Скорость химической реакции — изменение количества вещества одного из реагирующих веществ за единицу времени в единице реакционного пространства. Является ключевым понятием химической кинетики. Скорость химической реакции — величина всегда положительная, поэтому, если она определяется по исходному веществу (концентрация которого убывает в процессе реакции), то полученное значение домножается на −1.

Скорость химической реакции в каждый момент времени пропорциональна концентрациям реагентов, возведенным в некоторые степени.

Для элементарных реакций показатель степени при значении концентрации каждого вещества часто равен его стехиометрическому коэффициенту, для сложных реакций это правило не соблюдается. Кроме концентрации на скорость химической реакции оказывают влияние следующие факторы:

природа реагирующих веществ,

• --list--наличие катализатора,
• --list--температура (правило Вант-Гоффа),
• --list--давление,
• --list--площадь поверхности реагирующих веществ.

Если мы рассмотрим самую простую химическую реакцию A + B → C , то мы заметим, что мгновенная скорость химической реакции величина непостоянная.

· В первую очередь - от природы веществ: одни вещества реагируют мгновенно, другие - медленно.

· Затем - от концентрации реагентов: чем она больше, тем чаще будут сталкиваться частицы.

 

Влияние природы реагентов на скорость химической реакции

Константа скорости реакции зависит в первую очередь от природы реагирующих веществ. Калий быстрее взаимодействует с водой, чем натрий, а литий - еще медленнее натрия. Водород реагирует с кислородом очень быстро (часто со взрывом), а азот с кислородом - крайне медленно и лишь в жестких условиях (электрический разряд, высокие температуры).

Под «природой реагирующих веществ» понимают:

1. для веществ молекулярного строения - тип химических связей в молекулах реагентов, прочность связей. Чтобы молекула прореагировала, связь в ней необходимо разорвать.

2. для веществ немолекулярного строения (ионный или атомный кристалл) - строение кристаллической решетки, ее прочность.

3. для веществ, у которых «молекула» состоит из одного атома (например, металлы, благородные газы) - строение электронной оболочки атома, прочность связывания внешних электронов.

4. для молекул сложной формы - вероятность благоприятного для реакции взаимного расположения реагентов при соударении.

Влияние концентраций веществ на скорость химической реакции

Чтобы вещества прореагировали, необходимо, чтобы их молекулы столкнулись. Очевидно, что вероятность столкновения молекул прямо пропорциональна количеству молекул реагентов в единице объема, т.е. молярным концентрациям реагентов.

В середине XIX в. (1865 г. - Н.Н. Бекетов, 1867 г. - К. Гульдберг, П. Вааге) был сформулирован основной постулат химической кинетики, называемый также законом действующих масс: скорость химической реакции прямо пропорциональна произведению концентраций реагирующих веществ в степенях, равных коэффициентам перед формулами веществ в уравнении реакции: ? = k [A]^{а *} [B] ^b, для реакции aA + bB = cC + dD, где ? - скорость химической реакции; [А] - концентрация вещества А; [В] - концентрация вещества В; k - константа скорости реакции (коэффициент пропорциональности); а и b - коэффициенты в уравнении реакции.

Если [А]= [В]= 1 моль/л, то скорость химической реакции (?) равна константе (k). Константа скорости реакции зависит от природы реагирующих веществ, температуры, но не зависит от концентрации вещества.

Например, напишем кинетическое уравнение для реакции синтеза аммиака

N_{2 (г)} + 3 H2 (г) - 2 NH_{3 (г)}: ? = k [N₂] ^* [H₂] ³.

В закон действующих масс не входят концентрации твердых веществ, т. к. реакции с твердыми веществами протекают на их поверхности, где «концентрация» вещества постоянна.

 

Природа реагирующих веществ. Необходимым, но недостаточным условием осуществления химического взаимодействия между частицами является их столкновение. Взаимодействие происходит лишь в том случае, если частицы приближаются на расстояние, на котором становится возможным перераспределение электронной плотности. Следовательно частица должна обладать некоторой энергией для преодоление энергетического барьера другой частицы, которая называется энергией активации Ea. Для атомов – это энергия отталкивания между электронными облаками, для молекул – энергия разрыва связей. Однако для большинства молекул реакция протекает через образование так называемого активированного комплекса. При обычных условиях достаточно быстро протекают реакции с Ea<100 кДж.

Концентрация реагентов. Закон действия масс: скорость гомогенной реакции в каждый момент времени пропорциональна произведению концентрации реагирующих веществ, возведенных в некоторую степень. V=kCaNaCbNb. В общем случае Na№ n a и Nb№ n b. K зависит от тех же факторов, что и сама скорость. Численные значения k зависят от выбора единиц времени и концентраций. Na и Nи – частные порядки реакций, их сумма называется общим порядком реакции. Порядок реакции может принимать произвольные значения. Порядок реакции совпадает со стехиометрическими коэффициентами, если реакция простая и концентрация первого вещества искуственно поддерживается постоянной.

Скорость любого гетерогенного процесса возрастает при увеличении поверхности контакта фаз. Для этого используют измельчение твердой фазы.

В уравнении закона действия масс для гетерогенной реакции концентрация твердой фазы не учитывается. Например, для горения углерода  C(т) + O₂(г) ® CO₂(г)  выражение закона действия масс выглядит следующим образом:

v = k×[O₂]

Разумеется, характеристики твердого веществаПод характеристиками твердого вещества здесь понимаются его химическая природа (состав), форма и размеры частиц, дефекты кристаллической структуры и т.д. влияют на скорость реакции, но это влияние отражается величиной константы скорости k.