Глава X. Кинетика гомогенных химических реакций.

Химической кинетикой называется учение о скорости протекания химической реакции и ее зависимости от различных факторов: концентраций продуктов реакции, температуры, катализаторов и т. д. Это так называемая формальная кинетика.

Термодинамический метод изучения химических процессов, позволяющий осуществлять расчет химических равновесий и устанавливать направление возможного протекания реакции, не позволяет сделать никаких заключений о действительной скорости реакции в разрешенном направлении. Действительная скорость перехода системы в состояние термодинамического равновесия может быть столь мала, что неустойчивые в термодинамическом отношении объекты ( метастабильные) могут длительно существовать и использоваться на практике. В качестве примера можно привести изделия из инструментальных сталей с метастабильной структурой “мартенсит отпуска”, работающие довольно продолжительное время. Даже жизнь растений и животных, тела которых не превращаются мгновенно в углекислоту и воду, связана с регулируемыми в их организмах скоростями биологических процессов.

Знание кинетики химических реакций необходимо при разработке технологии различных производственных процессов, их аппаратного оформления и изыскания возможности их интенсификации и автоматизации.

Кинетика также занимается изучением механизма химических реакций и разработкой теории химического взаимодействия (неформальная кинетика). Ввиду того, что химические процессы часто сопровождаются процессами растворения, адсорбции и другими физическими процессами, вопросы кинетики химических реакций тесно связаны с вопросами кинетики ряда физических процессов, например диффузии.

1. Скорость химической реакции.

Количественно скорость химической реакции измеряется изменением концентрации продуктов реакции в единицу времени:

, (10.1)

где - средняя скорость химической реакции;

- изменение концентрации;

- промежуток времени.

В ходе химической реакции ее скорость непрерывно изменяется, поэтому истинная скорость химической реакции (v) в любой момент времени есть отношение бесконечно малого изменения концентрации dC к бесконечно малому изменению времени , в течении которого это изменение произошло:

, (10.2)

где знак “минус” относится к случаю уменьшения концентрации продукта в ходе химической реакции.

Следует помнить, что величины скоростей химических реакций, вычисленные по изменению концентраций различных продуктов химической реакции связаны между собой стехиометрическими коэффициентами.

Зависимость скорости химической реакции от концентрации ее продуктов выражается основным законом химической кинетики, сохранившем неточное название закона действующих масс. Он формулируется: “... скорость химической реакции в любой момент времени при постоянной температуре прямо пропорциональна произведению концентраций реагирующих веществ, причем каждая из концентраций берется в степени равной коэффициенту перед формулой этого вещества в уравнении химической реакции” (закон Гульдберга - Вааге, 1867 г.).

В аналитической форме записи закон Гульдберга - Вааге имеет вид:

, (10.3)

где k - константа скорости химической реакции.

Для химической реакции в произвольной форме записи

закон Гульдберга - Вааге дает:

- для прямой реакции;

- для обратной реакции;

k₁ и k₂ - константы скоростей прямой и обратной химических реакций соответственно.

Очевидно, что наблюдаемая или регистрируемая скорость химической реакции (v) вычислится:

v = v₁ - v₂. (10.4)

В ходе химической реакции концентрации исходных продуктов химической реакции уменьшаются и вместе с ними уменьшается и скорость прямой реакции. Одновременно растут концентрации конечных продуктов и, соответственно, скорость обратной реакции. Если v₁ = v₂, то v = 0 и наступает состояние химического равновесия:

, (10.5)

где k_C - константа равновесия химической реакции, определенная ранее термодинамическим

методом.

Таким образом, в состоянии химического (термодинамического) равновесия процессы в системе, связанные с химическими реакциями не прекращяются, а непрерывно продолжаются во встречных направлениях с равными скоростями. Такое состояние называется еще состоянием динамического равновесия. Полученный вывод подтверждает тезис о том, что движение - единственно возможная форма существования материи.