5.3. Вплив концентрації реагуючих речовин, тиску, температури, переміщування на швидкість гомогенних реакцій

Вплив концентрації реагуючих речовин. На швидкість хімічних реакцій вплив концентрації описується рівнянням

U = kC,

При цьому U може бути виражено через зміну маси продукту в одиниці реакційного об'єму

,

або зміни концентрації

,

або зміни ступеня перетворення

.

З точки зору хімічної кінетики реакції поділяють на прості і складні.

Прості реакції, як правило, проходять в одну стадію. Порядок таких реакцій співпадає зі стехіометричними коефіцієнтами рівняння реакції. У загальному вигляді кінетичне рівняння простої незворотної реакції

аА + вВ  продукти

згідно з законом діючих мас має вигляд

.

Залежність ступеня перетворення Х і непрореагованого залишку речовини (1–X) від часу наведено на рис. 5.1.

Складні реакції проходять, як правило, у кілька стадій серед яких можуть бути і зворотні. Кінетичне рівняння зворотної реакції першого порядку має такий вигляд

.

В момент рівноваги , тому k₁(1 – Х) – k₂X = 0, звідси константа рівноваги .

Швидкість зворотної реакції другого порядку має такий вигляд:

.

Швидкість реакції третього порядку має такий вигляд:

.

Реакції третього порядку внаслідок невеликої швидкості мають обмежене практичне застосування.

Щоб визначити константу швидкості, необхідно визначити ступінь перетворення речовини X через певний проміжок часу  і навпаки, знаючи k, можна встановити ступінь перетворення речовини у будь-який момент часу.

Вплив тиску. Підвищення тиску прискорює газові реакції аналогічно підвищенню концентрації реагентів, оскільки з підвищенням тиску збільшується концентрація реагуючих речовин. Якщо при атмосферному тиску рушійна сила процесу С, то при тиску Р

С_P = С ,

де: P₁ – величина, яка дорівнює відношенню застосованого тиску до атмосферного (безрозмірна величина); п – порядок реакції.

Вихід продукту газової реакції синтезу збільшується з підвищенням тиску (рис. 5.2).

Рис. 5.1. Залежність виходу продукту X і кількості непрореагованої речовини (1–Х) від часу для необоротної реакції	Рис. 5.2. Залежність виходу продукту газової реакції синтезу від тиску (t, C,  = Const)

Вплив температури. Підвищення температури викликає прискорення гомогенних реакцій згідно з рівнянням Арреніуса:

.

Дане рівняння називають кінетичною моделлю процесу. При підвищенні температури прискорюються і дифузійні процеси. Однак підвищення температури обмежується умовами рівноваги, появою побічних реакцій і іншими причинами. Для всіх процесів намагаються встановити оптимальну температуру, при якій затрати на нагрівання покриваються (окуповуюються) прискоренням процесу.

Вплив перемішування. Перемішування має найбільше значення для рідинних процесів, оскільки швидкість дифузії у рідинах у десятки і сотні тисяч разів менша, ніж у газах. Перемішування розчинів дає змогу суттєво збільшити загальну швидкість процесу. Для газових реакцій перемішування необхідне, по-перше, для початкового змішування компонентів, по-друге, для вирівнювання концентрації і температур у ході процесу. Початкове змішування здійснюють за допомогою різних форсунок, через які підводять гази з таким розрахунком, щоб вони змішалися у загальному турбулентному потоці.