Московский авиационный институт

(национальный исследовательский университет)

Курсовая работа по теме: «Кинетическое и термодинамическое исследование физико-химических процессов»

Выполнила:

студентка группы 20-106Б

Искандарова Э.Ф.

Проверила:

Гимальдинова Г.Г.

Скорость химической реакции – это число элементарных актов реакции, происходящих в единицу времени в единице объема.

Измеряется скорость химической реакции изменением концентрации реагирующих веществ в единицу времени.

Пусть C1– это количество реагирующих веществ во времени t₁; а C₂ –количество реагирующих веществ во время t₂. Тогда

V = (C2 – C1)/(t2 – t1) = ∆C/∆t.

Так определяется средняя скорость. Но скорость изменяется непрерывно, и истинная скорость химической реакции находится как предел средней скорости при t→ 0, т.е.

lim ∆C/∆t = dC/dt = V.

t→0

Скорость реакции определяется по любому веществу. И часто выражение для скорости реакции A + B = AB приводится в виде

d[AB]/dt =K[A][B].

При рассмотрении вопроса о скорости химической реакции надо учитывать, в какой системе идет реакция.

Различают гомогенные и гетерогенные системы. Гомогенной называется система, состоящая из одной фазы (газовые смеси, растворы).Гетерогенной называется система, состоящая из нескольких фаз(вода + лед; насыщенный раствор + осадок).

Фаза – это часть системы, отделенная от других ее частей поверхностью раздела, при переходе через которую свойства изменяются скачкообразно.

Если реакция идет в гомогенной системе, то она идет во всем объеме. Если же реакция идет в гетерогенной системе, то она идет только наповерхности раздела фаз, образующих систему.

Скорость химической реакции зависит от очень многих факторов:

–концентрации реагирующих веществ;

–температуры реакции;

–природы реагирующих веществ;

–катализаторов;

–степени измельчения (твердые вещества);

–среды (для реакций, идущих в растворе);

–интенсивности облучения и т.д.

Самыми главными и общими для большинства химических реакций являются первые четыре фактора. Другие же факторы действуют на определённые типы реакций. Tак, интенсивность облучения влияет на фотохимические реакции.

Влияние концентрации реагирующих веществ

Чем больше концентрация реагирующих веществ, тем выше скорость химической реакции. Это действительно так. Чем больше концентрация веществ, тем чаще сталкиваются молекулы друг с другом. В 1867 г. К. Гульдберг и П. Вааге открыли закон, который определяет скорость реакции в зависимости от концентрации. Он называется законом действующих масс:

Скорость химической реакции прямо пропорциональна произведению концентраций реагирующих веществ. Если A + B = C , то V = K[A][B] или V = KC_AC_B

В общем случае nA + mB = C, то V = K[A]ⁿ[B]^m.

K – коэффициент пропорциональности, который называется константой скорости данной реакции.

K = V при [A]=[B] = 1.

Для гетерогенных систем скорость определяется концентрацией вещества в жидком или газообразном состоянии. Константа скорости зависит от природы реагирующих веществ, температуры и не зависит от концентрации реагирующих веществ.

Закон действующих масс применим только к одной стадии реакции, однако большинство химических реакций имеет сложный механизм.По числу реагирующих молекул химические реакции делят:

а) на мономолекулярные;

б) бимолекулярные (принимают участие две молекулы);

в) тримолекулярные (принимают участие три молекулы).

Наиболее вероятными процессами являются бимолекулярные. Молекулярность реакции определяет кинетический порядок реакции.

Порядок реакции – это сумма показателей степеней концентраций отдельных реагентов в выражении закона действующих масс. Сумма показателей определяет общий порядок реакции, а отдельный показатель степени – порядок по каждому из компонентов. Различают реакции первого, второго, третьего и другого порядков.

Скорость реакции первого порядка определяется следующим выражением:

V = K[A] = KC_A

Для реакции второго порядка возможны два варианта выражения дляскорости реакции:

V = K[A]²= KC_A²

при участии в реакции одного компонента.

V = K[A][B] = KC_AC_B

при участии двух компонентов.

Если концентрации компонентов А и В равны, то второе уравнение превращается в первое:

V = K[A][B] = K[A]²при [A] = [B].

Если же [A]>>[B] и в процессе взаимодействия расходуется небольшая часть компонента А, то формально данное уравнение сводится к уравнению для реакции первого порядка.

Скорости реакций третьего порядка могут быть описаны следующими уравнениями:

V = KC_A³;

V = KC_A²C_B;

V = KC_AC_BC_C.

Размерность скорости химической реакции – моль/л·с или молекул/см³⋅с. Размерность константы скорости зависит от порядка реакции.

Для реакции первого порядка размерность скорости [K] = C^–, для реакций второго порядка [K] = л/моль⋅с или [K] = см³/молекул²⋅с. Константареакций третьего порядка имеет размерность [K] = л²/моль²⋅с или [K] =см³/молекул²⋅с. Практика показывает, что реакции выше третьего порядка практически не встречаются.

Но не всегда можно определить порядок реакции по выражению для скорости реакции.

Скорость реакции определяется самой медленной стадией реакции. Закон действующих масс справедлив для каждой стадии.

Молекулярность реакции представляет молекулярно-кинетическую характеристикусистемы. Понятие же порядка реакции следует из формально-кинетического описания. Для простых гомогенных одностадийных ре-

акций понятия порядка и молекулярности совпадают. Мономолекулярная реакция – это реакция первого порядка, бимолекулярная – реакция второго порядка. Для сложных реакций порядок и молекулярность не совпадают. Порядок реакции – это чисто экспериментальный параметр,который описывает только экспериментально полученный вид кинетического уравнения. Но порядок реакции не позволяет делать никаких выводов о механизме реакции. Порядок реакции может иметь дробное идаже нулевое значение. Нулевое значение порядка реакции бывает привзаимодействии твердого вещества с жидким, а также в реакциях разложения некоторых веществ на поверхности твердых веществ, когда скорость распада веществ не зависит от концентрации их в объеме. Реакции дробного порядка наблюдаются при многостадийных процессах, когда скорости их соизмеримы, но самые медленные стадии имеют различный порядок.

Молекулярность реакции также достаточно сложно определить по еёуравнению. Чтобы указать молекулярность реакции, необходимо иметьсведения о механизме реакции. Даже реакции, уравнения которых имеют подобный вид, часто не совпадают по молекулярности. Очень хорошо это иллюстрируют реакции галогенов с водородом.