Скорость химической реакции

Скорость реакции

Скорость протекания химической реакции определяется как изменение концентрации субстрата или продукта с течением времени. Скорость химической реакции — это функция, которая характеризуется в виде общеприменимого кинетического уравнения. Изменения концентрации компонентов в таком уравнении обычно приводятся в виде молярных концентраций. Но следует иметь в виду, что можно применять любой другой способ выражения количества, например, массу, молярную долю, атомную долю. В химии также применяется более современное понятие, называемое мгновенной скоростью химической реакции. Поведение реакции можно проиллюстрировать, построив график зависимости между молярной концентрацией (по оси y) и временем реакции (по оси x). Для полученной кривой определяются тангенс и коэффициент наклона, соответствующий мгновенной скорости реакции.

Величиной, которая также определяет скорость химической реакции, является так называемый период полураспада. Это величина, описывающая поведение радиоактивных элементов во времени. Период полураспада — это время, необходимое для того, чтобы в реакцию вступила половина исходного количества субстрата. При этом, чем больше период, тем меньшее значение имеет константа скорости k в кинетическом уравнении химической реакции.

Факторы, влияющие на скорость химических реакций:

• Концентрация субстрата — экспериментально неоднократно доказано, что скорость реакции в решающей степени зависит от концентрации субстрата(-ов). Чем выше его концентрация в системе, тем быстрее протекает тот или иной процесс. Это можно объяснить с помощью теории активных столкновений. В соответствии с ним протекание данной химической реакции определяется возникновением эффективного столкновения (с необходимой энергией) между отдельными молекулами субстрата. Таким образом, чем больше таких молекул (чем выше их концентрация), тем существенно возрастает вероятность столкновения, а значит, увеличивается скорость реакции (это прямо пропорциональная зависимость).
• Наличие катализатора в системе — катализаторы представляют собой вещества, которые, будучи добавленными в реакционную систему, увеличивают скорость протекания химической реакции. Это связано с уменьшением энергии активации, т. е. энергии, необходимой субстратам для преодоления энергетического барьера реакции и образования активного комплекса (переходного состояния, предшествующего образованию собственно продуктов реакции). Снижение энергии активации катализатора означает, что для начала химической реакции требуется меньше энергии.
• Температура и давление — согласно правилу Вант-Гоффа, повышение температуры реакционной системы на 10 ᵒC увеличивает скорость реакции в 2–4 раза. Приведенная зависимость дает грубую оценку скорости протекания реакции при повышении температуры, однако она применима не ко всем реакциям и в исключительных ситуациях может даже привести к снижению этой скорости или образованию нежелательных продуктов. Для превращений, в которых участвуют только газообразные вещества, решающее значение имеет давление, преобладающее в системе. Его увеличение приводит к повышению концентрации субстрата, в результате чего активные столкновения между отдельными молекулами происходят более эффективно и скорость реакции возрастает.
• Степень раздробленности — химические реакции с участием субстратов в твердом состоянии происходят на их поверхности. Чем больше площадь поверхности вещества, тем быстрее и эффективнее протекают в нем преобразования. Поэтому, чтобы максимально увеличить площадь преобразования, его подвергают дроблению или измельчению. Примером может служить порошкообразное железо, которое быстро окисляется в пламени горелки, чего не наблюдается при нагревании железного прута.
• Перемешивание — перемешивание оказывает такое же влияние на скорость реакции, как и степень измельчения. Инициирование движения молекул в системе приводит к их более частому контакту и образованию продуктов реакции. В поверхностных процессах перемешивание способствует отрыву молекул образующихся веществ, например, от поверхности катализатора, что упрощает доступ к активным центрам для других субстратов.

Кинетическое уравнение

Кинетическое уравнение может применяться для описания зависимости скорости химической реакции от концентрации субстратов. Каждое химическое превращение имеет характерное кинетическое уравнение. В простейшем виде эта зависимость может быть записана как произведение коэффициента k (называемого константой скорости реакции — постоянной величиной для данной химической реакции при данной температуре) и концентрации субстратов. Форма кинетического уравнения зависит от ординарности реакции:

• Реакции первого порядка — скорость зависит только от концентрации субстрата, записанной в уравнении в первой степени.
• Реакции второго порядка — в этом случае в кинетическое уравнение должны быть включены оба реагирующих между собой компонента либо стехиометрический коэффициент, стоящий перед одним субстратом (например, в реакциях разложения). В такой реакции скорость будет зависеть от произведения концентраций субстратов.

Приведенные примеры являются наиболее распространенными, так как большинство химических реакций имеют первый или второй порядок. Однако следует помнить, что могут протекать реакции и другого порядка, например нулевого, когда скорость реакции не зависит от концентрации субстрата.

То, какое кинетическое уравнение будет написано для данной химической реакции, зависит в первую очередь от ее механизма, т. е. последовательности элементарных реакций, в которых происходят изменения молекул. В процессах с многостадийным механизмом скорость всей реакции определяется самой медленной стадией. В такой ситуации правильное кинетическое уравнение трудно установить точно или его форма может быть очень сложной. С кинетическим уравнением связано также понятие порядка химической реакции. Этот порядок определяется как сумма силовых экспонент в кинетическом уравнении. Она определяет, сколько молекул, ионов или атомов должно участвовать в активном столкновении, чтобы произошла химическая реакция.

Влияние катализаторов на скорость химических реакций

Катализаторы — это вещества, присутствие которых в системе увеличивает скорость химической реакции. Важно, что они сами не реагируют на происходящие процессы. Вместе с субстратами они образуют так называемые активные комплексы, которые гораздо легче поддаются трансформациям. После завершения химической реакции катализатор восстанавливается в исходном виде. Основная задача катализатора — снижение энергии активации, т. е. энергии, которую необходимо подвести для того, чтобы произошли эффективные столкновения между субстратами, участвующими в реакции. Различают гомогенный катализ (катализатор и реагенты находятся в одном агрегатном состоянии), гетерогенный катализ (катализатор и реагенты находятся в разных агрегатных состояниях — наиболее распространенный тип катализа, при котором катализатор называют контактным) и автокатализ (один из образующихся продуктов ускоряет последующую химическую реакцию).

Катализ и катализаторы являются чрезвычайно ценными и важными аспектами большинства промышленных процессов, в первую очередь в химической промышленности.  В большинстве технологических процессов химии применяются катализаторы, например, при производстве азотной кислоты (V) или серной кислоты (VI).