4.1 Влияние температуры

Температура химической реакции влияет на скорость, и это влияние зависит от типа химической реакции. Рассмотрим такую зависимость для следующих реакций.

4.1.1 Простая необратимая экзо- или эндотермическая реакция

Рисунок 4.1– Зависимость

скорости необратимой

экзо- или эндотермической

реакции от температуры

;

; (4.4)

с ростом температуры для этих реакций растет скорость реакции (рисунок 4.1).

4.1.2 Простая обратимая экзотермическая реакция А R+Q;

скорость химической реакции W_rA=k₁C_A-k₂C_R.

Ранее получено C_A=C_A,0(1-X_A); C_R=C_A,0X_A; K_c=k₁/k₂.

После подстановки

W_rA=k₁C_A,0(1-X_A)-(k₁/К_c)C_А,0X_A; (4.5)

. (4.6)

Проанализируем уравнение при условии, что Х_А=const.

С ростом температуры: множитель увеличивается; коэффициент К_с понижается, значение 1/К_с растет и величина [1-Х_А(1+1/К_с)] понижается, следовательно, зависимость скорости химической реакции от температуры проходит через максимум (рисунок 4.2).

W_rA

X_A=const

T

Рисунок 4.2 – Зависимость скорости обратимой

экзотермической реакции от температуры

Построим несколько кривых для различных значений степени превращения (рисунок 4.3).

W_rA

B

X₁

X₂

А X₃

X₄

T

Рисунок 4.3 – Зависимость скорости обратимой экзотермической

реакции от температуры при различных степенях превращения

Чем больше степень превращения (Х₁<X₂<X₃<X₄), тем меньше скорость химической реакции.

Cоединим максимумы скоростей кривой АВ, которая носит название линии оптимальных температур (ЛОТ).

4.1.3 Простая обратимая эндотермическая реакция A .

Аналогично обратимой экзотермической реакции получаем, что

(4.7)

W_rA

X₁

X₂

Х₃

Т

Рисунок 4.4 – Зависимость

скорости обратимой

эндотермической реакции

от температуры

Проанализируем уравнение при условии, что Х_А= const. С ростом температуры множитель увеличивается, коэффициент K_c увеличивается, значение 1/К_с – уменьшается, величина [1-X_A(1+1/K_c)] увеличивается.

W_rA

X₁

X₂

X₃

T

С увеличением степени

превращения (Х₁ < X₂ < X₃) уменьшается скорость химической реакции (рисунок 4.4).

Рассмотрим для этих же реакций изменение степени превращения (рисунки 4.5, 4.6, 4.7).

A .

П ри небольших температурах мала степень превращения (Х_А), мала и скорость химической реакции. С возрастанием температуры резко увеличивается Х_А и велика скорость химической реакции. В конце химической реакции скорость мала, а Х_А асимптотически приближается к единице.

А .

Х_А Х_А

1 1

Х_А,е=f(T) А

τ₄

τ₃ Х_А,е

Х_фактич τ₂ Т

τ₁ Т

(τ₁< τ₂< τ₃< τ₄)

Рисунок 4.6 – Зависимость степени превращения от

температуры для простых обратимых экзотермических реакций

Для этих реакций при некотором времени τ величина Х_{фактич.} проходит через максимум. Значение Х_{фактич.} ограничено равновесной кривой, и в дальнейшем при увеличении температуры оно уменьшается, т.к. возрастает влияние термодинамических факторов. Если построить несколько зависимостей Х_{фактич.} и их максимумы соединить кривой АВ, то получим линию оптимальных температур для реакций.

Для простых обратимых экзотермических реакций существует не какая-то оптимальная температура, а температурная последовательность, обеспечивающая максимальную скорость процесса. Чтобы создать такие оптимальные условия, процесс следует вначале вести при высокой температуре, когда скорость химической реакции велика, и из-за низкого значения степени превращения Х_А не может быть достигнута высокая равновесная степень превращения Х_А,е. Для увеличения степени превращения Х_А необходимо снизить температуру и вести процесс по ЛОТ.

А .

Х_А

1

Х_А,е

Х_расч.

Т

Т_опт.

Рисунок 4.7 – Зависимость степени превращения от температуры

для простых обратимых эндотермических реакций

Для этих реакций приходится вводить понятие Т_опт., т.к. при дальнейшем росте температуры практически не меняется степень превращения.

Отрицательное влияние температуры выражается:

- в увеличении потерь целого продукта вследствие его испарения и образования побочных продуктов;

- в снижении прочности и химической стойкости материалов;

- в снижении степени превращения Х_А в обратимых экзотермических реакциях;

- в возможном снижении селективности при проведении сложных реакций.