Физическая химия Химическая кинетика и катализ Введение
Химическая кинетика – это учение о химическом процессе, его механизме и закономерностях протекания во времени. Химическая кинетика позволяет предсказывать скорость химических процессов. Создание математической теории химического процесса является в настоящее время необходимым условием для проектирования химических реакторов.
Содержание химической кинетики составляют два основных раздела:
а) формально математическое описание скорости реакции без учета механизма самой реакции ( математическое выражение процесса в целом), так называемая формальная (феноменологическая) кинетика;
б) учение о механизме химического взаимодействия на основе молекулярных данных о свойствах частиц – теории кинетики (молекулярная кинетика).
Скорость процесса химического взаимодействия зависит от условий, в которых протекает реакция. В соответствии с тем, в какой фазе протекает реакция, различают кинетику газовых реакций, кинетику реакций в растворах и кинетику реакций в твердой фазе.
В системах, в которых протекает последовательно несколько процессов, скорость всего процесса в целом определяется наиболее медленной, так называемой определяющей (лимитирующей) стадией. Если лимитирующей стадией является сам акт химического взаимодействия и процесс подвода и отвода компонентов реакции не влияет на ее скорость, то говорят, что реакция протекает в кинетической области. Здесь величина скорости реакции определяется кинетическим законам собственно химической стадии процесса. Могут встречаться реакции, в которых определяющей стадией является подвод реагирующего вещества, а не сам акт химического взаимодействия. В этом случае процесс протекает в диффузионной области, и скорость всего процесса определяется законами диффузии. Кроме того, бывают случаи, когда скорости реакции и диффузии соизмеримы. Скорость всего процесса тогда является сложной функцией кинетических и диффузионных явлений, и процесс протекает в переходной области.
Кинетическая классификация реакций
По числу частиц, участвующих в реакции:
по порядку;
по молекулярности.
По природе частиц, участвующих в элементарном акте реакции:
реакции, в которой участвуют молекулы, называются молекулярными;
реакции с участием свободных радикалов или атомов называются цепными;
реакции с участием ионов называются ионными.
По числу фаз, участвующих в реакции:
Гомогенными называются реакции, протекающие в однородной среде (например, в смеси реагирующих газов или в растворе);
Гетерогенными называются реакции, протекающие в неоднородной среде, на поверхности соприкосновения взаимодействующих веществ, находящихся в разных фазах (например, твердой и жидкой, газообразной и жидкой и т.п.).
4. По степени сложности:
В зависимости от механизма реакции могут быть подразделены на простые и сложные. К простым реакциям относятся реакции, протекающие в одном направлении и включающие один химический этап. Формально они классифицируются по порядку (когда стехиометрический и кинетический порядки совпадают) и могут быть нулевого, первого, второго, третьего порядков. В «чистом виде» простые реакции почти не встречаются. В подавляющем большинстве случаев это стадии сложных химических процессов.
Сложные реакции – это многостадийные химические процессы. В кинетике существует положение о независимом протекании отдельных стадий сложной реакции: значение константы скорости отдельной стадии не зависит от наличия в системе других стадий.
Сложные реакции подразделяются следующим образом:
-
обратимые реакции: А
+ В
Х
+ У
- параллельные реакции:
C
+ D
А
+ В
G + R
В случае параллельных реакций скорость всего процесса будет определяться скоростью наиболее быстрой его стадии.
- последовательные реакции:
А В С или А + В С + D Х + У
Если в последовательных реакциях скорость одной из химических стадий значительно меньше скоростей других, то скорость всего процесса будет определяться скоростью самой медленной стадии.