Скорост на химичната реакция

Скоростта на химичната реакция характеризира колко бързо протича превръщането на едуктите (изходните вещества) в продукти. За дадена необратима реакция между изходните вещества A и B до продуктите C и D:

${{\mathit {\nu _{A}}}A}+{{\mathit {\nu _{B}}}B}\rightarrow {{\mathit {\nu _{C}}}C}+{{\mathit {\nu _{D}}}D}$

скоростта на химичната реакция r може да се дефинира по следния начин:

$r={\frac {\mathrm {d} \xi }{V\mathrm {d} t}}=-{\frac {1}{\nu _{\mathrm {A} }}}{\frac {\mathrm {d} [\mathrm {A} ]}{\mathrm {d} t}}=-{\frac {1}{\nu _{\mathrm {B} }}}{\frac {\mathrm {d} [\mathrm {B} ]}{\mathrm {d} t}}={\frac {1}{\nu _{\mathrm {C} }}}{\frac {\mathrm {d} [\mathrm {C} ]}{\mathrm {d} t}}={\frac {1}{\nu _{\mathrm {D} }}}{\frac {\mathrm {d} [\mathrm {D} ]}{\mathrm {d} t}}$

• ${\mathit {\nu _{A}}},{\mathit {\nu _{B}}},...$ – стехиометричният коефициент на компонента i
• $[\mathrm {A} ],[\mathrm {B} ],...$ - моларната концентрация на компонента i ($=\mathrm {C} _{A},\mathrm {C} _{B},...$)
• $t$ – време
• $d\xi _{i}={\frac {dn_{i}}{\nu _{i}}}$ – степен на извършване на реакцията, изразена чрез някой от компонентите i
• $n_{i}$ – количеството вещество от компонента i (броят на моловете)
• $V$ – обем на реакционната смес

Скоростта на химичната реакция r има измерение ${\frac {mol_{i}}{m^{3}\cdot s}}$. Тя е пропоционална на концентрациите на изходните вещества (т. нар. „закон за действие на масите“):

$r=k\cdot {{\mathit {C_{A}}}^{\nu _{A}}}\cdot {{\mathit {C_{B}}}^{\nu _{B}}}$

където k е скоростната константа. Колкото по-висока стойност има k, толкова по-бързо протича реакцията. Някои вещества могат да увеличават скоростта на реакцията, те се наричат катализатори. Други може да я забавят, те се наричат инхибитори. Скоростта на химичната реакция е от значение при оразмеряването на химически реактори и др.

Горната дефиниция на скоростта на химичната реакция се използва предимно за реакции в течна среда и с приблизително константен обем. При процеси с участието на газове може да е от предимство използването например на парциалните налягания p_i на газовете вместо моларните концентрации C_i. Също така е възможно скоростта да се дефинира не с обема V , а с маса (напр. на катализатор) или повърхност при хетерогенни реакции.

Зависимост от температурата

Скоростта на химичната реакция се променя с температурата (обикновено нараства). Зависимостта ѝ от температурата се задава с т. нар. уравнение на Арениус.

Виж Уравнение на Арениус

Обратима реакция

Ако реакцията е обратима (т.е. продуктите C и D могат да реагират до A и B):

${{\mathit {\nu _{A}}}A}+{{\mathit {\nu _{B}}}B}\leftrightarrow {{\mathit {\nu _{C}}}C}+{{\mathit {\nu _{D}}}D}$

тогава може да се дефинират скорост на правата реакция r_f и скорост на обратната реакция r_b.

$r_{f}=k_{f}\cdot {{\mathit {C_{A}}}^{\nu _{A}}}\cdot {{\mathit {C_{B}}}^{\nu _{B}}}$

$r_{b}=k_{b}\cdot {{\mathit {C_{C}}}^{\nu _{C}}}\cdot {{\mathit {C_{D}}}^{\nu _{D}}}$

При достигане на равновесие двете скорости се изравняват. Съотношението на техните скоростни константи се нарича равновесна константа:

$K={\frac {k_{f}}{k_{b}}}={\frac {{{\mathit {C_{C}}}^{\nu _{C}}}\cdot {{\mathit {C_{D}}}^{\nu _{D}}}}{{{\mathit {C_{A}}}^{\nu _{A}}}\cdot {{\mathit {C_{B}}}^{\nu _{B}}}}}$

Виж Равновесна константа

Порядък на реакцията

За реакция със скорост:

$r=k\cdot {{\mathit {C_{A}}}^{\nu _{A}}}\cdot {{\mathit {C_{B}}}^{\nu _{B}}}$

сумата от степенните показатели (стехиометричните коефициенти) в скоростното уравнение $\nu _{A}+\nu _{B}$ се нарича порядък на реакцията. Действителният порядък на реакцията не винаги отговаря на сумата от стехиометричните коефициенти, тъй като реалният механизъм на реакцията може да е по-сложен, но формално е удобно скоростта r да се дефинира по този начин (т. нар. формален порядък).

Реакции от нулев порядък

$r=k\cdot {{\mathit {C_{A}}}^{0}}\cdot {{\mathit {C_{B}}}^{0}}=k$

При тези реакции скоростта не зависи от концентрацията на веществата.

Реакции от първи порядък

$r=k\cdot {{\mathit {C_{A}}}^{1}}\cdot {{\mathit {C_{B}}}^{0}}=k\cdot {\mathit {C_{A}}}$

При реакциите от първи порядък скоростта е пропорционална (само) на концентрацията на един от компонентите. Пример за реакция от първи порядък е радиоактивният разпад.

Реакции от втори порядък

$r=k\cdot {{\mathit {C_{A}}}^{1}}\cdot {{\mathit {C_{B}}}^{1}}=k\cdot {\mathit {C_{A}}}\cdot {\mathit {C_{B}}}$

Вижте също

• Ензимна кинетика