Теоретическая основа
Химическая кинетика - это раздел химии, изучающий изменение химических систем во времени.
Для конкретизации описанную выше задачу данного раздела подразделяют на две:
- установление механизма реакции (элементарные стадии и качественные изменения);
- количественное описание химической реакции.
Элементарная стадия подразумевает процесс образования или разрыва химических связей, в результате которого образуется новый продукт.
Элементарные стадии делятся на монокулярные (превращение одной молекулы), бимолекулярные (элементарный акт при столкновении двух молекул) и тримолекулярные (одновременное столкновение трёх молекул).
Основным понятием в химической кинетике является скорость реакции, которая зависит от природы реагирующих веществ и условий протеканий реакции. Количественная зависимость скорости реакции и концентрации реагентов описывается с помощью закона действующих масс: скорость химической реакции при постоянной температуре пропорциональна произведению концентраций реагирующих веществ.
Наиболее сильным средством, влияющим на скорость реакции, является катализатор.
Катализатор - это вещество, которое вступает в реакцию и увеличивает ее скорость, но при этом остается неизменным по окончании реакции.
Процесс, при котором происходит увеличение скорости реакции под действием катализатора, называют катализом.
Выделяют два вида катализа: гомогенный и гетерогенный. При гомогенном катализе реагенты и катализатор находятся в одном агрегатном состоянии, а при гетерогенном - в разных.
Реакция разложения пероксида водорода
Перекись водорода – это термодинамически нестабильное вещество, скорость реакции разложения которого очень мала. Исходя из этого, используются различные катализаторы в виде ионов в растворе. Например, $\mathrm {Fe^{2+}, Fe^{3+}, Cr_2O_7^{2-}, MnO_4^{2-}, I^{-}}$.
Рассмотрим более подробно механизм разложения пероксида водорода с иодид-ионным катализатором в водном растворе.
Данная взаимодействие является примером гомогенной каталитической реакции, так как реагент и катализатор находятся в одном агрегатном состоянии (жидком). Реакцию разложения можно представить в виде совокупности следующих стадий:
- $\mathrm {H_2O_2 + 2H^{+} + 2I^{-} = I_2 + 2H_2O}$
- $\mathrm {H_2O_2 + I_2 = 2H^{+} + 2I^{-} + O_2}$
Представим суммарную реакцию: $\mathrm {2H_2O = 2H_2 + O_2}$
Константа скорости для данной реакции разложения рассчитывается следующим образом:
$\mathrm {k=\frac {1}{t} ln\frac{C_{H_2O_2}^{0}}{C_{H_2O_2}^{0} - x}}$,
где:
- $\mathrm {t}$ - время реакции, мин;
- $\mathrm {C_{H_2O_2}^{0}}$ - начальная концентрация пероксида водорода, моль/л;
- $\mathrm {x}$ - концентрация прореагировавшего к моменту времени t пероксида водорода, моль/л;
- $\mathrm {(C_{H_2O_2}^{0} - x)}$ - концентрация пероксида водорода в данный момент времени t, моль/л.
О скорости процесса судят по уменьшению количества жидкости в бюретке, так как выделяющийся кислород будет вытеснять воду из сосуда со скоростью, зависящей от концентрации катализатора.
Для полного завершения реакции необходимо нагревание реакционной смеси, так как при комнатной температуре реакция протекает достаточно медленно. Реакция разложения пероксида водорода считается законченной, когда уровень жидкости в бюретке перестает меняться.
