4.2.4. Влияние температуры на скорость химических реакций

Температура оказывает сильное влияние на скорость химической реакции...

Простая необратимая реакция:

_(4.3.)

k – константа скорости реакции, определяемая опытным путем. Она характеризует процесс, протекающий на микроуровне взаимодействия молекул и, как всякая молекулярная характеристика, зависит от типа (вида) молекул и от температуры.

Физический смысл константы скорости: константа k равна скорости реакции в начальный момент, когда С_А=1.

Константа скорости реакции есть однозначная функция от температуры k=(T).

Температурная зависимость константы скорости реакции от температуры выражается с помощью уравнения Аррениуса:

где: k₀ – предэкспоненциальный множитель:

Е – энергия активации, выражающая число всех столкновений в единицу времени.

Таким образом, повышение температуры приводит к увеличению , что ведет к увеличению «k» и увеличению «v».

Подставив значение «k» в уравнение (4.3.) получим:

(4.4.)

и з уравнения (4.4) видно, что скорость реакции зависит от температуры и концентрации реагирующих компонентов.

П равило Вант-Гоффа

( эмпирическое правило):

При повышении температуры на 10 С скорость химической реакции возрастает в несколько раз (чаще в 2-4 раза)

где: k_t – константа скорости при температуре t;

k_{t (+10)} – константа скорости при температуре на 10 С выше;

_t – температурный коэффициент скорости реакции, показывающий во сколько раз увеличивается скорость реакции при повышении температуры на 10 С.

если t  100, то _t близко к 10.

если t  600, то _t близко к 1.

Прологарифмируем уравнение для различных температур:

При Т  , k  k₀.

k ₀ – предел, к которому асимптотически приближается величина “k” при бесконечном повышении температуры.

Влияние температуры на скорость основных типов реакций

1. , необратимая реакция:

С повышением температуры скорость реакции v увеличивается.

2.

Д ля анализа уравнения (4.5) подставим в него:

(4.6.)

здесь

Из уравнения (4.6) следует, что для некоторой постоянной х_А с повышением температуры суммарная скорость реакции с одной стороны должна возрастать за счет увеличения ,а с другой стороны снижаться, т. к. для экзотермических реакций К_С уменьшается при повышении температуры и, следовательно, возрастает член и уменьшается множитель в квадратных скобках. В связи с этим при повышении температуры скорость реакции вначале увеличивается, а затем снижается, т. е. зависимость (4.6) проходит через максимум.

Из уравнения (4.6) следует также, что при увеличении х_А (при прочих равных условиях) суммарная скорость реакции снижается. Поэтому для случая, когда х₁х₂, кривая зависимости v₂=(T) расположится ниже кривой, соответствующей х₁,а кривая зависимости v₃=(T) (когда x₄x₃x₂x₁) расположится еще ниже и т. д. Линия АВ, соединяющая максимумы полученных таким образом кривых, является линией оптимальных температур – ЛОТ.

3.

Характер зависимости v=(Т) также может быть установлен на основе уравнения (4.6). При повышении температуры скорость реакции возрастает за счет увеличения как члена , так и значения К_С.

П ри увеличении x_А (при прочих равных условиях) общая скорость реакции снижается (x₁x₂x₃). Или: чем меньше степень превращения, тем больше скорость реакции.

Таким образом, температура оказывает не только положительное, но и отрицательное влияние на показатели химико-технологического процесса.

Отрицательное влияние температуры состоит в следующем:

1. Увеличение потерь целевого продукта вследствие его испарения и образования побочных продуктов;

2. Возможность испарения или разложения сырья;

3. Уменьшение величин x^* в экзотермических реакциях;

4. Возможное снижение селективности сложных реакций;

5. Снижение прочности и химической стойкости материалов;

6. Повышенный расход энергии для осуществления процесса.

В каждом конкретном случае должна быть установлена экономически рациональная температура; она всегда несколько ниже Т_опт, найденной теоретическим путем, поскольку при теоретическом расчете не все факторы учитываются.