Глава 2. Составление и анализ кинетических моделей химических реакций

В этой главе мы познакомимся с основными понятиями химической кинетики. Кроме того будет показано, что между химическими процессами, как объектом исследования, и применяемым к ним математическим аппаратом, как инструментом исследования, существует неразрывная связь.

2.1. Основные понятия и определения

Химическая кинетика есть учение о химическом процессе, его механизме и закономерностях его развития во времени [4].

Химическая реакция есть превращение одного или нескольких веществ, называемых исходными веществами, в одно или несколько других химических веществ, называемых продуктами реакции. Элементарный акт реакции – это единичное химическое превращение исходных частиц. Понятие элементарной стадии тесно связано с понятием об элементарном акте (элементарной реакции). Определим элементарную химическую стадию как простейший акт изменения химического состояния системы (химического взаимодействия), который характеризуется прохождением ее не более чем через один энергетический барьер. Элементарные стадии характеризуют элементарное взаимодействие, в котором может участвовать только целое число частиц. Элементарные стадии не могут быть разложены на какие-либо другие, простые акты, поэтому никаких промежуточных продуктов в самой элементарной стадии принципиально быть не может [5].

Реакции называются сложными, если расходование исходных веществ и образование продуктов реакции происходят с участием нескольких элементарных стадий, протекающих одновременно или последовательно.

В качестве примера рассмотрим реакцию образования бромистого водорода [6]:

H2 + Br2 → 2HBr

(2.1)

Эта реакция в действительности протекает через стадии:

1) Br2 → 2Br 2) Br + H2 → HBr + H 3) H + Br2 → HBr + Br 4) H + HBr → Br + H2 5) 2Br → Br2

(2.2)

Совокупность стадий (2.2), из которых складывается химическая реакция, называется механизмом или схемой химической реакции.

Заметим, что при сложении всех стадий с учетом того, что вторая должна быть повторена дважды, получается полное стехиометрическое уравнение для реакции (2.1).

При изучении кинетики реакций необходимо учитывать их обратимость.

Необратимые реакции – химические реакции, которые идут практически до конца в одном направлении. Примером таких реакций являются реакции, в которых образуется осадок или газ.

Обратимые реакции – химические реакции, которые при одних и тех же условиях могут идти в противоположных направлениях. То есть, образовавшиеся продукты реагируют между собой, и реакция проходит в противоположном направлении. Обратимые реакции никогда не заканчиваются! В уравнении обратимой реакции вместо стрелки (или =) стоит знак обратимости .

Классический пример обратимой реакции — окисление диоксида серы кислородом в триоксид серы:

2SO₂ + O₂ 2SO₃.

Реакция, протекающая слева направо, называется прямой (реакция образования SO₃). Реакция, протекающая справа налево, называется обратной (реакция разложения SO₃ на SO₂ и O₂).