Кинетика

Химическая кинетика – учение о химическом процессе, закономерностях протекания его во времени, его механизме. Она открывает возможность сознательного управления промышленными процессами, позволяет ставить и решать вопросы интенсификации существующих и создания новых технологических процессов.

Задачи кинетики и термодинамики различны. Термодинамика ставит и решает задачи определения состояния равновесия, константы равновесия, выхода продуктов, но не может определить время достижения равновесия, скорость процесса, концентрации веществ в любой момент времени. Эти задачи решает химическая кинетика. Но химическая кинетика может увеличить скорость реакции только той, которая является термодинамически возможной. Ниже приведены реакции получения из простых веществ водородных соединений неметаллов.

		ΔG0, кДж/моль
H2 +	Cl2 → HCl	-93,8
	O2 → H2O	-225,0
	N2→ NH3	-16,4
	P → PH3	13,2
	C → CH4	-50,0

Термодинамический анализ показывает, что все реакции (кроме четвертой, где ) возможны. Но, например, реакция 3 имеет при обычных условиях очень низкую скорость и аммиак практически не образуется. И здесь уже задача кинетики – превратить возможность в действительность, что на практике достигается повышением температуры до 500 ⁰С и применением катализатора.

Если реакция протекает в одной фазе (газообразной или жидкой), то их изучением занимается кинетика гомогенных процессов. Если реакции совершаются на поверхности раздела фаз, то изучение их скоростей относится к кинетике гетерогенных процессов.

Скорость химической реакции

Скорость химической реакции может быть дана через степень превращения. В реакции

	aA	+	bB	→	cC	+	dD
t=0	n0A		n0B		n0C		n0D
t	nA - n0A		nB - n0B		nC - n0C		nD - n0D

Во второй строчке показано количество прореагировавших веществ ко времени t. Эта величина разная для различных веществ и по значению, и по знаку. Но если каждую из них поделить на соответствующий стехиометрический коэффициент, то все отношения будут одинаковыми и иметь положительный знак, поскольку а, в < 0, с, d > 0. Эта величина называется химической переменной (или степенью протекания реакции), (кси).

Скорость реакции – это скорость изменения химической переменной (степени превращения, степени протекания реакции) во времени:

Для большей наглядности определяют скорость в единице объема, то есть вводят величину, , если объем постоянен:

На практике часто используют в качестве скорости реакции изменение концентрации в единицу времени:

Велшичина может быть положительной (для продуктов) и отрицательной (для исходных веществ); для разных веществ она различна, в то время как величины не зависят от выбора вещества и всегда положительны.

Графическое изображение С от времени называется кинетической кривой (рисунок ). Проводя графическое дифференцирование можно найти величину производной dC/dt в любой момент времени, которая и будет характеризовать скорость реакции, .

Рисунок – Пример кинетической кривой.

Необходимым условием, определяющим возможность взаимодействия между двумя молекулами, является их взаимное столкновение. Поэтому при заданных внешних условиях (Т, Р, среда) скорость является функцией концентраций реагирующих веществ, т.к. число столкновений при большей концентрации будет большим.

Если химическая реакция протекает в одну стадию, т.е. является элементарной, то непосредственно по ее стехиометрическому уравнению можно записать скорость реакции в виде:

или (1)

Для реакции aA + bB cC + +dD уравнение (1) называется кинетическим уравнением химической реакции.

Множитель «К», показывающий, с какой скоростью идет химический процесс при концентрациях реагирующих веществ равных единице, называется константой скорости химического процесса.

Наряду со скоостью константа скорости химического процесса является основной величиной в химической кинетике.