1
Макроскопическая характеристика и количественный расчет скорости химической реакции
CHEM1001S-PEP-CNLesson 2
00:00

Если химическое равновесие определяет «предел» реакции, тоскорость химической реакциито скорость определяет «быстроту» реакции. С макроскопической точки зрения, скорость является связующим звеном между экспериментальными наблюдениями и теоретическими моделями. При определённых условиях быстрота протекания реакции обычно выражается как изменение концентрации реагентов (уменьшение) или продуктов (увеличение) за единицу времени.

Zn + H₂SO₄газовый шприц (Gas Syringe)H₂ (г)Расширяющийся объем / увеличение объёма

Основные математические выражения

Для универсальной реакции $mA + nB = pC + qD$ скорость выражается в соответствии с пропорцией стехиометрических коэффициентов:

  • Основная формула: $v = \frac{\Delta c}{\Delta t}$.
  • Соотношение между реагентами и продуктами: $v(A) = -\frac{\Delta c(A)}{\Delta t}$, $v(C) = \frac{\Delta c(C)}{\Delta t}$.
  • Правило пропорциональности: $\frac{v(A)}{m} = \frac{v(B)}{n} = \frac{v(C)}{p} = \frac{v(D)}{q}$.

Примеры промышленных и органических реакций

在复杂的工业生产或有机合成中,速率的精确测量至关重要:

  • Синтез аммиака: $N_2 + 3H_2 \rightleftharpoons 2NH_3$. Если концентрация $N_2$ уменьшится с 0,8 до 0,7 моль/л за 5 минут, то скорость $v(N_2) = 0,02 \text{ моль}/(\text{л} \cdot \text{мин})$.
  • Органическая трансформация: Дегидратационная реакция образования $\gamma$-бутолактона из $\gamma$-гидроксибутановой кислоты: $HOCH_2CH_2CH_2COOH \xrightarrow{H^+/\Delta} \text{Lactone} + H_2O$.
  • Очистка окружающей среды: $2\text{NO}(\text{г}) + 2\text{CO}(\text{г}) = \text{N}_2(\text{г}) + 2\text{CO}_2(\text{г})$, скорость определяется по изменениям давления в цилиндре.
Термодинамическое предупреждение
Хотя в данном разделе рассматривается «насколько быстро» происходит реакция, не следует забывать о термодинамических ограничениях: при $\Delta H > 0, \Delta S < 0$ реакция не может протекать самопроизвольно ни при какой температуре, и в этом случае исследование скорости не имеет практического смысла.