2.2. Гомогенные и гетерогенные реакции

Химическая реакция, протекающая в пределах одной фазы, называется гомогенной химической реакцией при условии, что не образуется осадков или газообразных продуктов. (Фазой называется макроскопическая физическая часть вещества, отделенная от остальных частей системы границами раздела, например, лед, жидкая вода и пар – фазы воды [4]) Химическая реакция, протекающая на границе раздела фаз, называется гетерогенной химической реакцией (к примеру, реакция, протекающая на поверхности твердого катализатора).

Гомофазным называют процесс, в котором исходные вещества, стабильные промежуточные вещества и продукты реакции образуют не более чем одну фазу.

Гетерофазным называют процесс, в котором исходные вещества, стабильные промежуточные вещества и продукты реакции образуют более чем одну фазу.

2.3. Замкнутые и открытые системы

Замкнутой называется система, в которой отсутствует материальный обмен с окружающей средой. В замкнутую систему в начале процесса вводятся исходные вещества, которые далее претерпевают ряд химических превращений, но все эти вещества до окончания процесса не выводятся из реакционного сосуда.

Наряду с этим встречаются системы с непрерывным поступлением исходных веществ и выводом продуктов реакции. Системы, в которых имеет место материальный обмен с окружающей средой, называются открытыми системами.

2.4. Скорость химической реакции. Кинетическое уравнение химического процесса

Скорость химической реакции как количественная характеристика протекания химической реакции во времени является ключевым понятием химической кинетики.

В общем случае говорят не о скорости химического процесса, а о скорости по некоторому определенному компоненту.

В замкнутой системе скоростью гомофазного химического процесса по некоторому компоненту называется изменение количества этого компонента в единицу времени в единице объема:

(2.3)

Если гомофазный процесс протекает при постоянном объеме, то величина V может быть внесена под знак дифференциала

(2.4)

где C – концентрация вещества.

Размерность скорости реакции есть размерность концентрации, деленной на время. Наиболее употребительная в химии единица измерения концентрации – это (моль/л). Тогда размерность скорости реакции:

(2.5)

Пусть процесс описывается одним уравнением:

A_i – реагенты, B_j – продукты реакции.

a_i, b_j называются стехиометрическими коэффициентами.

Тогда изменения числа молей отдельных компонентов реакции связаны между собой соотношениями

(знак «–» необходим только для реагентов, так как они расходуются при протекании реакции, т.е. их концентрации уменьшаются).

В свете сказанного, например, скорость реакции (2.1) можно записать так:

При заданных внешних условиях (температура, давление постоянны) скорость химического превращения является функцией концентраций компонентов реакционной смеси и констант скорости.

Уравнение, описывающее зависимость скорости химического процесса от концентрации компонентов реакционной смеси, называется кинетическим уравнением химического процесса.

В химической кинетике приходится иметь дело с процессами, скорость которых оказывается пропорциональной произведению концентраций реагирующих веществ в некоторых степенях.

Кинетическое уравнение для одностадийной (элементарной) реакции, протекающей по стехиометрическому уравнению

имеет вид:

(2.6)

Величины a_i (i=1,2,…,l) принято называть порядком реакции по веществу A_i. Для элементарной реакции порядок по компоненту всегда целочисленен, для сложной реакции возможны дробные, отрицательные и нулевые порядки.

Сумму (a₁+ a₂+...+ a_l) называют порядком реакции.

Для элементарной стадии порядок реакции никогда не превышает трех. Одновременное сближение более трёх частиц маловероятно.

Кинетическое уравнение является количественной характеристикой закона действующих масс: скорость элементарной реакции при заданной температуре пропорциональна концентрациям реагирующих веществ в степенях, показывающих число вступающих во взаимодействие данных частиц [6].

Для обратимой реакции (со знаком ), описываемой одним стехиометрическим уравнением

кинетическое уравнение записывается в виде:

где k и k΄ – константы скорости прямой и обратной реакции. Положительному значению v соответствует протекание реакции слева направо, отрицательному – справа налево. Значению v=0 соответствует состояние химического равновесия. При v>0 реакция идет вправо, v<0 – влево.