СКОРОСТЬ ХИМИЧЕСКОЙ РЕАКЦИИ

Среди веществ, с которыми мы сталкиваемся в повседневной практике, очень немногие можно назвать чистыми. Большинство из этих веществ представляют собой смеси. Многие такие смеси являются гомогенными (однородными), т. е. составляющие их компоненты равномерно (на молеку­лярном уровне) распределены по всему объему. В окружающем нас мире можно найти много примеров растворов. Воздух, которым мы дышим, представляет собой гомогенную смесь нескольких газообразных веществ. Компонент раствора, сохраняющий свое фазовое состояние при образо­вании раствора, называется растворителем. Если все компоненты рас­твора до перемешивания находятся в одинаковой фазе, то растворителем называют тот компонент, который содержится в наибольшем количестве; остальные компоненты раствора называют растворенными веществами.

Концентрацию раствора можно охарактеризовать качественно или ко­личественно. Для количественного описания концентрации используются такие понятия, как разбавленный и концентрированный раствор. О раство­ре с относительно низкой концентрацией растворенного вещества принято говорить как о разбавленном растворе, а о растворе с относительно высокой концентрацией — как о концентрированном растворе.

Количество вещества, растворенного в заданном количестве раство­рителя или раствора, выражают через концентрацию. При обсуждении стехиометрии растворов чаще всего применяется молярная концентрация, или молярность. Молярную концентрацию (обозначается М) раствора определяют как число молей вещества, растворенного в литре раствора:

Число молей растворенного вещества

Молярная концентрация =——————————————————————- .

Объем раствора в литрах

Например, в каждом литре 1.50 молярного раствора (пишется 1.50 М) содержится 1.50 моля растворенного вещества. Чтобы приготовить 1 литр 0.150 М раствора сахарозы С12Н22О11 в воде, нужно взять 0.150 моля С12Н22О11. Это количество твердой сахарозы (51.3 г) сначала растворяют в менее чем 1 литре воды, а затем полученный раствор разбавляют до окончательного объема 1 литр.

Удобство выражения концентрации растворов в молях на литры за­ключается в том, что, измерив объем раствора известной концентрации, можно сразу же установить содержащееся в нем число молей растворенного вещества. С помощью молярной концентрации объем можно перевести в моли или массу в объем. Это положение проиллюстрируем переводом объема в моли на примере вычисления числа молей HNO3 в 2 литрах раствора HN03:

Число моль HN03 = 2.0л раствора • 0.200 Моль HNQ3 = 0.44моль HN03

1л раствора

Использование молярной концентрации при переходе от молей к объему можно проиллюстрировать на примере вычисления объема 0.30 М раствора HNO3, в котором содержится 2.0 моля HNO3:

П л 1 л раствора 0 _

Число литров раствора = 2.0 моль HNO3 ——————— Тт_тгч = 6.7л раствора

0.30 мольШЧОз

В данном случае для перехода от заданного числа молей к объему раствора пришлось воспользоваться величиной, обратной молярной кон­центрации:

Число литров раствора = число молей •

Моль/л *

Проще всего выразить концентрацию раствора в виде процентной кон­центрации. Математическое определение процентной концентрации компо­нента раствора дается уравнением

Масса компонента в растворе — ллПУ

Процентная концентрация =——————————————————— 100/о.

Суммарная масса раствора

Мольная доля компонента раствора определяется по формуле:

Число молей компонента

Мольная доля компонента раствора =————————————————————- .

Суммарное число молей всех компонентов

Моляльная концентрация, или моляльность, раствора (обозначается символом га) определяется как число молей растворенного вещества в килограмме растворителя, а размерность этой концентрации обозначается Мл.

Число молей растворенного вещества

Моляльность =————————————————————— ————- .

Масса растворителя (кг)

В результате химических реакций одни вещества с известными свойства­ми превращаются в другие вещества с новыми свойствами. Такие реакции происходят, например, в цилиндре ДВС, в котором сгорает (окисляется) топливо. До сгорания в цилиндре находится смесь углеводородного топлива и воздуха, представляющая собой смесь газов. После сгорания топлива в цилиндре образуется другая по составу смесь газов. В результате таких реакций выделяется энергия в тепловой форме.

Вместе с тем эффективность работы ДВС зависит от скорости проте­кания таких реакций. Поэтому требуется знать факторы, которые могут увеличивать или уменьшать скорость протекания реакции.

В настоящее время экологические проблемы, вызванные массовым ис­пользованием в наземном транспорте ДВС, поставили проблему и перед химиками в поиске более совершенных способов осуществления реакций окисления топлива в цилиндре ДВС с выделением минимального количе­ства загрязняющих веществ.

Область химии, занимающаяся скоростью протекания химических ре­акций, называется кинетикой.

Скорость протекания любого процесса определяют по тем изменениям, которые происходят за рассматриваемый промежуток времени. Например, скорость движения автомобиля оценивают изменением его положения в пространстве в течение некоторого промежутка времени. Подобно этому скорость реакции выражают через изменение концентрации реагента или продукта за определенное время обычно в таких единицах, как молярная концентрации (молярность) в секунду (М/с, моль (л-с)).

В качестве примера рассмотрим реакцию, которая происходит при сме­шении бутилхлорида С4Н9С1 с водой. В результате этой реакции образуется бутиловый спирт С4Н9ОН и соляная кислота:

С4Н9С1(ж.) + Н20(ж.) С4Н9ОН(водн.) +НС1(водн.) (13.1)

Допустим, что вначале образуется 0.001 М раствор C4H9CI в воде и на­чинается измерение концентрации С4Н9С1 в растворе в различные моменты времени после смешения бутилхлорида с водой. Результаты измерения приведены ниже:

Время, с

[C4H9CI], МОЛЬ Л

_ моль

Средняя скорость, ———

Л-с

0

0.1000

50

0.095

1.90 — ИГ4

100

0.0820

1.70-Ю"4

150

0.0741

1.58-ИГ4

200

0.0671

1.40 ИТ4

300

0.0549

1.22 • 10"4

400

0.0448

1.01 • 10"4

500

0.0368

0.80 ИГ4

800

0.0200

0.56 ИГ4

1000

0

Среднюю скорость реакции определяют по изменению концентрации С4Н9С1 за соответствующий промежуток времени по формуле:

Изменение концентрации C4H9CI ДГС4Н9С1]

Средняя скорость = ————————————————————— =————- ———

Соответствующий промежуток времени Дь

(13.2)

Химическая формула С4Н9С1, взятая в квадратные скобки, обозначает концентрацию указанного вещества; греческая буква Д означает изменение стоящей за ней величины; [С4Н9С1] — это изменение концентрации С4Н9С1:

Д[С4Н9С1] = [С4Н9С1]кон — [С4Н9С1]нач. (13.3)

Точно также через At выражают соответствующий промежуток време­ни. Отрицательный знак в правой части выражения (13.1) указывает, что концентрация С4Н9С1 уменьшается со временем.

Из данных, приведенных выше, видно, что за первый промежуток времени, равный 50 секунд, концентрация С4Н9С1 уменьшилась с 0.1000 М

До 0.0905 М. Следовательно, средняя скорость реакции за этот промежуток времени составляет:

(0.0905 — 0.1000) М,

Средняя скорость = — ——— ——-г—-— = 1.90 •

_4 МОЛЬ Л-С

10

(50 — 0) с

Аналогичным образом можно вычислить скорости за другие промежут­ки времени. Приведенные выше данные показывают, что средняя скорость протекания реакции с течением времени уменьшается. В некоторый момент времени реакция прекращается, то есть после этого момента времени концентрации реагентов не изменяются.

Для наглядности изменение скорости протекания реакции с течением времени представляют графически (рис. 13.1). С помощью графика можно определить мгновенную скорость реакции, т. е. скорость реакции в кон­кретный момент времени, а не среднюю скорость за соответствующий промежуток времени. Мгновенная скорость определяется наклоном каса­тельной к кривой скорости в интересующий момент времени. На рис. 13.1 изображены две касательные к графику: одна для T = 0, а другая —для T = 600 с. Например, для T = 600 с имеем:

(0.017 —0.042) М л—5 моль

Мгновенная скорость = — —— = 6.2 • 10 ———————-

^ (800 — 400)с л-с

Для простоты мгновенную скорость называют просто скоростью реак­ции.

Независимо от того, определяется мгновенная или средняя скорость протекания реакции, необходимо знать, по какому веществу следует про­водить ее измерение. В реакции

2Н1(Г.)-+Н2(Г.) + 12(Г.)

Можно измерять либо скорость расходования HI, либо скорость образова­ния продуктов Н2 или 12. Поскольку на 2 моль HI образуется по одному

Моль или 12, это означает, что скорость исчезновения HI вдвое больше скорости образования Н2 или 12:

Д[Ш] Д[Н2] _ Д[12]

Ваш отзыв

Рубрика: Основы теории тепловых процессов и машин

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *