Тема 5. Кінетика хімічних процесів і каталіз

1. Формальна кінетика

2. Молекулярна кінетика

3. Кінетика гетерогенних процесів

4. Каталіз

1. Формальна кінетика

Найбільш загальним кінетичним критерієм реакційної здатності хімічної системи є швидкість реакції.

Хімічна кінетика встановлює закони, що визначають швидкість хімічних процесів, з’ясовує роль різних чинників, що впливають на швидкість і механізм реакцій. Практичне значення кінетики реакцій очевидно, тому що тільки знаючи закони кінетики і механізм реакцій можна ефективно управляти хімічними процесами. Від швидкості хімічної реакції залежить вихід продуктів,

тобто продуктивність праці й апаратури.

Хімічна кінетика складається з двох розділів:

1 формальна кінетика, яка дає математичний опис швидкості реакції без урахування механізму самої реакції;

2 молекулярна кінетика – навчання про механізм хімічної взаємодії.

Якщо реакція відбувається в одну стадію, її називають елементарною хімічною реакцією. Швидкість гетерогенної реакції (яка відбувається на поверхні розподілу фаз) відносять до одиниці поверхні.

Швидкістю гомогенної реакції називають зміну кількості речовини в одиницю часу в одиниці об’єму.

Загальноприйнято вимірювати швидкість реакції в молях на літр-секунду (моль/л·с), хоча припустимі і інші одиниці часу.

Швидкість реакції залежить від природи реагуючих речовин, їх концентрацій, температури, наявності каталізатора, від природи розчинника (якщо йдеться про реакції в розчині).

В результаті реакції концентрації початкових речовин постійно зменшуються, а концентрації кінцевих речовин збільшуються. Сама швидкість теж не залишається незмінною.

Зменшення швидкості реакції з часом пояснюється дуже просто – чим менше залишилось молекул початкових речовин, тим менша кількість їх зіткнень за одиницю часу, тобто зменшення концентрацій реагентів приводить до зменшення швидкості реакції. В 1867 році Гульдберг і Вааге сформулювали правило, яке одержало назву закону дії мас:

За сталої температури швидкість гомогенної реакції пропорційна добутку концентрацій реагуючих речовин у ступенях, які дорівнюють стехіометрічним коефіцієнтам цих речовин в рівнянні реакції.

Відповідно до закону дії мас, швидкість хімічної реакції

aA + bB → cC + dD,

визначається рівнянням

υ = kC^a_AC^b_B (5.1)

де C_A і C_B – концентрації реагуючих речовин; k – константа швидкості реакції.

Вираз (5.1) називають основним постулатом хімічної кінетики.

Фізичний зміст константи швидкості k можна встановити, якщо прийняти всі концентрації рівними одому молю на літр. Тоді

υ = k (5.2)

Константа швидкості хімічної реакції дорівнює швидкості реакції при концентраціях реагуючих речовин, рівних одиниці. Константа швидкості, як і

швидкість, залежить від природи реагуючих речовин, температури, наявності

каталізатора, але не залежить від концентрації.

Молекулярність хімічної реакції визначається числом молекул (часток),

що беруть участь в елементарному акті реакції.

Розрізняють одномолекулярні, двомолекулярні і тримолекулярні реакції. До одномолекулярних реакцій типу А → В або А → В + С відносяться процеси

розпаду молекул на більш прості складові частини, наприклад

CH₃COCH₃ → С₂Н₄ + Н₂ + СО.

Двомолекулярними називаються реакції типу А + В → С або 2А → В,

наприклад

H₂ + I₂ → 2HI.

Значно рідше зустрічаються тримолекулярні реакції А + 2В →С або

ЗА→ В, наприклад

2NO + O₂→ 2NO₂.