16. Влияние концентраций реагентов на скорость гомогенных процессов и степень превращения

Математическую формулу, связывающую скорость химической реакции с концентрациями исходных веществ, между которыми она протекает, называют основное кинетическое уравнение. Порядок реакции определяется видом кинетического уравнения и равен сумме показателей степеней, при концентрациях исходных веществ в кинетическом уравнении. Порядок реакции- это чисто экспериментальная величина. Молекулярность можно определить по уравнению реакции (теоретическая величина).

Влияние концентрации исходных веществ на скорость процесса выражается законом действующих масс:

Основное кинетическое уравнение:

Порядок реакции может быть целой величиной и дробной (в гетерогенно-каталитических процессах).

Закон действующих масс применим только к простым реакциям (когда столкновение исходных веществ приводит к конечным, в одну стадию идет). Но и для лимитирующих стадий сложных реакций закон действующих масс тоже справедлив. Частные реакции по веществу А и В. n для реакции = (общий порядок реакции) .

Первый порядок реакции: протекает по реакции первого порядка, это когда, когда скорость реакции зависит от концентрации одного вещества. Порядок реакции 2: -от концентрации двух веществ, если начальные концентрации их различны.

Чем ниже порядок, тем с большей скоростью протекает реакция.

Для реакции 1 порядка зависимость и скорости реакции выглядит следующим образом:

(5.1)

2 порядка:

(5.2)

(5.3)

Как видно из уравнений (5.1-5.3), зависимость скорости реакции от концентрации сильно возрастает с увеличением порядка реакции. Интегрированием дифференциальных кинетических уравнений получают все необходимые соотношения для описания влияний концентраций на время процесса, необходимое для достижения заданной степени превращения Х.

Интегрируем дифференциальное кинетическое уравнение 1 порядка. Получаем:

, (5.4)

- концентрация вещества А к моменту времени

- концентрация вещества А в начале

, (5.5)

, (5.6)

, (5.7)

, (5.8)

Рисунок 5.

Аналогичные уравнения можно получить и для реакции 2 порядка, только они будут иметь более сложный вид.

Некоторые выводы:

1. Степень превращение для реакции 1 порядка не зависит от концентрации исходных веществ ( см. 5.7)

2. Для реакции 1 порядка - при изменении времени прямо пропорционально начальной концентрации вещества (см. 5.6). Значит мгновенная скорость реакции прямо пропорциональна начальной концентрации исходного вещества. Для реакции 2 порядка эта зависимость будет уже не линейной.

3. Для реакции 1 порядка степень превращения не зависит от , а для реакции 2 порядка растет по «затухающей кривой».

n=1

n=2

Рисунок 6.

4. Для технолога очень важно значение величины , влияющую на среднюю скорость процесса :

1 порядок , (5.9)

2 порядок , (5.10)

5. Скорость процесса увеличивается с повышением при заданной степени превращения (см. 5.8).

Влияние концентрации на скорость обратимой реакции аналогично, хотя выражается для движущей силы процесса ( )более сложно. Следует помнить, что с ростом скорости, при увеличении концентрации, растет и степень превращения за заданное время . Если в реакции участвуют 2 или более вещества, то увеличении концентрации одного из них всегда приводит к увеличению скорости реакции и увеличению выхода продуктов по другому продукту.

изб.

=max

Рисунок 7.