ХИМИЧЕСКАЯ КИНЕТИКА И РАВНОВЕСИЕ

О принципиальной осуществимости процесса судят по значению изменения энергии Гиббса системы. Однако, оно ничего не говорит о реальной возможности протекания реакции в данных конкретных условиях, не дает никакого представления о скорости и механизме прцесса. Например, реакция взаимодействия оксида азота (II) с кислородом 2NO + O₂ = 2NO₂, DG⁰ = -70 кДж, проходит очень быстро даже при комнатной температуре. В то время как реакция 2Н₂ + О₂ = 2Н₂О, характеризующаяся значительно большим уменьшением энергии Гиббса (DG⁰ = - 458 кДж), в обычных условиях практически не протекает. Смесь водорода с кислородом сохраняется при комнатной температуре без заметного взаимодействия очень длительное время, но в присутствии катализатора или при 700°С процесс протекает практически мгновенно (со взрывом).

Химическая кинетика – наука о скоростях и механизмах протекания химических реакций. Она

изучает влияние температуры, давления, концентрации реагентов и катализатора на скорость химической реакции, что позволяет находить оптимальные условия протекания или торможения той или иной реакции.

Скорость химической реакции

Реакции могут быть гомогенными и гетерогенными. Гомогенные реакции протекают в однородной среде (например, в газовой фазе или жидком растворе). Гетерогенные реакции протекают в неоднородной среде – между веществами. Которые находятся в разных фазах.

Фазой называется часть системы, отделенная от других частей системы поверхностью раздела, при переходе через которую свойства меняются скачком. В гетерогенной системе не менее двух фаз (например, твердая + жидкая, газообразная + жидкая, твердая + газообразная + жидкая и т.п.).

В гомогенной системе все вещества идеально перемешаны, молекулы реагентов сталкиваются в любой точке системы и реакция протекает равномерно по всему объему системы. За скоростью реакции можно проследить, если фиксировать изменение количества какого-либо из исходных веществ или продуктов реакции в единице объема за единицу времени, тогда: u = Dn/ (V× Dt) = DC/Dt , моль/(л × с), где С – молярная концентрация (моль/л).

В гетерогенной системе реакция протекает на поверхности раздела фаз. Чем больше поверхность, тем больше выход реакции, поэтому скорость процесса относят к единице поверхности.

Таким образом, скоростью химической реакции называется число элементарных актов реакции, происходящих в единицу времени в единице объема (в случае гомогенных реакций) или на единице поверхности раздела фаз (в случае гетерогенных реакций).

Молекулярность реакции. В элементарном акте реакции могут принимать участие одна, две или три молекулы. По этому признаку различают одномолекулярные (мономолекулярные), двухмолекулярные (бимолекулярные) и трехмолекулярные (тримолекулярные) реакции. Вероятность одновременного соударения даже трех молекул очень мала, поэтому трехмолекулярные реакции весьма редки, а четырехмолекулярные неизвестны. В большинстве случаев стехиометрическое уравнение реакции не определяет действительного механизма протекания процесса. Большинство реакций состоит из ряда более простых элементарных стадий, которые сами протекают по одно-, двух- или трехмолекулярному механизму.

Зависимость скорости реакции от концентрации реагирующих веществ. Закон действующих масс.

Скорость реакции возрастает по мере возрастания концентраций реагирующих веществ.

Рассмотрим гомогенные реакции. Скорость гомогенных реакций зависит от числа встреч реагирующих частиц в единицу времени в единице объема. Вероятность одновременного соударения взаимодействующих частиц в свою очередь пропорциональна произведению концентраций реагирующих веществ, например:

- мономолекулярная реакция I_2(г) = 2I u = k× C (I₂)

- бимолекулярная реакция H₂ + I₂ = 2HI u = k× C (H₂) × C (I₂)

2NO = (NO)₂ u = k× C² (NO)

- тримолекулярная реакция О₂ + 2NO = 2NO₂ u = k× C² (NO) × C (О₂)

Полученная закономерность носит название закона действующих масс (Гульдберг и Вааге, 1867г.)