Закон действующих масс в химической кинетике

Закон действующих масс в кинетическойформе (основное уравнение кинетики) гласит, что скорость элементарнойхимической реакциипропорциональна произведениюконцентрацийреагентов в степенях, равных стехиометрическим коэффициентам в уравнении реакции^[1]. Это положение сформулировано в 1867 году норвежскими учёными К. ГульдбергомиП. Вааге. Для элементарной химической реакции:

закон действующих масс может быть записан в виде кинетического уравнения вида:

где —скорость химической реакции,—константа скорости реакции.

Для сложных реакций в общем виде это соотношение не выполняется. Тем не менее, многие сложные реакции условно можно рассматривать как ряд последовательных элементарных стадий с неустойчивыми промежуточными продуктами, формально эквивалентный переходу из начального состояния в конечное в «один шаг». Такие реакции называют формально простыми^[2]. Для формально простых реакций кинетическое уравнение может быть получено в виде:

(для трех исходных веществ, аналогично приведённому выше уравнению). Здесь ,,—порядок реакции по веществам ,,соответственно, а сумма— общий (или суммарный) порядок реакции.,,могут быть не равны стехиометрическим коэффициентам и не обязательно целочисленные.при определённых условиях может быть равно и нулю.

Закон действующих масс в химической термодинамике

В химической термодинамикезакон действующих масс связывает между собой равновесные активности исходных веществ и продуктов реакции, согласно соотношению:

где

—активность веществ. Вместо активности могут быть использованы концентрация (для реакции в идеальном растворе), парциальные давления (реакция в смеси идеальных газов), фугитивность (реакция в смеси реальных газов);

—стехиометрический коэффициент (для исходных веществ принимается отрицательным, для продуктов — положительным);

—константа химического равновесия. Индекс «a» здесь означает использование величины активности в формуле.

На практике в расчётах, не требующих особой точности, значения активности обычно заменяются на соответствующие значения концентраций (для реакций в растворах) либо парциальных давлений (для реакций между газами). Константу равновесия при этом обозначают илисоответственно. Впервые закон действующих масс был выведен из кинетических представлений Гульдбергом и Вааге, а термодинамический вывод его данВант-Гоффомв 1885 году^[3].

Пример: для стандартной реакции

константа химического равновесия определяется по формуле

Равновесие в технологических процессах

Технологические процессы делят на обратимые и необратимые. Необратимые процессы протекают лишь в одном направлении.

Все обратимые процессы стремятся к равновесию, при котором скорости прямого и обратного процессов уравниваются, в результате чего соотношение компонентов во взаимодействующих системах остается неизменным до тех пор, пока не изменятся условия протекания процесса. При изменении таких технологических параметров, как температура, давление, концентрация реагирующих веществ, равновесие нарушается, и процесс может протекать в том или ином направлении до наступления нового равновесия. Количественно состояние равновесия в химической реак-ции описывается законом действующих масс (ЗДМ):

при постоянной температуре и наличии равновесия отношение произведения действующих масс продуктов реакции к произведению действующих масс исходных веществ есть величина постоянная.

Эта постоянная величина называется константой равновесия К.

В гетерогенных системах обратимыми называют

такие процессы, в которых возможен самопроизвольный переход вещества или энергии из одной фазы в другую в обоих направлениях.

Межфазное равновесие определяют на основе закона распределения вещества и правила фаз.

Расчет константы равновесия осуществляют либо по экспериментальным данным или же через нормальное химическое сродство.

Для большого числа химических превращений константы равновесия при стандартных условиях приведены в справочниках физико-химических величин в виде таблиц или номограмм.

Влияние основных параметров технологического режима на равновесие определяется принципом Ле Шателье,

в системе, выведенной внешними воздействиями из состояния равновесия, самопроизвольно происходят изменения, стремящиеся уменьшить это воздействие и привести систему к новому состоянию равновесия.