Химия

I семестр

Химическая кинетика

Химическая кинетика – раздел химии, отвечающий на вопросы о скорости химических реакции и о возможности влияния на них.

Химическая реакция – это взаимодействие веществ, приводящее к образованию нового вещества. Пример: .

Скорость реакции – это изменение количества вещества в единицу времени в единице объёма: , по определению. Если , то говорят, что вещество образуется, если – расходуется.

Любое взаимодействие веществ происходит при столкновении молекул, ионов или радикалов.

Молекула – мельчайшая частица вещества, обладающая всеми его химическими свойствами. Молекулы электрически нейтральны.

Ион – заряженная частица. Если заряд положителен, то ион называется также катионом, отрицателен – анионом.

Радикал – частица, имеющая неспаренный электрон.

1. Скорость процесса определяется числом столкновений в секунду. Поэтому с ростом концентрации скорость химической реакции растёт.

2. С ростом температуры возрастает кинетическая энергия частиц и с большей вероятностью столкновение может привести к химической реакции.

– энергия активации – энергия, которой должны обладать сталкивающиеся частицы для того, чтобы между ними произошла химическая реакция. Энергия активации идёт на разрыв связей в исходных частицах. Там, где связи не нужно разрывать (например, при столкновениях радикалов), энергия активации равна нулю.

3. Скорость химической реакции зависит от природы взаимодействующих веществ.

Пусть идёт реакция , где A,B,C – вещества, a,b,c – коэффициенты. Тогда , где – концентрация A, а k – константа скорости химической реакции.

Уравнение Аррениуса: , где A – предэкспоненциальный множитель, t – температура, К, . Здесь также , где p – вероятность удачных столкновений, – число столкновений частиц в единице объёма в единицу времени при концентрации этих частиц равной 1 моль/л.

У прощённый вариант (уравнение Вант-Гоффа): , где – константа скорости химической реакции при температуре ,  – температурный коэффициент скорости химической реакции. Обычно .  показывает, во сколько раз возрастает скорость химической реакции (константа скорости) при росте температуры на каждые 10 К.  зависит от температуры.

Если во время химической реакции тепло выделяется, то такая реакция называется экзотермической, иначе – эндотермической.

Механизм химических реакций

Механизм химических реакций – совокупность элементарных реакций, приводящих к образованию стабильных конечных веществ.

Элементарная реакция – реакция, протекающая при непосредственном столкновении двух частиц.

Катализатор – это вещество, ускоряющее реакцию, но не расходующееся.

Пример:

. Механизм реакции: , , , . Совокупность всех этих реакций есть механизм бромирования бензола. Наиболее активные частицы – ионы брома, поэтому этот механизм называется ионным. Если активные частицы – радикалы, то механизм называется радикальным.

Роль катализатора, как правило, сводится к уменьшению энергии активации всего процесса:

В се вышерассмотренные реакции протекают в одной фазе (в одном агрегатном состоянии вещества). Это либо газовая, либо жидкая среда.

Гетерогенные реакции – реакции, протекающие на границе раздела фаз.

Для гетерогенных реакций скорость определяется не на единицу объёма, а на единицу площади соприкосновения двух фаз: .

Особенности механизма гетерогенных реакций:

1. Диффузия вещества к поверхности раздела фаз.

2. Адсорбция (прилипание молекулы реагирующего вещества к поверхности).

3. Собственно химическая реакция.

4. Десорбция продуктов реакции с поверхности.

5. Диффузия продуктов реакции от поверхностей контакта фаз.

Общая скорость процесса определяется скоростью самой медленной стадии, и эта стадия называется лимитирующей.