Раздел 6. Химическая кинетика
6.1. Теоретическая часть
6.1.1. Скорость химической реакции
Химическая кинетика – раздел химии, изучающий скорости и механизмы химических реакций.
Предметом изучения химической кинетики являются закономерности протекания химических процессов во времени. Химическая кинетика позволяет рассчитывать время достижения заданной степени превращения исходных веществ в процессах и минимизировать это время за счет оптимального варьирования факторов, влияющих на скорость реакции. Методы химической кинетики в сочетании с методами термодинамики позволяют оптимизировать химико-технологические процессы.
Под химической реакцией понимается превращение, в результате которого изменяются состав, структура или заряд частиц, при неизменности природы атомов. Некоторые из химических реакций протекают в соответствии с уравнением, т.е. в результате прямого перехода веществ-реагентов в вещества-продукты, без промежуточного образования каких-либо веществ, отличных и от реагентов, и от продуктов. Такие реакции называют простыми, а в случае газофазных реакций – элементарными.
Другие же химические уравнения отражают лишь природу реагентов и продуктов, переход между которыми происходит в результате ряда простых реакций. В этом случае принято говорить не о реакции, а о химическом процессе – изменении во времени химического состава и концентраций компонентов термодинамически неравновесной смеси при ее движении к равновесному состоянию. Совокупность простых реакций, происходящих в ходе химического процесса, называют его механизмом.
По фазовому составу химические реакции подразделяются на гомогенные и гетерогенные. Гомогенные реакции протекают в одной фазе, а гетерогенные, как правило на границе раздела двух фаз. Реакция называется гомофазной, если компоненты, находятся в одной фазе. Если компоненты находятся в разных фазах – гетерофазной. Реакции подразделяются на двусторонние (протекающие одновременно в обоих направлениях) и односторонние (протекающие только в одном направлении).
Скорость химической реакции характеризует интенсивность протекания процесса.
Скорость гомогенной химической реакции – количество вещества, реагирующего в единице объема за единицу времени. Измеряется в моль/(м3 с).
Математически для реакции вида:
,
где
– вещества участники реакции;
– стехиометрические коэффициенты (
для продуктов реакции;
– для исходных реагентов).
При постоянном объеме системы скорость реакции определяется выражением:
, (6.1)
где
– количество вещества реагента, моль;
– время, с;
– объем реакционной системы, м3.
Среднюю скорость реакции можно определить по уравнению:
, (6.2)
С учетом определения
молярной концентрации реагента, (
)
уравнение можно записать следующим
образом:
. (6.3)
Как для
исходных реагентов, так и для продуктов
реакции скорость
.
С учетом определения степени полноты ракции (раздел 5):
. (6.4)
Скорость гетерогенной реакции – количество вещества, реагирующего на единице поверхности за единицу времени. Измеряется в моль/(м2 с).
, (6.5)
где S – площадь реакционной поверхности, м2.
Скорость реакции определяется многими факторами: природой реагентов, концентрацией, температурой и наличием катализатора.