Презентация - "Презентация по теме Идеальный газ. Молекулярно-кинетическая теория идеального газа."

ЛЕКЦИЯ 1-2
ЗАКОН ДЕЙСТВИЯ МАСС. КОНСТАНТА СКОРОСТИ РЕАКЦИИ. ФАКТОРЫ, ВЛИЯЮЩИЕ НА СКОРОСТЬ РЕАКЦИИ. ПРАВИЛО ВАНТ-ГОФФА. МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СКОРОСТИ ХИМИЧЕСКИХ РЕАКЦИЙ.

В 1865 г. Профессор Н.Н. Бекетов впервые высказал гипотезу о количественной взаимосвязи между массами реагентов и временем течения реакции: "...Притяжение пропорционально произведению действующих масс". Эта гипотеза нашла подтверждение в законе действующих масс, который был установлен в 1867 г. Двумя норвежскими химиками К. Гульдбергом и П. Вааге. Современная формулировка закона действующих масс такова:
При постоянной температуре скорость химической реакции прямо пропорциональна произведению концентраций реагирующих веществ, взятых в степенях, равных стехиометрическим коэффициентам в уравнении реакции.
Для реакции aa + bb → mm + nn математическое выражение закона действующих масс имеет вид:
V = k · caa · cbb,
Где v - скорость реакции; k - коэффициент пропорциональности, называемый константой скорости химической реакции (при CA = CB = 1 моль/л k численно равна v); CA и CB - концентрации реагентов A и B; a и b - стехиометрические коэффициенты в уравнении реакции.
Константа скорости химической реакции k определяется природой реагирующих веществ и зависит от температуры, от присутствия катализатора, но не зависит от концентрации веществ, участвующих в реакции.
Закон действующих масс справедлив только для наиболее простых по своему механизму взаимодействий, протекающих в газах или в разбавленных растворах.
Часто уравнение реакции не отражает ее механизма. Сложные реакции могут быть совокупностью параллельно или последовательно протекающих процессов. Закон действующих масс справедлив для каждой отдельной стадии реакции, но не для всего взаимодействия в целом. Та стадия скорость которой минимальна, лимитирует скорость реакции в общем. Поэтому математическое выражение закона действующих масс, записанное для самой медленной (лимитирующей) стадии процесса, приложимо одновременно ко всей реакции в целом.

Скорость химических реакций
Кинетика ― учение о скорости различных процессов, в том числе химических реакций. Одним из основных понятий в химической кинетике является скорость реакции.
Скоростью химической реакции V называют изменение количества реагирующего вещества за единицу времени в единице реакционного пространства.
В гомогенной системе реакционным пространством служит объем сосуда, в котором протекает взаимодействие, а количество вещества в единице объёма называется концентрация С и выражается в моль/л.
Поэтому в случае гомогенного процесса, протекающего при постоянном объёме, скорость гомогенной химической реакции измеряется изменением концентрации какого-либо из реагирующих веществ за единицу времени.
Обычно время t выражается в сек, поэтому размерность скорости реакции как правило, моль/л· сек. При химическом взаимодействии концентрация каждого из исходных веществ уменьшается во времени (С2С1, ΔС>0). Изменение концентраций исходных веществ и продуктов реакции во времени приведено на рис.1. В химической кинетике различают среднюю и истинную (или мгновенную) скорость реакции. Средняя скорость v равна отношению ΔС/ Δt (ΔС = С2-С1, Δt = t2- t1). Чтобы величина скорости была всегда положительной, перед дробью ставят знаки ''±''.
V = ± ΔС Δt
Истинная скорость химической реакции Vист определяется пределом, к которому стремится отношение ΔС/Δt при t → 0, т.Е. Производной концентрации по времени:
Vист = ± dС dt

Зависимость скорости реакции от концентрации реагентов
Необходимым условием для осуществления акта химического взаимодействия между молекулами должно быть их столкновение. Столкновение молекул в некотором реакционном пространстве при заданной температуре происходят тем чаще, чем больше этих молекул. Поэтому скорость химической реакции зависит от концентрации реагирующих веществ. По мере уменьшения концентрации исходных веществ во времени (рис.1, кривая 1) скорость реакции падает.
Количественно зависимость скорости реакции от концентрации реагирующих веществ выражается законом действующих масс, который в современной формулировке выглядит так:
при постоянной температуре скорость химической реакции прямо пропорциональна произведению концентраций реагирующих веществ, взятых в степенях, равных стехиометрическим коэффициентам в уравнении реакции.
Для реакции аA +bB → mM + nN математическое выражение закона действующих масс имеет вид:
V = kCAа· CBb (1)
где V ― скорость реакции; CA и CB ― концентрации реагентов А и В; а, b ― стехиометрические коэффициенты в уравнении реакции; k ― коэффициент пропорциональности, называемый константой скорости химической реакции. Размерность константы скорости определяется величинами стехиометрических коэффициентов а и b и остается такой, чтобы скорость V имела размерность моль/л· сек. Если нет точных данных, размерность k принимают сек―1. При CA = CB = 1 моль/л k численно равна V. Выражение (1) называют также кинетическим уравнением реакции.
Константа скорости химической реакции k определяется природой реагирующих веществ и зависит от температуры, от присутствия катализатора, но не зависит от концентрации веществ, участвующих в реакции.

Скорость гетерогенных химических реакций
Многие химические процессы, имеющие большое значение в технике, относятся к числу гетерогенных реакций. Один или несколько компонентов процесса находятся в конденсированной, обычно твердой фазе. Концентрации твердых веществ не записываются в кинетическое уравнение (закон действующих масс). Условно эти концентрации принимают постоянными и равными 1. Это первая особенность гетерогенных реакций. Они идут на поверхности раздела фаз, которая и является их реакционным пространством. Поэтому второй особенностью кинетики этих реакций является влияние площади реакционной поверхности на скорость реакции. Так для реакции:
Fе2O3(к) + 3СО(Г) → 2Fе + 3СО2(Г)
Кинетическое уравнение может быть записано в виде: V = k· C3 CO· S, где ССО ― молярная концентрация монооксида углерода СО(Г), единственного газообразного компонента в реагирующих исходных веществах, S ― площадь поверхности, на которой идет реакция. Твердое вещество Fе2O3(к) в кинетическое уравнение не записывается. Скорости гетерогенных химических реакций имеют размерность моль/л· сек· м2 .
Однако в большинстве случаев площадь реакционной поверхности практически невозможно измерить и она непосредственно не фигурирует в кинетическом уравнении (законе действующих масс). Она ''запрятывается'' в константу скорости k и это учитывается в размерности константы скорости.
В тех случаях, когда среди реагирующих веществ имеются газы, скорость реакций зависит от давления в системе. При повышении давления пропорционально возрастает число молекул газа в единице объема, что эквивалентно повышению концентрации данного газа.

Зависимость константы скорости реакции от температуры, правило Вант-Гоффа
Большинство реакций ускоряется при нагревании. Температура действует непосредственно на константу скорости k. Пусть V1 ― скорость реакции при температуре Т1, а V2 ― скорость этой же реакции при температуре Т2 (Т1<Т2). В таком случае имеет место эмпирическое правило Вант-Гоффа:
V2 = V1· γ T1 − T2 10
Где γ – температурный коэффициент, показывающий во сколько раз повысится скорость реакции при повышении температуры на 100С. Для большинства реакций при температурах, близких к комнатной, γ составляет величину 2-4.
Уравнение Вант-Гоффа широко используется, однако следует помнить, что оно эмпирическое приблизительное, его можно применять только для ориентировочных расчетов.

Конец