Закон действующих масс кратко

Обновлено: 02.07.2024

Влияние концентрации веществ на скорость реакции определяется законом действующих масс: при постоянной температуре скорость гомогенной химической реакции пропорциональна произведению концентраций реагирующих веществ, возведенных в степени, равные стехиометрическим коэффициентам в уравнении реакции.

Закон действующих масс для прямой гомогенной реакции,

протекающей слева направо в однородной среде (смесь газов, раствор) ( ), имеет вид:

Для гетерогенной реакции, протекающей на границе раздела фаз (твердой и жидкой, твердой и газообразной) концентрации веществ, находящихся в конденсированном состоянии, постоянны и включаются в константу скорости реакции. Тогда для прямой реакции

если вещество твердое, закон действующих масс запишется:

Для обратимых химических реакций, которые могут протекать как в прямом, так и в обратном направлениях, скорости реакции (5) запишутся:

– константы скоростей прямой и обратной реакций, соответственно. Физический смысл константы скорости: при концентрации всех реагирующих веществ, равных 1 моль/л, константа скорости равна скорости реакции.

Константа скорости реакции зависит от природы реагирующих веществ, температуры и присутствия катализатора. Для каждой реакции при постоянной температуре константа скорости величина постоянная.

Используя закон действующих масс, можно определить, как будет изменяться скорость реакции при изменении параметров системы: , , .

Пример 1. Для гомогенной газофазной реакции

определить: а) во сколько раз изменится скорость прямой реакции, если концентрацию азота уменьшить в 2 раза, а концентрацию водорода увеличить в 2 раза; б) давление в системе увеличить в 3 раза.

Решение. а) Согласно закону действующих масс, скорость прямой химической реакции описывается уравнением

После изменения концентрации реагентов будут равны

Изменение скорости прямой реакции по отношению к первоначальной:

т. е. скорость прямой реакции увеличится в 4 раза.

б) Из уравнения состояния газов (уравнение Менделеева-Клапейрона)

следует с учетом (2):

что (при ) прямо пропорционально молярной концентрации газообразных веществ.

Следовательно, увеличение (или уменьшение) давления в системе в раз приводит соответственно к увеличению (или уменьшению) концентрации всех газов-участников реакции также в раз.

Тогда по условию задачи при увеличении давления в 3 раза новые концентрации веществ ( ):

т. е. скорость прямой реакции увеличится в 81 раз.

Пример 2. Для реакции определите: а) как был изменен объем системы, если скорость прямой реакции уменьшилась в 4 раза? б) во сколько раз при этом изменилась скорость обратной реакции?

Решение. а) Прямая реакция гетерогенная, концентрация твердого углерода не входит в выражение скорости реакции, поэтому:

Обозначим новый объем ; так как количество в системе не меняется, то

По условию задачи , откуда

Следовательно, объем системы увеличился в 2 раза ( ).

б) Поскольку молярная концентрация вещества обратно пропорциональна объему системы (уравнение 2), то при увеличении объема в раз концентрации газообразных и растворенных веществ уменьшаются в раз, а при уменьшении объема системы в раз концентрации этих веществ увеличиваются в раз.

Если объем системы увеличился в 2 раза, то для обратной гомогенной реакции закон действующих масс запишется:

Закон действующих масс устанавливает соотношение между массами реагирующих веществ в химических реакциях при равновесии. Закон действующих масс сформулирован в 1864—1867 гг. К. Гульдбергом и П. Вааге. Согласно этому закону скорость, с которой вещества реагируют друг с другом, зависит от их концентрации. Закон действующих масс используют при различных расчетах химических процессов. Он позволяет решить вопрос, в каком направлении возможно самопроизвольное течение рассматриваемой реакции при заданном соотношении концентраций реагирующих веществ, какой выход нужного продукта может быть получен.

Общая формула

$K_c = \prod_<i=1></p> <p>^n a_i^_i>$

a_i — активности веществ, выраженные через концентрации, парциальные давления либо мольные доли; ν_i — стехиометрический коэффициент (для исходных веществ принимается отрицательным, для продуктов — положительным); K_c — константа химического равновесия

На практике в расчётах, не требующих особой точности, значения активности обычно заменяются на соответствующие значения концентраций (для реакций в растворах) либо парциальных давлений (для реакций между газами).

Пример: для стандартной реакции

константа химического равновесия определяется по формуле

$K_c = <c^\mathrm<c></p> <p>(\mathrm) \cdot c^\mathrm(\mathrm) \over c^\mathrm(\mathrm) \cdot c^\mathrm(\mathrm)>$

При постоянной температуре отношение равновесных концентраций (парциальных давлений) конечных продуктов к равновесным концентрациям (парциальным давлениям) исходных реагентов, возведенных соответственно в степени, равные их стехиометрическим коэффициентам, величина постоянная

Wikimedia Foundation . 2010 .

Полезное

Смотреть что такое "Действующих масс закон" в других словарях:

ДЕЙСТВУЮЩИХ МАСС ЗАКОН — ДЕЙСТВУЮЩИХ МАСС ЗАКОН: скорость элементарной стадии химической реакции при постоянной температуре пропорциональна концентрациям реагирующих веществ в степенях, равных их стехиометрическим коэффициентам в уравнении этой стадии. Действующих масс… … Энциклопедический словарь

ДЕЙСТВУЮЩИХ МАСС ЗАКОН — ДЕЙСТВУЮЩИХ МАСС ЗАКОН: скорость элементарной стадии химической реакции при постоянной температуре пропорциональна концентрациям реагирующих веществ в степенях равных их стехиометрическим коэффициентам в уравнении этой стадии. Действующих масс… … Большой Энциклопедический словарь

ДЕЙСТВУЮЩИХ МАСС ЗАКОН — закон хим. термодинамики и кинетики, справедливый для идеальных газов и разбавленных растворов. В хим. термодинамике Д. м. з. устанавливает связь между равновесными концентрациями продуктов реакции и исходных веществ, в хим. кинетике связь… … Физическая энциклопедия

Действующих масс закон — один из основных законов физической химии; устанавливает зависимость скорости химической реакции от концентраций реагирующих веществ и соотношение между концентрациями (или активностями) продуктов реакции и исходных веществ в состоянии… … Большая советская энциклопедия

ДЕЙСТВУЮЩИХ МАСС ЗАКОН — при установившемся хим. равновесии между реагентами и продуктами р ции выполняется равенство , где mi хим. потенциал i го компонента системы, ni eгo стехиометрич. коэф. (для реагентов он отрицательный, для продуктов р ции положительный). Если… … Химическая энциклопедия

ДЕЙСТВУЮЩИХ МАСС ЗАКОН — соотношение между концентрациями исходных в в [А], [В] и продуктов хим. реакции [М], [N] при установившемся хим. равновесии. Для обратимой реакции аА + bВ mМ + nN в состоянии равновесия ма тем. выражение для Д. м. з. будет иметь вид: где… … Большой энциклопедический политехнический словарь

ДЕЙСТВУЮЩИХ МАСС ЗАКОН — скорость элементарной стадии хим. реакции при пост. темп ре пропорциональна концентрациям реагирующих в в в степенях, равных их стехиометрич. коэф. в уравнении этой стадии. Д. м. з. в хим. кинетике позволяет составлять кинетич. уравнения, в хим.… … Естествознание. Энциклопедический словарь

ЗАКОН ДЕЙСТВУЮЩИХ МАСС — закон устанавливает соотношение между концентрациями реагирующих веществ и продуктами хим. реакций при равновесии: аA + bВ ↔ mM + nN. Математическое выражение закона действующих масс имеет вид: где k1 и k2 константы скорости прямой и обратной… … Большая политехническая энциклопедия

закон действующих масс — Массы вещества вступают в реакции в определённых соотношениях. [А.С.Гольдберг. Англо русский энергетический словарь. 2006 г.] Тематики энергетика в целом EN law of combining weight … Справочник технического переводчика

Зависимость скорости химической реакции от концентрации реагирующих веществ выражает закон действующих масс:

при постоянной температуре скорость гомогенной химической реакции прямо пропорциональна произведению концентраций реагирующих веществ.

Для химической реакции A + Б = В , протекающей между двумя веществами в жидкости или газе в одну стадию, этот закон можно выразить в математической форме:

ʋ = k ∙ c(A) ∙ c(Б).

В этом выражении ʋ — скорость реакции, которая измеряется в моль/(дм 3 · с ); c(A) и c(Б) — концентрация вещества, соответственно А и Б; k — коэффициент пропорциональности, который называют константой скорости реакции. Значение этой константы зависит от природы реагирующих веществ, температуры, присутствия катализатора, но не зависит от концентрации реагирующих веществ.

В уравнение закона действующих масс включаются концентрации веществ, которые находятся только в гомогенной (однородной) среде (в смеси газов, в растворе).

Физический смысл закона действующих масс следует из очевидных рассуждений.

Для того чтобы между молекулами А и Б произошла химическая реакция, они должны столкнуться. Следовательно, скорость реакции пропорциональна вероятности столкновений молекул. В свою очередь, вероятность столкновения зависит от концентрации молекул, и она выше в том случае, если концентрация молекул больше. Поэтому скорость реакции зависит от концентрации веществ. Это подтверждается экспериментально.

В обобщённом виде математическое выражение закона действующих масс принимает следующую форму:

ʋ = k · c a (A) · c b (Б). (1)

В этом выражении показатели степеней a и b называют порядком химической реакции соответственно по веществу А и веществу Б. Сумма a + b представляет собой общий порядок реакции.

Порядок любой реакции устанавливается из экспериментальных данных зависимости скорости химической реакции от концентрации реагирующих веществ. Это связано с тем, что в большинстве химических реакций для получения продукта недостаточно столкновения двух частиц или распада одной частицы. Вероятность одновременного столкновения трёх молекул (ионов или атомов) ничтожно мала. Тем более невероятно столкновение большего числа частиц. Поэтому реакции имеют сложный механизм и протекают в несколько стадий. Каждая стадия — это простая, элементарная, реакция, осуществляемая столкновением двух частиц либо распадом одной частицы.

Так, реакция взаимодействия метана с хлором

включает ряд элементарных стадий. Сначала под действием света молекула хлора распадается на два атома хлора, каждый из которых имеет неспаренный электрон, то есть образуются два радикала:

Далее радикал Cl∙ взаимодействует с молекулой метана c образованием молекулы хлороводорода и метил-радикала CH₃∙:

который реагирует со следующей молекулой хлора, образуя хлорметан и новый хлор-радикал:

Такая цепочка превращений может многократно повторяться, пока она не оборвётся взаимодействием двух радикалов друг с другом.

Каждая из стадий реакции протекает со своей скоростью, а общая скорость определяется скоростью самой медленной реакции. Эту реакцию называют лимитирующей. Только для одностадийных (элементарных) реакций порядок реакции совпадает с коэффициентами в уравнении реакции. Например, для одностадийной реакции

её скорость можно выразить уравнением:

Порядок этой реакции равен 2.

Если реагирующие вещества находятся в разных фазах, то реакция протекает только на поверхности раздела фаз. Поэтому концентрацию твёрдого вещества или нерастворимой в реакционной среде жидкости (например, жира, нерастворимого в водном растворе щёлочи при получении мыла) не включают в уравнение закона действующих масс. Например, для реакции

концентрация твёрдого вещества Б не входит в уравнение закона действующих масс, а площадь соприкосновения реагентов уже включена в значение k:

ʋ = k · с(А).

Рассмотрим на примере, как, используя закон действующих масс, можно предсказывать изменение скорости химической реакции при изменении концентрации реагирующих веществ.

Пример 1

В химический реактор объёмом 100 дм 3 ввели газообразное вещество А количеством 4 моль и газообразное вещество Б количеством 5 моль, между которыми произошла химическая реакция: А + Б = В . Определите соотношение скоростей этой реакции в начальный момент и момент, к которому прореагировала половина вещества А, если уравнение закона действующих масс для этой реакции имеет вид:

ʋ = k ∙ c(A) ∙ c(Б).

Из условия задачи и уравнения закона действующих масс следует, что протекающая реакция гомогенная.

Определим концентрацию реагирующих веществ в начальный момент реакции:

Согласно приведённому уравнению скорость этой реакции в начальный момент равна:

ʋ₀ = k · c₀(A) · c₀(Б) = k · 0,04 · 0,05 = k · 0,002 (моль/(дм 3 · с)).

К моменту, когда прореагировала половина вещества А (2 моль), его концентрация стала равной:

Согласно уравнению реакции вещества А и Б реагируют в мольном отношении 1 : 1 . Это означает, что если за время t прореагировало 0,02 моль вещества А, то столько же прореагировало и вещества Б. Это позволяет определить концентрацию вещества Б в момент времени t:

Поскольку константа скорости химической реакции не зависит от концентрации реагирующих веществ, то в момент времени t выражение для скорости реакции примет вид:

ʋ_t = k · c_t(A) · c_t(Б) = k · 0,02 · 0,03 = k · 0,0006 (моль/дм 3 · с)

Сравним скорости в начальный момент времени и в момент времени t:

Таким образом, к моменту, когда прореагировала половина вещества А, скорость реакции уменьшилась в 3,3 раза.

При постоянной температуре скорость гомогенной химической реакции прямо пропорциональна произведению концентраций реагирующих веществ.

Константа скорости химической реакции не зависит от концентрации реагентов, но зависит от их природы и температуры, при которой протекает реакция.

Вопросы, задания, задачи

1. Назовите факторы, влияющие на скорость химических реакций. Почему скорость химических реакций изменяется в процессе их протекания?

2. От каких факторов зависит константа скорости химической реакции? Изменяется ли значение константы скорости в процессе реакции?

3. Почему в процессе протекания химической реакции её скорость изменяется?

5. Запишите выражение закона действующих масс для реакций:

6. Во сколько раз изменится скорость гомогенной реакции:

при увеличении молярной концентрации реагента А в 6 раз?

7. Скорость элементарной химической реакции

при концентрации вещества А, равной 0,2 моль/дм 3 , и концентрации вещества Б, равной 0,3 моль/дм 3 , составляет 3,6 ∙ 10 –5 моль/(дм 3 ∙ с) . Определите константу скорости этой реакции. В каких единицах она выражается?

8. В химическом реакторе объёмом 100 дм 3 между газообразными веществами А и Б происходит химическая реакция

для которой уравнение закона действующих масс имеет вид:

ʋ = k ∙ c(A) ∙ c(Б).

В каком случае реакция протекает быстрее:

а) количество вещества А равно 1 моль, а вещества Б — 2 моль;
б) количество вещества А равно 2 моль, а вещества Б — 4 моль.

Как соотносятся скорости реакции в случаях а) и б)?

9. Как должна измениться (увеличиться или уменьшиться) скорость химической реакции, протекающей по уравнению

если разбавить растворы исходных веществ? Обоснуйте свой ответ.

10. В химический реактор объёмом 50 дм 3 ввели газообразное вещество А количеством 20 моль и газообразное вещество Б количеством 40 моль, между которыми произошла элементарная химическая реакция

Определите соотношение скоростей этой реакции в начальный момент и момент, к которому прореагировала половина вещества А.

Самоконтроль

1. Согласно закону действующих масс, скорость гомогенной химической реакции прямо пропорциональна:

а) массам реагирующих веществ;
б) массам образующихся веществ;
в) массе катализатора;
г) концентрациям реагирующих веществ.

2. Константа скорости реакции зависит от:

а) природы реагирующих веществ;
б) температуры;
в) присутствия катализатора;
г) концентрации реагирующих веществ.

3. При уменьшении массы порошка железа вдвое константа скорости реакции :

а) не изменится;
б) уменьшится вдвое;
в) увеличится вдвое;
г) уменьшится пропорционально изменению площади поверхности порошка.

4. Формула ʋ = k · с(А) может описывать зависимость скорости от концентрации реагирующего вещества для реакции:

5. Увеличение в 3 раза концентрации вещества NO₂ в реакции NO₂ + NO₂ N₂O₄ приведёт к увеличению скорости в:

Действующих масс закон

Если в идеальной газовой смеси или идеальном жидком растворе происходит реакция:

аА + а'А' = bB + b'B' (1)

(А, А' и т.д. — вещества, а, а' и т.д. — стехиометрические коэффициенты), то, согласно действующих масс закону, скорость реакции в прямом направлении:

Здесь [А] — концентрация вещества А и т.д., k₊ — константа скорости реакции (в прямом направлении), k₊ зависит от температуры, а в случае жидкого раствора — также и от давления; последняя зависимость существенна лишь при высоких давлениях. Вид уравнения (2) определяется тем, что необходимым условием элементарного акта реакции является столкновение молекул исходных веществ, т. е. их встреча в некотором малом объёме (порядка размера молекул). Вероятность найти в данный момент в данном малом объёме молекулу А пропорциональна [А]; вероятность найти в нём одновременно а молекул А и а' молекул А' по теореме о вероятности сложного события пропорциональна [А] a [А'] a' . Число столкновений молекул исходных веществ в единичном объёме за единичное время пропорционально этой величине. Определённая доля этих столкновений приводит к реакции. Отсюда вытекает уравнение (2). Мономолекулярные реакции требуют особого рассмотрения.

Скорость реакции (1) в обратном направлении

Если реакция обратима, т. е. протекает одновременно в противоположных направлениях, то наблюдаемая скорость реакции r = r₊ – r_-. При r₊ = r_- осуществляется химическое равновесие. Тогда, согласно уравнениям (2) и (3),

где К = k₊/k_- — константа равновесия. Для газовых реакций обычно применяют равноценное уравнение

Уравнения (2) и (3) применимы к простой (одностадийной) реакции и к отдельным стадиям сложной реакции, но не к сложной реакции в целом. Уравнения (4) и (5), выражающие действующих масс закон для равновесия, справедливы и в случае сложной реакции.

Общим условием равновесия по отношению к реакции (1), приложимость которого не ограничена идеальными системами, является уравнение

в котором [А] — активность вещества А и т.д. Уравнение (6) выводится из принципов термодинамики. С помощью действующих масс закона для равновесия вычисляют максимально достижимые степени превращения при обратимых реакциях. В число последних входят важные промышленные процессы — синтез аммиака, окисление сернистого газа и многие другие. На основе действующих масс закона для скоростей реакций получают кинетические уравнения, применяемые при расчёте химической аппаратуры.

Читайте также: