Лекція 14. Основи хімічної кінетики Мета лекції

1 Ознайомитися з базовими поняттями хімічної кінетики

2 Ознайомитися з методами розв’язання прямої та зворотної задач хімічної кінетики

Зміст лекції

14.1 Поняття динамічної моделі. Мікро і макрокінетика

14.2 Швидкість хімічної реакції

14.3 Моделювання мікрокінетики хімічних реакцій. Пряма й зворотна задача

14.4 Метод А.А.Баландіна

14.5 Інтегральний метод встановлення порядку реакцій

Контрольні запитання

Завдання для самостійної роботи

Перелік рекомендованої літератури

14.1 Поняття динамічної моделі. Мікро і макрокінетика

У попередніх розділах ми розглядали процеси, що перебігають в умовах рівноваги, без врахування часу (за деякими виключеннями). В цьому розділі розглянемо процеси, що перебігають у часі – динамічні процеси. До їх числа відноситься більшість хіміко-технологічних процесах. Розділ молекулярної фізики і фізичної хімії, що вивчає перебіг фізичних і хімічних процесів в часі називається кінетикою. Прийнято розрізняти:

- фізичну кінетику, що вивчає перебіг процесів, не пов’язаних з хімічними перетвореннями, наприклад перебіг процесів масопереносу, зокрема процеси встановлення рівноваги при фазових переходах;

- хімічну кінетику, що вивчає перебіг в часі хімічних реакцій.

Наведені вище термодинамічні методи дозволяють розрахувати вихід цільових продуктів хімічних реакцій в умовах рівноваги, але ті термодинамічні результати, що приводять до збільшення виходу продуктів реакції, часто суперечать кінетики процесу. Наприклад, з погляду термодинаміки екзотермічний процес синтезу аміаку бажано вести при низькій температурі, тому що рівноважна ступінь перетворення збільшується при зниженні температури. Однак швидкість реакції, навпаки, при зменшенні температури знижується, тому на практиці треба обирати таку оптимальну температуру Т_опт., при якій забезпечується максимальний вихід продукту в одиницю часу, тобто максимальна інтенсивність. Тому для встановлення оптимальних технологічних умов необхідно одночасно враховувати як термодинамічні, так і кінетичні фактори.

Процеси, що протікають у рідинах і в газах, розглядають з двох точок зору:

а) процес взаємодії окремих молекул - на мікрорівні.У системі на мікрорівні рідина являє собою вільні індивідуальні молекули, що рухаються в різних напрямках, що зіштовхуються й змішуються з усіма іншими молекулами даної рідини;

б) процес взаємодії агрегатів молекул - на макрорівні. У системі на макрорівні рідина є сукупністю великої кількості маленьких глобул, тобто груп молекул, як би ув'язнених в оболонку. Ця зовнішня оболонка є хімічно інертною. Її призначення полягає в тому, щоб зберегти умовно прийняту індивідуальність кожної глобули.

Особливості мікро- і макростану можна простежити при змішанні рідин: чим вище в'язкість рідин, що змішуються, тим яскравіше проявляються в ній ознаки макростану. Як приклад уявимо собі посудину у якиї досить інтенсивно перемішується рідина з малою в'язкістю (вода).

а) у цю рідину вливають іншу рідину теж малої в'язкості (етиловий спирт). Ці рідини добре перемішуються й суміш швидко стає однорідною; умовно можна прийняти, що змішання відбувається на мікрорівні.

б) якщо в ту ж посудину замість етилового спирту вливати дуже в’язку рідину (наприклад, гліцерин), а інтенсивність перемішування знизити (зменшити частоту обертань мішалки), гліцерин розіб'ється на окремі краплі .(глобули) і рідина стане однорідної лише після значного проміжку часу. Умовно можна прийняти, що змішання у цьому випадку відбувається на макрорівні.

У мікростані рідина не має будь-які властивості, що обумовлені присутністю глобул молекул і, навпаки, властивості рідини, що перебуває в макростані, у значній мірі визначаються наявністю глобул. Реальна суміш у тім або іншому ступені проявляє проміжні властивості, які залежать від властивостей рідини й від системи, у якій відбувається змішання.

Всі питання, що стосуються фізичної хімії, - хімічна рівновага, кінетика хімічних реакцій та ін. - розглядаються на мікрорівні, тобто на рівні окремих молекул. Такий підхід дозволяє проаналізувати вплив різних факторів в ідеалізованих умовах.

У промислових умовах при оформленні переважної більшості хімічних процесів необхідно враховувати багато супутніх фізичних процесів, що пов'язані з макростаном системи й накладаються на основний хімічний процес. Найважливішими з них є:

а) дифузія вихідних реагентів у зону реакції й продуктів реакції із зони реакції,

б) виділення й розподіл тепла.

На ці процеси сильно впливають аерогідродинамічні умови(тобто характер руху газу або рідини), оскільки від них залежать перенос тепла за рахунок конвекції т й дифузія речовини.

Таким чином, при вивченні реального хіміко-технологічного процесу необхідно враховувати вплив дифузії, теплопередачі й конвекції, тобто процес варто розглядати на макрорівні.