Химическая  кинетика – раздел химии, изучающий скорость химических реакций, механизм и факторы, от которых зависит скорость.

Скорость реакции  – изменение количества вещества в единицу времени. Для гомогенных реакций определяется формулой:

                                  , [моль/л·с],                             

где V - объем реакционной системы, n - количество вещества, t - время.

Скорость не может быть отрицательной величиной. Поэтому знак минус ставится перед выражением, если учитывается изменение концентрации реагентов, так как в ходе реакции их количество уменьшается, и Dν принимает отрицательное значение.

 Для гетерогенных реакций, протекающих на поверхности твердого тела, скорость рассчитывается как изменение количества вещества на единице поверхности в единицу времени:

                                      , [моль/м²·с].                               

В целом скорость химического взаимодействия зависит от природы реагирующих веществ, их концентрации, что отражено в законе действующих масс, наличия катализатора. Влияние температуры описывается правилом Вант-Гоффа и уравнением Аррениуса. Скорость гетерогенных взаимодействий с участием веществ в твердой фазе прямо пропорциональна площади реакционной поверхности. Скорость превращения газов зависит от величины давления в системе: при повышении давления скорость возрастает. Так как давление обратно пропорционально объему системы, то увеличение объема снижает скорость реакции газообразных веществ.

Закон действующих масс  (закон действия масс): при постоянной температуре скорость химической реакции прямо пропорциональна произведению концентраций реагирующих веществ. Авторы закона − Гульдберг и Вааге (1864−1867 гг.). Для реакции аА + bB ® cC + dD выражение закона действия масс (кинетическое уравнение) имеет вид:

                                             k ,                                    

где k – константа скорости реакции, C_А и C_B – концентрации реагентов, a и b – частные порядки реакции по веществам А и B (в простейших случаях равны стехиометрическим коэффициентам).

Правило Вант-Гоффа  описывает влияние температуры на скорость реакции: при повышении температуры на каждые десять градусов скорость химической реакции возрастает в 2÷4 раза. Математически:

                                       ,                                          

где υ₂ – скорость при температуре t₂, υ₁ – скорость при температуре t_1, γ – температурный коэффициент.

Образцы решения задач

Задача 1 . Начальные концентрации веществ А и В в реакции                               2А_(г) + В_(г) = 2С_(г) равны соответственно 0,6 моль/л и 0,4 моль/л. Определите скорость реакции в начальный момент времени и в момент времени, когда концентрация вещества А изменилась на 0,2 моль/л. k = 0,2.

Решение: Запишем выражение закона действия масс: u = kС_А²·С_В

Рассчитаем начальную скорость реакции:

u_нач. = 0,2 × (0,6 моль/л)² × 0,4 моль/л = 0,029 моль/л×с.

Чтобы найти скорость реакции в какой-то момент времени (u_кон.), нужно предварительно рассчитать концентрации исходных веществ к этому моменту времени С_кон.А и С_кон.В. Следует учитывать, что концентрации исходных веществ в ходе реакции уменьшаются, а концентрации продуктов – увеличиваются, т.е. для исходных веществ С_кон. = С_нач. - DС.

С_кон.А = С_нач.А – DС_А = 0,6 моль/л – 0,2 моль/л = 0,4 моль/л.

Чтобы найти изменение концентрации В, нужно учитывать, что вещества вступают в реакции в таких же количественных соотношениях, что и коэффициенты в уравнениях реакций, то есть изменения концентраций веществ пропорциональны коэффициентам.

По уравнению реакции 2 моль А  реагируют с 1 моль В, тогда

                                        0,2 моль/л А –"– х моль/л В,

                                     отсюда х = DС_В = 0,2/2 = 0,1 моль/л.

С_кон.В = С_нач.В – DС_В = 0,4 моль/л – 0,1 моль/л = 0,3 моль/л.

Рассчитаем скорость реакции в заданный момент времени:

u_кон. = k С²_кон.А × С_кон.В = 0,2×(0,4 моль/л)²×0,3 моль/л = 0,0096 моль/л×с.

Задачи такого типа можно решать с помощью таблицы:

Сначала в таблицу вносят данные задачи и начальные концентрации продуктов реакции, по умолчанию равные нулю:

Затем по известной величине изменения концентрации одного из веществ путем устных рассуждений находят изменение концентраций и конечные концентрации остальных веществ, необходимые для решения задачи:

Остальные расчеты производятся как обычно (см. выше)

Задача 2 . Как изменится скорость реакции 2А_(т) + 3В_(г) = С_(т)  :

а) при увеличении давления в системе в 2 раза; 

б) при увеличении объема системы в 3 раза;  

в) при повышении температуры на 30° (g = 2)?

Решение: Данная реакция является гетерогенной, и выражение закона действия масс для нее выглядит следующим образом:

u = kС_В³×S.

а) Для газообразных веществ давление прямо пропорционально концентрации, и при увеличении давления в 2 раза концентрация вещества В увеличится в 2 раза.

u¢ = k(2С_В)³×S = 8kС_В³×S = 8u,

т.е. скорость реакции увеличится в 8 раз.

б) Объем и давление обратно пропорциональны друг другу, и при увеличении объема в 3 раза давление уменьшится в 3 раза, и соответственно в 3 раза уменьшится концентрация газообразного вещества.

u¢ = k(⅓С_В)³×S = 1/27(kС_В³×S) = 1/27u,

т.е. скорость уменьшится в 27 раз.

в) Зависимость скорости реакции от температуры выражается правилом Вант‑Гоффа:

; ,

т.е. скорость реакции увеличится в 8 раз.

Задание 6 по теме «Химическая кинетика»