1. Теоретические положения

Реакция называется простой, если скорость образования (расходования) вещества С_i зависит от концентраций только исходных веществ. Принятые или истинные механизмы простых реакций учитывают только один путь химического превращения.

Если в простой реакции участвует n веществ , то материальный баланс реакции выражается уравнением:

, (1.1)

где - стехиометрические коэффициенты (отрицательные для исходных и положительные для образующихся веществ).

Коэффициент показывает, сколько молекул вещества С_i участвует в реакции. Изменение концентрации вещества в простой реакции описывается дифференциальным уравнением:

. (1.2)

Функция называется константой скорости реакции и чаще всего задается уравнением Аррениуса:

, (1.3)

где - предэкпоненциальный множитель, характеризующий вероятность взаимодействия молекул веществ, энергия которых достаточна для осуществления реакции; Е – энергия активации, равная избытку энергии относительно средней энергии молекул при данной температуре, которым должны обладать молекулы веществ для осуществления химического взаимодействия; R - универсальная газовая постоянная; Т – абсолютная температура.

Функция f_i в уравнении (1.2) обычно имеет следующий вид:

, (1.4)

где - постоянные положительные величины, называемые порядками реакции по веществам .

Стехиометрическое уравнение реакции (1.1) показывает, в каких соотношениях компоненты участвуют в химической реакции. Это уравнение связывает исходные реагенты, конечные продукты и представляет собой уравнение материального баланса реакции в целом или ее отдельных стадий. Если в результате химического взаимодействия а моль вещества А и b моль вещества В образуется с моль вещества С, стехиометрическое уравнение реакции представляется в виде:

, (1.5)

где a, b, c – стехиометрические коэффициенты.

Механизм химической реакции раскрывает все элементарные стадии превращения исходных компонентов в конечные продукты через промежуточные вещества. Предположим, что механизм реакции (1.5) включает три стадии:

, (1.6)

, (1.7)

. (1.8)

Здесь А и В – исходные вещества, С- конечный продукт реакции, D – промежуточный продукт. Каждая стадия реакции описывается стехиометрическим уравнением:

, (1.9)

, (1.10)

. (1.11)

Реакцию в целом механизма описанного уравнениями (1.6)-(1.8) получают путем суммирования уравнений

(1.12)

Уравнение (1.12) тождественно уравнению (1.5), если выполняются следующие условия:

; ; ; .

Скорость химической реакции выражается числом молей компонента, которое образуется или расходуется в единицу времени в единице объема V. Кинетические уравнения реакции имеет вид:

. (1.13)

Отношение числа молей i-го компонента к объему реакционной массы V представляет собой концентрацию этого компонента:

. (1.14)

При постоянном объеме реагентов скорость реакции можно выразить через концентрацию:

. (1.15)

Скорость реакции типа при постоянной температуре выражается уравнением:

, (1.16)

где  и  - определяют порядок реакции, k – константа скорости химических реакций.

Механизм реакции называют истинным, если каждая стадия описывается кинетическим уравнением, составленным в соответствии со стехиометрическим уравнением этой стадии. Приближенный механизм реакции может хорошо аппроксимировать опытные данные по кинетике, но при этом кинетические уравнения скорости не соответствуют стехиометрическим уравнениям. При истинном механизме реакции сумма стехиометрических коэффициентов исходных компонентов равна порядку реакции, а порядок реакции по отдельному компоненту равен стехиометрическому коэффициенту этого компонента.

Например, для реакции типа стехиометрическое уравнение записывается в виде (1.5). Кинетическое уравнение скорости для продукта реакции выражается уравнением:

. (1.17)