§ 21.1. Закон дзейных мас

Залежнасць хуткасці хімічнай рэакцыі ад канцэнтрацыі рэагуючых рэчываў выражае закон дзейных мас:

пры пастаяннай тэмпературы хуткасць гамагеннай хімічнай рэакцыі прама прапарцыйная здабытку канцэнтрацый рэагуючых рэчываў.

Для хімічнай рэакцыі A + Б = В, якая працякае паміж двума рэчывамі ў вадкасці або газе ў адну стадыю, гэты закон можна паказаць у матэматычнай форме:

ʋ = k ∙ c(A) ∙ c(Б).

У гэтым выразе ʋ — скорасць рэакцыі, якая вымяраецца ў моль/(дм³ · с); c(A) і c(Б) — канцэнтрацыя рэчыва, адпаведна А і Б; k — каэфіцыент прапарцыйнасці, які называюць канстантай скорасці рэакцыі. Значэнне гэтай канстанты залежыць ад прыроды рэагуючых рэчываў, тэмпературы, прысутнасці каталізатара, але не залежыць ад канцэнтрацыі рэагуючых рэчываў.

Ва ўраўненне закона дзейных мас уключаюцца канцэнтрацыі рэчываў, якія знаходзяцца толькі ў гамагенным (аднастайным) асяроддзі (у сумесі газаў, у растворы).

Фізічны сэнс закона дзейных мас вынікае з відавочных разваг.

Для таго каб паміж малекуламі А і Б адбылася хімічная рэакцыя, яны павінны сутыкнуцца. Такім чынам, скорасць рэакцыі прапарцыйная верагоднасці сутыкненняў малекул. У сваю чаргу, верагоднасць сутыкнення залежыць ад канцэнтрацыі малекул, і яна вышэйшая ў тым выпадку, калі канцэнтрацыя малекул большая. Таму скорасць рэакцыі залежыць ад канцэнтрацыі рэчываў. Гэта пацвярджаецца эксперыментальна.

У абагульненым выглядзе матэматычны выраз закона дзейных мас прымае наступную форму:

                                                ʋ = k · c^a(A) · c^b(Б).                                        (1)

У гэтым выразе паказчыкі ступеней a і b называюць парадкам хімічнай рэакцыі адпаведна па рэчыве А і рэчыве Б. Сума a + b уяўляе сабой агульны парадак рэакцыі.

Парадак любой рэакцыі вызначаецца з эксперыментальных дадзеных залежнасці скорасці хімічнай рэакцыі ад канцэнтрацыі рэагуючых рэчываў. Гэта звязана з тым, што ў большасці хімічных рэакцый для атрымання прадукту недастаткова сутыкнення дзвюх часціц або распаду адной часціцы. Верагоднасць адначасовага сутыкнення трох малекул (іонаў або атамаў) нікчэмна малая. Тым больш неверагоднае сутыкненне большай колькасці часціц. Таму рэакцыі маюць складаны механізм і працякаюць у некалькі стадый. Кожная стадыя — гэта простая, элементарная, рэакцыя, якая ажыццяўляецца сутыкненнем дзвюх часціц або распадам адной часціцы.

Так, рэакцыя ўзаемадзеяння метану з хлорам

уключае шэраг элементарных стадый. Спачатку пад дзеяннем святла малекула хлору распадаецца на два атамы хлору, кожны з якіх мае няспараны электрон, гэта значыць утвараюцца два радыкалы:

Далей радыкал Cl∙ узаемадзейнічае з малекулай метану з утварэннем малекулы хлоравадароду і метыл-радыкала CH₃∙:

Cl∙ + CH₄ → CH₃∙ + HCl,

які рэагуе з наступнай малекулай хлорам, утвараючы хлорметан і новы хлоррадыкал:

CH₃∙ + Cl₂ → CH₃Cl + Cl∙.

Такі ланцужок ператварэнняў можа паўтарацца дзясяткі і сотні разоў, пакуль ён не абарвецца ўзаемадзеяннем двух радыкалаў адзін з адным.

Кожная са стадый рэакцыі працякае са сваёй скорасцю, а агульная скорасць вызначаецца скорасцю самай павольнай рэакцыі. Гэтую рэакцыю называюць лімітавальнай. Толькі для аднастадыйных (элементарных) рэакцый парадак рэакцыі супадае з каэфіцыентамі ва ўраўненні рэакцыі. Напрыклад, для аднастадыйнай рэакцыі

,

або ,

яе скорасць можна выразіць ураўненнем:

ʋ = c(NO₂) · c(NO₂).

Парадак гэтай рэакцыі роўны 2.

Калі рэаруючыя рэчывы знаходзяцца ў розных фазах, то рэакцыя працякае толькі на паверхні падзелу фаз. Таму канцэнтрацыю цвёрдага рэчыва або нерастваральнай у рэакцыйным асяроддзі вадкасці (напрыклад тлушчу, нерастваральнага ў водным растворы шчолачы пры атрыманні мыла) не ўключаюць ва ўраўненне закона дзейных мас. Напрыклад, для рэакцыі

A_(г) + Б_(цв) → АБ

канцэнтрацыя цвёрдага рэчыва Б не ўваходзіць ва ўраўненне закона дзейных мас, а плошча судакранання рэагентаў ужо ўключана ў значэнне k:

ʋ = k · с(А).

Разгледзім на прыкладзе, як, выкарыстоўваючы закон дзейных мас, можна прадказваць змену скорасці хімічнай рэакцыі пры змене канцэнтрацыі рэагуючых рэчываў.

Пытанні, заданні, задачы

1. Назавіце фактары, якія ўплываюць на скорасць хімічных рэакцый. Чаму скорасць хімічных рэакцый змяняецца ў працэсе іх працякання?

2. Ад якіх фактараў залежыць канстанта скорасці хімічнай рэакцыі? Ці змяняецца значэнне канстанты скорасці ў працэсе рэакцыі?

3. Чаму ў працэсе працякання хімічнай рэакцыі яе скорасць змяняецца?

4. Растлумачце, чаму большасць хімічных рэакцый працякае пастадыйна. Які сэнс паняцця «элементарная хімічная рэакцыя»?

5. Запішыце выраз закона дзейных мас для рэакцый:

• a) ;
• б) ;
• в) .

6. У колькі разоў зменіцца скорасць гамагеннай рэакцыі:

• а) A → …;
• б) 2A → …;
• в) A + Б → …

пры павелічэнні малярнай канцэнтрацыі рэагенту А ў 6 разоў?

7. Скорасць элементарнай хімічнай рэакцыі

А_(г) + 2Б_(г) = В_(г)

пры канцэнтрацыі рэчыва А, роўнай 0,2 моль/дм³, і канцэнтрацыі рэчыва Б, роўнай 0,3 моль/дм³, складае 3,6 ∙ 10^–5 моль/(дм³ ∙ с). Вызначце канстанту скорасці гэтай рэакцыі. У якіх адзінках яна выражаецца?

8. У хімічным рэактары аб’ёмам 100 дм³ паміж газападобнымі рэчывамі А і Б адбываецца хімічная рэакцыя А + Б = АБ, для якой ураўненне закона дзейных мас мае выгляд:

ʋ = k ∙ c(A) ∙ c(Б).

У якім выпадку рэакцыя працякае хутчэй:

• а) колькасць рэчыва А роўная 1 моль, а рэчыва Б — 2 моль;
• б) колькасць рэчыва А роўная 2 моль, а рэчыва Б — 4 моль.

Як суадносяцца скорасці рэакцыі ў выпадках а) і б)?

9. Як павінна змяніцца (павялічыцца або зменшыцца) скорасць хімічнай рэакцыі, якая працякае па ўраўненні

NaHCO₃ + HCl = NaCl + H₂O + CO₂↑,

калі разбавіць растворы зыходных рэчываў? Абгрунтуйце свой адказ.

10. У хімічны рэактар аб’ёмам 50 дм³ увялі газападобнае рэчыва А колькасцю 20 моль і газападобнае рэчыва Б колькасцю 40 моль, паміж якімі адбылася элементарная хімічная рэакцыя А + 2Б = В. Вызначце суадносіны скорасцей гэтай рэакцыі ў пачатковы момант і момант, да якога прарэагавала палова рэчыва А.

Самакантроль

1. Згодна з законам дзейных мас, скорасць гамагеннай хімічнай рэакцыі прама прапарцыйная:

• а) масам рэаруючых рэчываў;
• б) масам утвораных рэчываў;
• в) масе каталізатара;
• г) канцэнтрацыям рэагуючых рэчываў.

2. Канстанта скорасці рэакцыі залежыць ад:

• а) прыроды рэагуючых рэчываў;
• б) тэмпературы;
• в) прысутнасці каталізатара;
• г) канцэнтрацыі рэагуючых рэчываў.

3. Пры памяншэнні масы парашку жалеза ўдвая канстанта скорасці рэакцыі :

• а) не зменіцца;
• б) паменшыцца ўдвая;
• в) павялічыцца ўдвая;
• г) паменшыцца прапарцыйна змене плошчы паверхні парашку.

4. Формула ʋ = k · с(А) можа апісваць залежнасць скорасці ад канцэнтрацыі рэагуючага рэчыва для рэакцыі:

• a) C_(цв) + O_2(г) = CO_2(г);
• б) BaO_(цв) + SO_2(г) = BaSO_3(цв);
• в) Zn_(цв) + H₂SO_4(р-р) = ZnSO_4(р-р) + H_2(г);
• г) N₂O_4(г) NO_2(г) + NO_2(г).

5. Павелічэнне ў 3 разы канцэнтрацыі рэчыва NO₂ у рэакцыі NO₂ + NO₂ N₂O₄ прывядзе да павелічэння скорасці:

• а) у 3 разы;
• б) у 6 разоў;
• в) у 9 разоў;
• г) у 12 разоў.