Период полупревращения и скорость химической реакции

Различие в скоростях химических реакций обнаруживается и в природных процессах, и в бытовых условиях, и в химических экспериментах в пробирках («in vitro»). Поместив в две пробирки растворы хлорида бария и хлорида кальция и добавив в обе пробирки сульфат натрия, можно увидеть, что в первой пробирке сразу же образуется белое нерастворимое вещество, а во второй лишь через несколько минут появляются белые кристаллы и масса осадка увеличивается в течение -30 минут.

Каким образом количественно охарактеризовать темп химических превращений? Есть две наиболее распространенные характеристики: период (время) превращения и скорость. Количество исходного вещества убывает во времени, как правило, с замедлением. Весь период полного превращения неопределенно растягивается. Поэтому принято в качестве временной характеристики использовать период полупревращения ft/2 — время, за которое количество или концентрация исходного вещества уменьшается в два раза (на 50%). Таким способом характеризуют, в частности, распад радионуклидов, так как их период полупревращения не зависит от исходного количества. Постоянством периода полупревращения (при данной температуре) характеризуются и многие реакции разложения, и вообще так называемые реакции первого порядка.

Более точная характеристика темпа химической реакции — скорость. В любом механическом, физическом, химическом и т.д. процессе скоростью называется производная переменной величины по времени. Часто для .упрощения вычислений производную заменяют отношением изменения некоторой переменной величины к соответствующему промежутку времени.

Скоростью химической реакции называется производная концентрации любого из участвующих в реакции веществ по времени:

Скорость, определенную таким образом, называют мгновенной. Единица измерения скорости реакции — моль-л_1_1. Для медленных реакций за единицу времени можно брать минуту, час, сутки и г.д. Знак «-» перед производной ставится для исходных веществ, так как их изменения концентраций отрицательны, а скорость — величина положительная; знак «+» берется для изменения концентраций продуктов.

Пример 11.1. Выразите скорость реакции Н2 + I2 = 2HI через производные от концентраций исходных веществ и продуктов.

Решение. Согласно уравнению (11.1) напишем

Если стехиометрический коэффициент в уравнении отличен от единицы, то производная делится на этот коэффициент.

Во многих случаях расчеты и рассуждения упрощаются, если использовать понятие средней скорости реакции за данный промежуток времени:

Графически мгновенная и средняя скорости реакции выражаются тангенсами угла наклона касательной и хорды к оси времени (рис. 11.1).

Зависимость концентрации от времени

Рис. 11.1. Зависимость концентрации от времени:

скорость реакции в момент f, равна -tga, (a, — угол наклона касательной 1); средняя скорость за время от Г( до t-> равна -tga2 (a2 — угол наклона хорды 2)

Пример 11.2. В сосуд объемом 2,5 л поместили смесь газообразных водорода и иода. В результате реакции количество вещества водорода уменьшилось на 0,0016 моль за 40 с. Рассчитайте среднюю скорость реакции по изменениям концентраций каждого из веществ.

Решение. В сосуде идет реакция, как в примере 11.1. Рассчитаем скорость реакции по изменению концентрации водорода:

Концентрация иода убывает так же, как концентрация водорода, а концентрация иодоводорода возрастает в 2 раза быстрее, но при вычислении скорости в знаменателе был бы внесен стехиометрический коэффициент 2. В итоге были бы получены те же значения средней скорости реакции.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >