знаходиться в рідкій чи газоподібній фазі.

Наприклад,  для гетерогенної реакції, що описується рівнянням реакції

СаО _(т) + СО_2(г) = СаСО_3(т),

швидкість залежить лише від концентрації газоподібного реагента, а вираз для швидкості реакції має наступний вигляд

v = kC(СO₂).

 

2. Вплив тиску на швидкість хімічної реакції

На швидкість реакції може впливати тиск тільки у випадку якщо серед реагентів є газоподібні сполуки. Тиск і об’єм газу пов’язані з концентрацією і взаємно пов’язані між собою.

Розглянемо, як обчислюють зміну швидкості реакції зі зміною тиску.

Задача.

Визначити у скільки разів підвищиться швидкість реакції окиснення сульфур(IV) оксиду

2SO_{2 (г)} + O_{2 (г)} = 2SO_{3 (г)},

якщо об’єм газової суміші зменшити в три рази?

Розв’язання

До зміни об’єму швидкість реакції виражалася рівнянням:

υ₁ = kС₁²(SO₂) С₁(O₂).

Внаслідок зменшення об’єму концентрація кожної з реагуючих речовин зросте в три рази, отже:

С₂(SO₂) = 3(SO₂),  

С₂(O₂) = 3С₁(O₂),

υ₂= k (3С₁(SO₂) )² (3С₁(O₂)),

υ_2/υ₁=k (3С₁(SO₂) )² (3С₁(O₂))/kС₁²(SO₂) С₁(O₂) = 3²·3 =27.

Відповідь: швидкість реакції зростає в 27 разів.

Рідини і тверді речовини нестисливі, тому вплив тиску на швидкість протікання реакції у рідкий і твердій фазах  надзвичайно мізерний  і ним можна знехтувати.