Закон за действащите маси
§ 6. Скоростта на химичните реакции
Времето на химичните реакции варира в много широк диапазон - от 10 - 14 s (реакция H + H 2 → H 2 + H в газовата фаза) до милиони години (образуване на въглища от растителни остатъци). Някои реакции могат да отнемат години, като например корозията на желязото или ферментацията (ферментацията) на гроздовия сок, което води до вино. Други завършват за няколко дни, като реакцията на етилов алкохол със солна киселина. Трети завършват много бързо, например обменни реакции между йони в разтвори. Мигновено, за милионни от секундата, експлозивните реакции приключват.
За количествено характеризиране на скоростта на реакцията обаче не се използва времето за реакция, а друга стойност - скоростта на промяна на броя на частиците в единица обем, докато броят на частиците обикновено се измерва в молове. Ако по време на реакционното време t \u003d t 2 - t 1 в обем V Δν \u003d ν 2 - ν 1 се образуват мола от продукта, тогава средната скорост на реакция ω може да се определи като съотношението
Ако реакцията протича при постоянен обем, тогава скоростта на реакцията може да се изрази като промяна в моларната концентрация (c = ν/V) на продукта:
където c 1 и c 2 са моларните концентрации на веществото в моменти t 1 и t 2. Ако в реакцията се образуват няколко продукта, тогава скоростта на реакцията може да се определи от концентрацията на всеки от тях.
Почти всички химични реакции в разтвор или в газова фаза възникват при сблъсък на молекули. Колкото повече сблъсъци, толкова по-бърза е реакцията. Броят на сблъсъците зависи от броя на молекулите в единица обем, т.е. концентрация, така че скоростта на реакцията зависи от концентрациите на реагентите. Някои реакции протичат без сблъсък на частици, с разпадане на единични молекули. Въпреки това, дори и тук скоростта на реакциянараства с концентрация: колкото повече молекули, толкова повече се разпадат.
Ако молекулите реагираха при всеки сблъсък, тогава всички химични реакции щяха да приключат моментално, а много от тях с експлозия. Всъщност някои молекули при сблъсък се превръщат в продукти на реакцията, докато други не. Това зависи от енергията, която е необходима за прекъсване или отслабване на "старите" химични връзки. Ако се сблъскат "активни" молекули, които имат определено количество енергия, тогава те могат да реагират една с друга; ако енергията на молекулите е малка, тогава сблъсъкът не води до реакция: молекулите се сблъскват и се разлитат, няма химическа трансформация. Следователно, колкото по-голяма е енергията на молекулите, толкова по-голяма е скоростта на реакцията. А енергията на молекулите зависи от температурата. Следователно, вторият най-важен фактор, който определя скоростта на реакцията
2 tsii - температура. Скоростта на по-голямата част от реакциите се увеличава с повишаване на температурата.
За хетерогенни реакции, които протичат на повърхността на реагиращите фази, големината на тази повърхност е от голямо значение. Колкото по-голяма е стойността на повърхността на разделяне на фазите, толкова по-голяма е скоростта на хетерогенната реакция.
В много случаи скоростта на реакцията може да се увеличи или намали до желаната стойност с помощта на специални вещества - катализатори. Те променят скоростта на реакцията, но самите те не се консумират в резултат. Действието на катализаторите се обяснява с факта, че те насочват реакцията по различен, енергийно по-изгоден път.
По този начин скоростта на химичните реакции зависи от: а) природата на реагентите; б) концентрация на реагиращите вещества; в) температура; г) наличието на катализатори.
Зависимостта на скоростта на реакцията от концентрацията. Реакциите са прости и сложни. Прости реакции (наричани ощеелементарни) протичат на един етап директно по време на сблъсък на молекули или по време на техния разпад. Сложната реакция се състои от няколко елементарни реакции. Комбинацията от тези реакции се нарича механизъм
сложна реакция. Скоростта на сложна реакция се определя от скоростта на най-бавната стъпка.
Според уравнението на реакцията е невъзможно да се каже дали тази реакция е сложна или елементарна - това може да се изясни само с помощта на експериментални изследвания. Изясняването на механизмите на химичните реакции е една от основните задачи на химията.
Във всяка елементарна реакция, в процеса на превръщане на изходните материали в продукти, се образува така нареченото „преходно състояние“, което съответства на максимум на енергийната крива на химична реакция (фиг. 6.1). В преходното състояние старите химични връзки вече са отслабени, а новите все още не са напълно образувани.
Броят на частиците, участващи в елементарна реакция, се нарича молекулярност на реакцията. Тази стойност може да приема само три стойности: 1, 2 и 3. Това означава, че има само три вида елементарни реакции:
1) Мономолекулни реакции - елементарни реакции на разлагане и изомеризация, в които участва само една молекула:
XYZ [X Y Z] XY + Z