14.5 Скорость химической реакции и закон действующих масс

Интенсивность протекания химической реакции принято характеризовать величиной изменения концентрации какого-либо из ее компонентов в единицу времени. Величина этого изменения концентрации называется скоростью химической реакции. Скорость реакции в общем случае не остается постоянной во времени, в связи с чем приходится ввести понятие о средней скорости химической реакции. Средней скоростью реакция

aA+bB+...= cC+dD+.. .

за промежуток времени Δτ называется отношение изменения концентрации одного из компонентов, например компонента А, к этому промежутку времени

. (14.12)

Если речь идет о скорости реакции в данный то это отношение превращается в производную концентрации по времени

. (14.13)

В обоих случаях выражение для скорости реакции отрицательно, потому что в ходе реакции концентрация исходного вещества А уменьшается, т. е. ее приращение отрицательно, а промежуток времени, к которому оно отнесено, положителен. В то же время скорость реакции представляет собой по смыслу величину положительную.

Если скорость реакции отнести к одному из конечных веществ (например, к компоненту D), то минус будет отсутствовать, ибо концентрация этого компонента в ходе реакции увеличивается

.

Нетрудно заметить, что скорости одной и той же реакции, взятые применительно к различным компонентам, в общем случае не одинаковы, но пропорциональны друг другу, ибо компоненты реакции расходуются и образуются в эквивалентных количествах. Например, в приведенной выше реакции при расходовании а киломолей вещества А образуется d киломолей вещества D, следовательно,

и т.д.

В основе учения о скоростях химических реакций лежит закон действующих масс, гласящий, что скорость реакции в каждый момент времени пропорциональна произведению концентраций реагирующих веществ. Этот закон легко обосновать исходя из тех соображений, что для совершения каждой элементарной реакции молекулы должны столкнуться и частота таких столкновений определяет скорость реакции. Очевидно, что эта частота пропорциональна числу молекул каждого из реагентов, т.е. пропорциональна произведению их концентраций.

Для реакции А + В = С + D закон действующих масс дает

,

где k – коэффициент пропорциональности, называемый константой скорости.

Для более сложной реакции, когда реагенты вступают во взаимодействие в различных мольных количествах,

aA+bB+...= cC+dD+..

в выражение для скорости реакции концентрация реагента А должна войти, очевидно, а раз, концентрация реагента вещества B - b раз и т.д., т.е.

Вышеуказанные зависимости справедливы лишь в тех случаях, когда все реагенты находятся в газовой фазе. Если же в реакции участвуют твердые или жидкие вещества, то изменение их не сказывается на скорости реакции и поэтому в формулу для нее эти концентрации не входят. Так, например, для реакции горения углерода

С + О₂ = СО₂

скорость реакции определяется из формулы, в которую концентрация углерода не входит

.

В то же время для реакции горения водорода

2Н₂ + О₂ = 2Н₂О

в выражение скорости реакции входят концентрации обоих исходных веществ

.