v = ∆С / ∆τ моль/(л·с)
Скорость реакции зависит от природы реагирующих веществ и от условий, в которых реакция протекает. Важнейшими из них являются: концентрация, температура и присутствие катализатора. Природа реагирующих веществ оказывает решающее влияние на скорость реакции.
Количественно зависимость между скоростью реакции и молярными концентрациями реагирующих веществ описывается основным законом химической кинетики – законом действующих масс (закон Гульдберг-Вааге): скорость химической реакции при постоянной температуре пропорциональна произведению концентраций реагирующих веществ.
Для реакции, записанной в общем виде аА + bB → сС + dD, в соответствии с законом действующих масс зависимость скорости от концентрации реагирующих веществ может быть представлена в виде
v = k [A]a·[B]b
Данная зависимость строго справедлива для газов или жидких веществ (гомогенные системы) и не распространяется на реакции с участием твердых веществ (гетерогенные системы).
Влияние температуры. Для приближенной оценки изменения скорости широко используется температурный коэффициент скорости реакции Вант-Гоффа γ, показывающий во сколько раз изменяется скорость реакции при изменении температуры на определенную величину ΔТ. В большинстве случаев при повышении температуры на 10° скорость гомогенной реакции увеличивается в 2–4 раза – правило Вант-Гоффа, т.е.
γ = kT+10 / kT ~ 2÷4
Зная величину γ, можно рассчитать изменение скорости реакции при изменении температуры от Т1 до Т2 по формуле
∆v = v (Т2) / v (Т1) = γ(T2–T1)/10
Из этого следует, что при повышении температуры в арифметической прогрессии скорость возрастает в геометрической.
С. Аррениус установил, что увеличение температуры приводит к увеличению числа активных молекул. Минимальный избыток энергии, которым должны обладать частицы реагента для осуществления химического превращения, называется энергией активации (Е).
Согласно Аррениусу, константа скорости реакции зависит от температуры экспоненциально
k = Ae–E/RT
Здесь Е – энергия активации (Дж/моль), R – газовая постоянная, T – температура (К), А – предэкспонента (ее размерность совпадает с размерностью k).
Катализ – изменение скорости химической реакции в присутствии катализаторов.
Вещества, ускоряющие скорость химической реакции, но остающееся неизменным после того, как химическая реакция заканчивается, называются катализаторами, а замедляющие скорость химической реакции – ингибиторами.
Скорость химической реакции возрастает в присутствии катализатора, в связи с понижением энергия активации реакции (Еа) через образование нестойких промежуточных соединений – активных комплексов. Процесс, идущий с образованием активного комплекса кинетически более выгоден, т.к. требуется меньшей затраты энергии. Схема химической реакции может быть представлена в виде схемы:
исходные вещества ↔ активные частицы + инертные молекулы ↔
продукты реакции
Из уравнения Аррениуса следует, что даже небольшое уменьшение энергии активации приводит к значительному возрастанию скорости реакции.
В результате реакции катализатор остается в химически неизменном состоянии и не расходуется. Однако физически катализатор изменяется, в ходе реакции на определенных стадиях катализатор вступает во взаимодействие с реагентами, а по окончании вновь выделяется.
Когда реагенты и катализатор находятся в одном агрегатном состоянии, говорят о гомогенном катализе. При гетерогенном катализе реагенты и катализатор находятся в различных агрегатных состояниях: обычно катализатор – в твердом, а реагирующие вещества – в жидком или газообразном.
Нередко один из продуктов реакции служит катализатором, ускоряющим эту реакцию. Такого рода реакции, называются автокаталитическими.
Кроме того, нужно подчеркнуть, что для катализатора характерна избирательность действия, т. е. определенный катализатор, изменяя скорость одной реакции, совершенно не оказывает влияния на скорость какой-то другой химической реакции.
Катализ играет большую роль не только в химии, но и в биологии, так как практически все биохимические превращения, происходящие в живых организмах, являются каталитическими. В роли катализаторов в этом случае выступают ферменты – вещества биологического происхождения.