6. Химическая кинетика

Законы химической термодинамики позволяют определить направление и предел протекания возможного при данных условиях процесса, а также его энергетический эффект. Однако термодинамика не может ответить на вопросы о том, как осуществляется данный процесс и с какой скоростью. Эти вопросы – механизм и скорость химической реакции – являются предметом химической кинетики.

Основные понятия химической кинетики

Химическая кинетика – наука о скорости химических реакций, а также о механизме химических превращений.

Химическая реакция состоит в превращении одного или нескольких химических веществ, называемых исходными веществами, в одно или несколько других химических веществ, называемых продуктами реакции. Химические превращения, происходящие в ходе реакции, представляют собой очень сложный процесс, при котором изменяется природа отдельных частиц и их межмолекулярные связи. В большинстве случаев химический процесс происходит не путем прямого превращения исходных веществ в продукты реакции, а состоит из нескольких стадий. Каждую из этих стадий можно рассматривать как самостоятельную химическую реакцию со своими исходными веществами и продуктами. Такую стадию называют элементарной.

Элементарная стадия является наиболее простой составной частью сложного химического процесса и представляет собой совокупность большого числа однотипных элементарных актов непосредственного превращения одной или взаимодействия нескольких частиц. Элементарные стадии химического превращения могут быть весьма разнообразны. Это может быть внутримолекулярная перегруппировка какой-либо одной молекулы, распад молекулы на несколько частиц, или взаимодействие двух и более частиц и др.

Совокупность и последовательность элементарных стадий, из которых складывается реакция, называется механизмом (схемой) химической реакции.

Скорость химической реакции

Важнейшей количественной кинетической характеристикой химической реакции является ее скорость.

Скорость химической реакции по i-му компоненту (ω_i) – изменение концентрации i-го компонента в единицу времени (t), в единице реакционного пространства (R):

. (6.1)

Если реакция гомогенная, то реакционным пространством будет являться объем; если реакция гетерогенная и протекает на границе раздела фаз, то реакционным пространством будет являться поверхность.

Для реакций, проходящих в объеме (V), выражение для скорости реакции имеет вид:

, (6.2)

где С_i – концентрация i-го компонента.

Скорость реакции по компоненту может принимать как положительные, так и отрицательные значения, в зависимости от того является ли данный компонент исходным веществом или продуктом реакции. Если в ходе реакции компонент образуется (продукт реакции), то , если же в ходе реакции компонент расходуется (исходное вещество), то .

Графическое изображение зависимости концентрации реагирующих веществ от времени показывает кинетическая кривая. В каждый момент времени скорость реакции равна тангенсу угла наклона кинетической кривой в рассматриваемой точке:

. (6.3)

Рис.6.1. Зависимость концентрации исходного вещества от времени (кинетическая кривая)

Угол наклона касательной к кинетической кривой показывает, насколько быстро протекает реакция в данный момент времени. Чем круче угол наклона касательной, тем быстрее протекает реакция. Так как угол наклона касательной к кинетической кривой, соответствующей начальной скорости реакции, максимален, то скорость реакции в начальный момент времени максимальна.

Постепенно, по мере протекания реакции, скорость реакции уменьшается (уменьшается угол наклона касательной). Когда реакция заканчивается, то кинетическая кривая становится горизонтальной и скорость реакции становится равной нулю. Таким образом, кинетическая кривая позволяет вычислить скорость реакции в любой момент времени.

Скорость химической реакции и скорость химической реакции по компоненту связаны между собой соотношением:

, (6.4)

где – стехиометрический коэффициент перед i-ым компонентом в уравнении реакции: знак «+» для продукта реакции (компонент образуется), знак «–» для исходного вещества (компонент расходуется).

Рис.6.1. Зависимость концентрации реагирующих веществ от времени (кинетические кривые)

Например, для реакции выражения для скоростей реакции по компонентам запишутся в виде: ; ; .