1.1.1 Швидкість хімічної реакції

Основний величиною в хімічній кінетиці є швидкість реакції. Її можна виразити зміною кількості моль (або маси) речовин, що беруть участь в реакції, в одиниці об'єму за одиницю часу:

, (1.1)

де - швидкість реакції, кмоль(м^-3с^-1); - число моль реагенту і продукту, відповідно; - час, с; - об'єм реакційної системи (необхідний об'єм розчину), м³.

Швидкість реакції залежить від властивостей взаємодіючих реагентів, концентрації реакційної системи і температури. Для однієї і тієї ж хімічної реакції тільки два чинники можуть змінюватися, а властивості реагентів (теплота, хімічна активність і так далі) залишаються тими ж.

Отже (температура, концентрація реакційної системи)

У ізотермічних умовах: (концентрація реакційної системи)

Величина к в останньому рівнянні - константа швидкості реакції (або питома швидкість реакції). Насправді ця константа, згідно закону Ареніуса, є функцією температури:

, (1.2)

де - константа, що характеризує реакцію; - енергія активації, кДж/кмоль; R - універсальна газова стала, кДж/(кмоль^.К); Т - абсолютна температура, при якій відбувається реакція, К;

Активні маси, що визначають швидкість хімічної реакції, у разі|в разі| ідеальної системи, можна виразити|виказувати| через концентрації або парціальний тиск|тиснення|, в інших же випадках -| через активності.

Виходячи з об'єму реактора отримуємо:

(кількість молей, що утворилися /(об'єм реактора)^.час) (1.3)

У двофазних системах, виходячи з поверхні контакту фаз маємо:

( кількість молей, що утворилися /(поверхня контакту)^.час)^, (1.4)

У реакціях з твердою фазою

( кількість молей, що утворилися /(маса твердого тіла).час), (1.5)

У залежностях (1.3), (1.4), (1.5) - швидкість реакції, кмоль.с^-1; - кількість моль речовини, кмоль; - об'єм реакційної суміші, м³; - поточний час, з; S - площа поверхні контакту взаємодіючих фаз, м²; M- кількість речовини, кмоль.

Швидкість хімічної реакції можна записати таким чином:

, (1.6)

Це рівняння називається кінетичним рівнянням хімічної реакції. K - константа швидкості реакції, с^-1; - порядки реакції по компонентах і Залежність швидкості реакції від температури. З|із| рівняння Ареніуса виходить експоненціальна залежність констант швидкості реакції від температури. Швидкість реакції стає, таким чином, залежною від температури через константу швидкості. Характер|вдача| зміни швидкостей хімічних реакцій від температури залежать від типу|типа| реакцій. На рис.| 1 представлено|уявляти| декілька таких випадків.

Швидкість простих необоротних|незворотних| реакцій залежить від температур по рівнянню Ареніуса (рис. 1.а|).|.

Рис. 1 - Залежність швидкості реакції від температури.

Для реакцій в гетерогенній системі загальна|спільна| швидкість процесу є|з'являється| результатом швидкостей хімічних реакцій і швидкостей масопередачі|. Якщо масопередача| є|з'являється| визначальним етапом гетерогенного процесу, то залежність від температури мало помітна (рис. 1.б|).

Реакції в полум'ї характеризуються температурою горіння, при якій швидкість реакції раптово зростає до великих значень (рис. 1 в).

Оборотні реакції мають максимальну швидкість при певних температурах, часто оптимальних. При такій температурі швидкість зворотної реакції зростає швидше, ніж швидкість прямої реакції, так що загальна|спільна| швидкість реакції зменшується (рис. 1.г|).

Крива такої ж форми відповідає оборотним фізичним явищам: наприклад, у разі каталітичних реакцій оборотним буде процес адсорбція-десорбція.

Відомо декілька випадків, коли швидкість реакції знижується із|із| збільшенням температури (рис. 1д|). Як приклади|зразки| можуть служити окислення|окислений| окислу азоту і вуглеводів.