Для того чтобы количественно опи­сать зависимость скорости от кон­центрации, надо понять, как «устро­ены» химические реакции.

Они редко бывают простыми. Как правило, реакция состоит из сложной последовательности отдельных стадий. Например, окисление фосфина подкисленным раствором перманганата калия описывается ионным уравнением 5РН₃+8МnО^-₄+19Н⁺=5Н₂РО^-₄+8Мn²⁺+12Н₂О. В левой части уравнения — 32 частицы. Ясно, что все они не способны встретить­ся одновременно. Они реагируют друг с другом поочерёдно, объединя­ясь в промежуточные частицы, кото­рые в свою очередь взаимодействуют с исходными веществами, образуя продукты реакции или другие проме­жуточные частицы.

Но процесс разделения сложной реакции на более простые не может продолжаться бесконечно. Есть такие реакции, которые уже не «упрощаются». Их называют элементарными.

Существует два основных типа элементарных реакций: мономолеку­лярные, когда в реакции участвует один реагент:

и бимолекулярные (два реагента):

К мономолекулярным относятся некоторые реакции разложения, в ча­стности СН₃—N=N—СН₃®С₂Н₆+ N₂, и изомеризации: СН₃СН₂СН₂СН₃®CH₃CH(CH)₂. 

Пример бимолекулярной реак­ции — столкновение атомов водо­рода с молекулами хлора: Н+Сl₂®НСl + Сl. Это одна из стадий слож­ной реакции водорода с хлором, кото­рая описывается суммарным уравне­нием Н₂+Сl₂=2НСl.

Если две частицы встретились и не разлетелись сразу же, а задержа­лись вместе на какое-то время, то с ними может столкнуться третья час­тица. Такое исключительно редкое «тройное столкновение» способно привести к тримолекулярной реак­ции, например 2NO+Сl₂=2NOCl.

Чем выше концентрация соляной кислоты, тем быстрее протекает растворение в ней металлического цинка.

Механизм бимолекулярной реакции.

Больше трёх частиц одновременно столкнуться не могут, поэтому других элементарных реакций не бывает.

Теория столкновений помогает понять, как влияет концентрация на скорость элементарных реакций. Для них эта зависимость выражается за­коном действующих масс:

Скорость элементарной реак­ции пропорциональна про­изведению концентраций реагирующих молекул.

Этот закон экспериментально под­твердили в 1867 г, норвежские учё­ные — математик Като Максимилиан Гульдберг (1836—1902) и химик Петер Вааге (1833—1900), изучавшие обра­тимые реакции. Они доказали, что скорость реакций до установления равновесия пропорциональна «дейст­вующим массам» (как в то время назы­вали концентрации) исходных ве­ществ. Интересно, что Гульдберг и Вааге опубликовали свою работу на норвежском языке, и она оставалась незамеченной до тех пор, пока через 12 лет её не перевели на немецкий.

В зависимости от числа молекул, участвующих в элементарной реак­ции, закон действующих масс может иметь следующий вид:

w=k•[X]              — для мономолекулярных,

w=k•[X]•[Y]        — для бимолекулярных,

w=k•[X]•[Y]•[Z] — для тримолекулярных ре­акций.

Коэффициент пропорциональности k между скоростью и произведением концентраций называют константой скорости. Эта величина не зависит от концентраций, но на неё влияют тем­пература и природа реагирующих ве­ществ.

Сумму показателей степеней при концентрациях веществ называют об­щим порядком реакции. Показатели степеней при концентрациях в зако­не действующих масс равны единице только в случае элементарных реак­ций. Мономолекулярные реакции име­ют первый порядок, бимолекулярные — второй, тримолекулярные — третий. Часто «докопаться» до элемен­тарной стадии химического процесса очень непросто, и общий порядок реакции устанавливают эксперимен­тально, определяя вид зависимости скорости реакции от концентрации данного реагента. Для процессов, ме­ханизм которых известен, можно так­же математически рассчитать общий порядок реакции, но это довольно сложная задача.

Чтобы найти зависимость кон­центраций реагентов от времени, на-

до решить дифференциальное урав­нение. Например, все реакции перво­го порядка описываются дифферен­циальным уравнением -dc/dt=kс, где с — текущая концентрация вещества. Это уравнение имеет точное реше­ние c(t) = с_о-е^-kt (е=2,71828... — осно­вание натуральных логарифмов, с₀ — концентрация при t=0).

В реакциях первого порядка кон­центрация вещества убывает по экс­поненциальному закону: за равные промежутки времени распадается равная доля вещества. Так, за время, равное t_1/2=ln2/k, всегда распадает­ся ровно половина, поэтому t_l/2 назы­вают периодом полупревращения ве­щества