Химическая кинетика Введение

Для полного описания и последующего моделирования процесса необходима информация о:

• вероятности и степени протекания процесса;

• тепловом и массовом балансе;

• времени протекания процесса;

• механизме протекания процесса.

На первые два пункта отвечает термодинамика, на третий и четвертый вопросы дает ответ кинетика.

Кинетика – наука о химическом процессе, его механизме и закономерностях протекания во времени.

При составлении кинетических зависимостей всегда надо знать тип химической реакции и иметь данные о ее механизме.

Кинетикой химических реакций называется учение о скоростях реакций. В кинетике рассматриваются факторы, определяющие скорости реакций, а также промежуточные состояния, при помощи которых достигается конечный результат. Знание кинетических характеристик реакций и процессов необходимо для расчетов аппаратуры химической, металлургической и других отраслей промышленности.

Химическая кинетика имеет большое научное значение, т.к. она дает наиболее общие методы выяснения механизма реакций, т.е. того, как отдельные столкновения и элементарные акты, включающие образование молекул, атомов, радикалов и ионов, совершаясь одновременно или последовательно, образуют в своей совокупности необходимый процесс.

Основные понятия и определения

Любая химическая реакция сопровождается разрывом химических связей. По типу разрывав связей реакции делятся на гомолитические и гетеролитические.

При гомолитическом разрыве химической связи электроны распределяются между атомами, образующими данную химическую связь.

При гетеролитическом разрыве химической связи все электроны остаются у более электроотрицательного атома.

В химических реакциях участвуют вещества в разных агрегатных состояниях. По агрегатному состоянию химические реакции принято делить на гомогенные, гетерогенные, гомофазные и гетерофазные.

Скоростью химической реакции называется скорость изменения количества участвующих в ней веществ в единицу времени.

Величина скорости реакции имеет знак «+» для продуктов реакции и «–» для исходных веществ.

Для гипотетической реакции

aA + bB = eE

или в общем случае

– количество вещества компонента реакции; t – время протекания процесса, – стехиометрический коэффициент; для исходных веществ , для продуктов реакции - .

Для реакций, протекающих в объеме V:

, моль∙л⁻¹∙с⁻¹,

Для гетерогенных реакций, протекающих на поверхности S:

, моль∙м⁻²∙с⁻¹

Таким образом, по скорости изменения концентрации только одного из реагирующих веществ можно определить скорость изменения концентрации остальных реагентов.

Скорость химической реакции зависит от:

• температуры,

• концентрации реагирующих веществ,

• давления,

• степени дисперсности,

• присутствия в системе катализатора.

Элементарная стадия процесса – наиболее простая составная часть реакции. Состоит из отдельных актов химического превращения.

Акт химического превращения – результат непосредственного взаимодействия и превращения частиц (атомов, молекул, ионов, радикалов…..).

Все элементарные стадии являются обратимыми, могут протекать параллельно и последовательно. В ходе элементарных стадий образуются как промежуточные вещества, так и продукты реакции.

При параллельном протекании реакции вещество (исходной или одно из промежуточных) расходуется разными путями на образование разных продуктов:

При последовательном протекании промежуточное вещество образуется в одной стадии и расходуется в другой:

Элементарные стадии реакции проходят через образование промежуточного или активированного комплекса.

Активированный комплекс – такое состояние системы, в котором еще сохраняются старые химические связи и одновременно идет образование новых связей. Это уже не исходное вещество, но еще и не продукт реакции. Образованию активированного комплекса соответствует энергетически насыщенное состояние системы (энергетический максимум). Такое состояние термодинамически не устойчиво.

Профиль реакции с образованием активированных комплексов и промежуточного вещества Р.

В элементарной стадии процесса может участвовать одна или несколько частиц. Число частиц, участвующих в элементарной стадии реакции называется молекулярностью реакции.

Если в элементарной стадии участвует 1 частица – мономолекулярная реакция;

2 частицы – бимолекулярная реакция;

3 частицы – тримолекулярная реакция (вероятность такого события крайне мала).

Молекулярность реакции можно оценить по значениям стехиометрических коэффициентов, если конечно известно уравнение реакции.

Для примера представим, что следующие процессы являются элементарными реакциями:

, тогда молекулярность реакции – 2.

молекулярность реакции – 1.

Совокупность элементарных стадий является механизмом реакции. Если точный механизм установить невозможно, то говорят о наиболее вероятном механизме процесса.