ФИЗИЧЕСКАЯ ХИМИЯ

ХИМИЧЕСКАЯ КИНЕТИКА. КАТАЛИЗ

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

Санкт-Петербург

2010

Министерство образования и науки РФ

______________

Государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Санкт-Петербургская государственная лесотехническая академия им. С.М. Кирова»

Кафедра химии древесины и лесохимических продуктов

Физическая химия

Химическая кинетика. Катализ

Методические указания к лабораторным работам для студентов очной и заочной форм обучения направления 240100 “Химическая технология и биотехнология” и специальности 240406 “Технология химической переработки древесины”

Санкт-Петербург

2010

Рассмотрены и рекомендована к изданию учебно-методической комиссией факультета технологии и биотехнологии Санкт-Петербургской лесотехнической академии.

СОСТАВИТЕЛИ:

кандидат технических наук, доцент И.П. Шабанова

Ответственный редактор

доктор химических наук, профессор

В.И. Рощин

Р Е Ц Е Н З Е Н Т Ы:

кафедра химии древесины, физической и коллоидной химии СПб ГЛТА

В методических указаниях изложены теоретические основы химической кинетики и катализа. Дается подробное описание, порядок определения и расчеты для лабораторных работ по кинетике химических реакций, а также влияние кислотно-основного катализа на скорость процессов.

3

1.Кинетика химических реакций

1.1 Введение

Химическая кинетика изучает закономерности, которым подчиняется развитие химической реакции во времени, анализ факторов, влияющих на скорости реакций, проводит вычисление констант скоростей.

Это особенно важно для теоретических прогнозов и технологических расчетов [1,2].

1.2. Основные понятия

Простые вещества и химические соединения, вступающие в реакцию друг с другом, называются исходными веществами. Конечные вещества, возникающие в результате реакции и не претерпевающие в ее ходе дальнейших химических превращений, называются продуктами (исходные вещества и продукты реакции, в обобщенном понимании – это компоненты).

Как правило, химические реакции являются сложными, протекающими через ряд элементарных стадий. Элементарная стадия (см. подробно ниже) является наиболее простой составной частью сложной реакции, т.к. каждый акт элементарной стадии представляет собой результат непосредственного взаимодействия и превращения одной или нескольких частиц. Совокупность реакций из элементарных стадий называется механизмом реакции. При протекании реакций через промежуточные стадии получаются и расходуются вещества, которые называются промежуточные (интермедиантами). Промежуточные вещества – это активные частицы с неспаренным электроном, радикалы, например HO, HO₂, C₂H₅ и т. д. Сложные реакции состоят из двусторонних, параллельных и последовательных элементарных стадий. Все элементарные стадии являются двусторонними (обратимыми), т.е. состоят из двух взаимопротивоположных элементарных реакций, которые одновременно протекают в прямом и обратном направлении, но с разной скоростью.

При параллельном протекании нескольких элементарных стадий данное вещество одновременно расходуется по нескольким путям с образованием разных продуктов.

При последовательном протекании элементарных стадий промежуточное вещество, полученное в одной стадии, переходит в другое вещество в следующей стадии. Как правило, для сложных

4

реакций известен только наиболее вероятный механизм, на основе которого можно получить закономерности реального процесса.

Рассмотрение сложных реакций упрощается, если реакция протекает в стационарных или квазистационарных условиях. Стационарный (квазистационарный перенос) режим означает, что скорость образования и расходования всех промежуточных веществ одинакова в течение всего времени протекания реакции, например, в аппарате идеального смешения. Т.е. отношение концентраций промежуточных и исходных веществ остается постоянным.

Элементарная (или формально простая) стадия называется лимитирующей, когда закономерности всего процесса определяются в основном кинетическими закономерностями этой стадии. В случае параллельных реакций – это элементарная стадия с константой скорости, значительно большей констант скоростей других параллельных стадий. Для последовательных реакций – это элементарная стадия с константой скорости, намного меньшей констант скоростей других последовательных стадий.

При рассмотрении сложных реакций делается допущение о независимом протекании элементарных стадий, т.е. величина константы скорости не зависит от того, протекают ли в данной системе одновременно другие элементарные реакции.

По характеру разрыва химической связи элементарные реакции подразделяются на гомолитические и гетеролитические. В гомолитической реакции электронная пара разрывается. Это, например, окислительно-восстановительные реакции. В гетеролитической реакции оба электрона двух- электронной химической связи переходят к одному из атомов. Гетеролитический механизм осуществляется при каталитических реакциях дегидратации спиртов, гидратации олефинов и др.