Теория

ЗАКОН ДЕЙСТВУЮЩИХ МАСС

Влияние концентрации веществ на скорость реакции определяется законом действующих масс: при постоянной температуре скорость гомогенной химической реакции пропорциональна произведению концентраций реагирующих веществ, возведенных в степени, равные стехиометрическим коэффициентам в уравнении реакции.

Закон действующих масс для прямой гомогенной реакции,

clip_image002 (7)

протекающей слева направо в однородной среде (смесь газов, раствор) (clip_image004), имеет вид:

clip_image006 (8)

Для гетерогенной реакции, протекающей на границе раздела фаз (твердой и жидкой, твердой и газообразной) концентрации веществ, находящихся в конденсированном состоянии, постоянны и включаются в константу скорости реакции. Тогда для прямой реакции

clip_image008, (9)

если вещество clip_image010 твердое, закон действующих масс запишется:

clip_image012 (10)

Для обратимых химических реакций, которые могут протекать как в прямом, так и в обратном направлениях, скорости реакции (5) запишутся:

Таблица 1

Вид реакции скорость реакции
прямой (clip_image004[1]) обратной (clip_image014)
Гомогенная clip_image006[1] clip_image017
Гетерогенная: вещества clip_image019 и clip_image021 твердые или

жидкие

clip_image023 clip_image025

clip_image027– константы скоростей прямой и обратной реакций, соответственно. Физический смысл константы скорости: при концентрации всех реагирующих веществ, равных 1 моль/л, константа скорости равна скорости реакции.

Константа скорости реакции зависит от природы реагирующих веществ, температуры и присутствия катализатора. Для каждой реакции при постоянной температуре константа скорости величина постоянная.

Используя закон действующих масс, можно определить, как будет изменяться скорость реакции при изменении параметров системы: clip_image029, clip_image031, clip_image033.

Пример 1. Для гомогенной газофазной реакции

clip_image035

определить: а) во сколько раз изменится скорость прямой реакции, если концентрацию азота уменьшить в 2 раза, а концентрацию водорода увеличить в 2 раза; б) давление в системе увеличить в 3 раза.

Решение. а) Согласно закону действующих масс, скорость прямой химической реакции описывается уравнением

clip_image037.

После изменения концентрации реагентов будут равны

clip_image039; clip_image041, тогда

clip_image043, или

clip_image045.

Изменение скорости прямой реакции по отношению к первоначальной:

clip_image047,

т. е. скорость прямой реакции увеличится в 4 раза.

б) Из уравнения состояния газов (уравнение Менделеева-Клапейрона)

clip_image049 (11)

следует с учетом (2):

clip_image051, (12)

что clip_image031[1] (при clip_image054) прямо пропорционально молярной концентрации газообразных веществ.

Следовательно, увеличение (или уменьшение) давления в системе в clip_image056 раз приводит соответственно к увеличению (или уменьшению) концентрации всех газов-участников реакции также в clip_image056[1] раз.

Тогда по условию задачи при увеличении давления в 3 раза новые концентрации веществ (clip_image059):

clip_image061; clip_image063,

тогда clip_image065 или

clip_image067,

откуда: clip_image069,

т. е. скорость прямой реакции увеличится в 81 раз.

Пример 2. Для реакции clip_image071 определите: а) как был изменен объем системы, если скорость прямой реакции уменьшилась в 4 раза? б) во сколько раз при этом изменилась скорость обратной реакции?

Решение. а) Прямая реакция гетерогенная, концентрация твердого углерода не входит в выражение скорости реакции, поэтому:

clip_image073,

или, учитывая:

clip_image075,

получаем:

clip_image077.

Обозначим новый объем clip_image079; так как количество clip_image081 в системе не меняется, то

clip_image083,

и clip_image085

По условию задачи clip_image087, откуда

clip_image089;

clip_image091 или clip_image093, т. е. clip_image095.

Следовательно, объем системы увеличился в 2 раза (clip_image097).

б) Поскольку молярная концентрация вещества обратно пропорциональна объему системы (уравнение 2), то при увеличении объема в clip_image056[2] раз концентрации газообразных и растворенных веществ уменьшаются в clip_image056[3] раз, а при уменьшении объема системы в clip_image056[4] раз концентрации этих веществ увеличиваются в clip_image056[5] раз.

Если объем системы увеличился в 2 раза, то для обратной гомогенной реакции закон действующих масс запишется:

до изменения объема:

clip_image101;

после увеличения объема в 2 раза:

clip_image103 clip_image105.

И тогда отношение скоростей будет равно:

clip_image107

Таким образом, скорость обратной реакции уменьшилась в 8 раз.

Пермь Питер Пятигорск