8. Використання законів хімічної кінетики при виборі технологічного режиму.

Хімічна термодинаміка дозволяє вирішити питання про напрямок перебігу хімічних реакцій й оцінити гранично досяжні (рівноважні) стани реакційної системи. Однак вона не може відповісти на запитання, що мають надзвичайно важливе практичне значення в хімічній технології: як швидко відбудеться хімічне перетворення, за який проміжок часу буде отримана та або інша кількість продукту реакції.

Вирішальне значення при виборі умов проведення хіміко-технологічних процесів мають питання швидкості хімічних перетворень, досліджувані хімічною кінетикою.

Для хімічної технології важливий кінцевий результат кінетичних досліджень — конкретний вид рівняння, що дозволяє розраховувати швидкість хімічної реакції за різних умов її проведення. Кінетичні рівняння, що містять необхідну інформацію про основні закономірності хімічних перетворень, є першоосновою математичної моделі хімічного реактора. Без знання кінетичних закономірностей неможливо правильно вибрати тип реактора й розрахувати його конструктивні розміри.

Питання вивчення кінетики хімічних реакцій, визначення кінетичних параметрів докладно розглядаються в курсі фізичної хімії й в підручниках з хімічної кінетики. У курсі ЗХТ основна увага буде звернено на практичні додатки результатів кінетичних досліджень.

8. 1. Швидкість гомогенних хімічних реакцій

Швидкість хімічної реакції прийнято виражати кількістю (моль) n_J одного з реагентів або продуктів, що прореагували (або що утворились) в одиницю часу в одиниці реакційного простору.^* Для гомогенної хімічної реакції:

υ_J=± (8.1)

де V — реакційний об'єм.

Під реакційним простором у випадку гомогенних реакцій розуміють об’єм реактора, гетерогенних –поверхню розділу фаз, на якій перебігає процес, гетерогенно-каталітичних –поверхня розділу фаз або кількість каталізатора.

Швидкість хімічної реакції може бути виміряна за будь-яким компонентом, що бере участь у реакції; вона завжди позитивна, тому знак перед похідною dn_j/d повинен визначатися тим, чи є речовина J вихідним реагентом (тоді dn_J/d негативна) або продуктом (тоді dn_j/d позитивна). Іноді не можна виразно сказати, чи є речовина J реагентом або продуктом. Наприклад, за перебігання послідовних реакцій:

А R; R S, (8.2)

речовина R є продуктом стосовно першої стадії й реагентом стосовно другої. У цьому випадку необхідно, щоб знак перед похідною перебував у певній відповідності зі знаками в кінетичному рівнянні

В тім випадку, якщо реакція перебігає за постійного об'єму, швидкість визначається як зміна молярної концентрації C_J в одиницю часу:

υ_J=± (8.3)

Якщо хімічна реакція описується стехіометричним рівнянням:

аА+вВ+сС+... rR+sS+gG+., (8.4)

то зміни кількостей реагентів і продуктів Δn_J- у результаті її перебігу зв'язані між собою співвідношеннями:

Δn_A/a=Δn_В/b₌Δn_R/_R=Δn_S/s…. (8.5)

Швидкості реакції, визначені за зміною кількості різних реагентів відповідно до рівнянь (7.1) або (7.2), кількісно розрізняються між собою, якщо не рівні стехіометричні коефіцієнти в цих реагентів. У той же час із рівнянь (7.1) і (7.2) слідує, що для швидкостей реакцій, розрахованих за зміною кількості різних реагентів або продуктів, буде виконуватися умова:

(8.6)

Така ситуація створює деякі незручності в кількісному визначенні швидкості реакції, тому що вимірювана за зміною кількостей різних реагентів швидкість однієї й тієї ж реакції буде виражатися різними числовими значеннями. Для усунення цієї незручності далі будемо визначати швидкість реакції за наступним рівнянням:

υ_J=± (8.7),

дe j—стехіометричний коефіцієнт у компонента J, за яким розраховують швидкість реакції. Тоді швидкість "приводиться до загального знаменника" і незалежно від того, за зміною кількості якого конкретного реагенту або продукту вона визначалася, чисельно буде однакова, тобто:

υ_A=υ_B=υ_J=υ (8.8)

Експериментально швидкість хімічної реакції визначають, вивчаючи зміну в часі кількості (або концентрації) деякого реагенту або продукту.

Чисельно швидкість реакції виражають в одиницях концентрації, віднесених до одиниці часу, наприклад у кмоль·м^-3∙ч^–1 моль·л^-1с^-1 і т. ін.