Основные теоретические положения. Раздел химии, изучающий скорость и механизм химических реакций, называется химической кинетикой

 

Раздел химии, изучающий скорость и механизм химических реакций, называется химической кинетикой. Скоростью химической реакции называется изменение количества реа­гирующего вещества за единицу времени в единице реакционного пространства. Скорость химической реакции зависит от природы реагирующих веществ, их концентраций, температуры, давления (в случае газообразных участников реакции) и присутствия катализатора.

Зависимость скорости от концентрации выражается основным законом химической кинетики – законом действия масс(для простых реакций, протекающих в одну стадию в одном направлении в соответствии со стехиометрическим уравнением): при постоянной температуре скорость химичес­кой реакции прямо пропорциональна произведению концентраций реагирую­щих веществ, возведенных в степени, равные их стехиометрическим коэф­фициентам.

В общем случае для реакции вида

а А + b В +... → m M + n N +...

 

математическое выражение закона имеет вид

 

, (10)

 

где u – скорость химической реакции; k – коэффициент пропорциональ­ности, называемый константой скорости реакции, который равен скорос­ти реакции при единичных концентрациях реагирующих веществ (т.е. при С _A = С _B = 1 моль/дм³, k = u); С _A и
С _B – концентрации реагентов, моль/дм³; а и b – стехиометрические коэффициенты.

Константа скорости химической реакции k определяется природой реагирующих веществ и зависит от температуры и от присутствия катализатора. Выражение (10) называется кинетическим уравнением ре­акции.

В химической кинетике реакцииклассифицируют по молекулярности, т.е. по числу частиц, участвующих в элементарном взаимодействии, ипо порядку кинетического уравнения данной реакции (по порядку реакции). Из­вестны одно-, двух- и трехмолекулярные (моно-, би- и тримолекулярные) реакции, например:

 

моно- А → В + С; би- А + В → С или 2А → В + С.

Порядком химической реакции n называют сумму показателей степеней при концентрациях реагентов в кинетическом уравнении. Различают общий и частный (по каждому веществу) порядки реакции. Общий порядок реакции есть сумма частных порядков. Реакции, скорость которых не зависит от концентрации, имеютнулевой порядок.

Для реакции первого порядка уравнение для расчета константы скорости реакции имеет вид

 

, время^-1,

где С – начальная концентрация вещества, моль/дм³; х – количество вещества, вступившего в реакцию к моменту времени τ.

Зависимость скорости гомогенной химической реакции от температуры определяется эмпирическим уравнением Вант-Гоффа:

 

,

 

где u₂ и u₁ – скорости реакции при температурах Т ₂ и T ₁; γ – темпера­турный коэффициент скорости реакции (для большинства реакций он лежит в пределах значений 2 – 4). Указанная зависимость может быть выражена в виде следующего правила: при повышении температуры на каждые 10° скорость реак­ции увеличивается в 2 – 4 раза, если реакция проводится при температуре, близкой к комнатной.

Зависимость константы скорости реакции от температуры также может быть выражена уравнением Аррениуcа:

,

где А – предэкспоненциальный множитель, не зависящий от Т и концентрации; Т – абсолютная температура, К; Е _А – энергия активации, Дж/моль.

Энергия активации равна тому избытку энергии, которым должны обладать молекулы реагентов по сравнению со средней энергией молекул при данной температуре, чтобы их столкновение приводило к химическому взаимодействию. Величина Е _А химической реакции может быть рассчитана по уравнению Аррениуса, если известны значения констант скоростей при разных температурах:

 

(11)

Химизм процесса окисления йодоводородной кислоты

пероксидом водорода

Реакция окисления йодоводородной кислоты пероксидом водорода выражается уравнением

 

2HI + Н₂О₂ ® 2Н₂О + I₂.

 

Количество прореагировавшего пероксида водорода определяется эквивалентным количеством йода путем титрования последнего раствором тиосульфата натрия Na₂S₂О₃:

 

I₂ + 2Na₂S₂О₃ ® 2NaI + Na₂S₄О₆.

 

Йодоводородную кислоту получают действием серной кислоты на йодиды, например KI или NaI:

 

2KI + H₂SO₄ ® K₂SO₄ + 2HI.

 

Так как в результате опыта концентрации KI и HI остаются постоянными, то скорость реакции в условиях опыта зависит только от концентрации пероксида водорода. Следовательно, для вычисления константы скорости этой реакции можно применить уравнение первого порядка.