Влияние концентраций веществ на скорость химической реакции

Чтобы вещества прореагировали, необходимо, чтобы их молекулы столкнулись. Вероятность столкновения двух людей на оживленной улице гораздо выше, чем на пустынной. Так и с молекулами. Очевидно, что вероятность столкновения молекул на рисунке слева выше, чем справа. Она прямо пропорциональна количеству молекул реагентов в единице объема, т.е. молярным концентрациям реагентов. Это можно продемонстрировать с помощью картинки:

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.

Зависимость скорости реакции от концентрации реагирующих веществ определяется законом действующих масс (з.д.м.): при постоянной температуре скорость химической реакции прямо пропорциональна произведению концентраций реагирующих веществ, взятых в степенях, равных стехиометрическим коэффициентам в уравнении реакции.

В гомогенной системе реакционным пространством служит объем сосуда, в котором протекает взаимодействие.

В общем случае для гомогенной реакции

ν_AА + ν_BВ = ν_DD + ν_FF

скорость прямой реакции зависит от концентрации исходных веществ:

, (3)

а скорость обратной реакции – от концентрации продуктов реакции:

, (4)

где и - константы скорости прямой и обратной реакции, соответственно, c(A), c(В), c(D) и c(F) – молярные концентрации соответствующих веществ, моль/л.

Физический смысл константы скорости реакции – это скорость реакции при концентрациях реагирующих веществ, равных единице (1 моль/л). Константа скорости реакции зависит от природы веществ и от температуры и не зависит от концентрации реагирующих веществ. Поэтому константа скорости остается неизменной в ходе реакции.

Например:

2СО_(г) + О_2(г) = 2СО_2(г) (5)

скорость прямой реакции (6)

cкорость обратной реакции (7)

Вгетерогенной системе реакция осуществляется на поверхности раздела фаз. Поверхность раздела фаз является в этом случае реакционным пространством. Концентрация компонента, находящегося в конденсированной фазе, постоянна. Значение этой постоянной включается в величину k и не учитывается в законе действующих масс.

Например, для гетерогенной реакции

2Zn_(кр) +O_2(г) = 2ZnO_(кр) (8)

скорость прямой реакции – ; (9)

а скорость обратной реакции – . (10)

Сама зависимость скорости реакции от концентрации реагентов носит название кинетического уравнения реакции, показатели степени при концентрациях реагентов называются порядком реакции по этому реагенту, а их сумма – общий порядок реакции.

Например, процессу синтеза йодоводорода из простых веществ H_2(г) + I_2(г) = 2HI_(г)

отвечает кинетическое уравнение . Реакция имеет первые порядки по водороду и йоду и общий второй порядок.

Но порядки реакции не следует отождествлять со стехиометрическими коэффициентами. Эти понятия имеют совершенно разный физический смысл. Порядок реакции – это экспериментальная величина, существенно зависящая от механизма процесса, а стехиометрический коэффициент показывает соотношение числа молей участников реакции в итоговом уравнении реакции.