Управление скоростью реакции, протекающей по законам формальной кинетики.

Имеем экзотермическую реакцию:

2А + В = 2С

Известно, что для экзотермической реакции зависимость скорости реакции от температуры выглядит следующим образом:

П роанализируем, как изменится эта зависимость, если:

1. увеличивать давление (р), а степень превращения ключевого компонента А (Х_А) считать постоянной (Х_А = соnst).

2. увеличивать степень превращения ключевого компонента (Х_А) при постоянном давлении (р = const).

Для того чтобы проанализировать зависимость скорости реакции от температуры при условии 1), необходимо оценить влияние давления (р) на скорость химической реакции (U), а также влияние давления на величину оптимальной (Т_опт) и равновесной (Т_р) температур.

Для реакции, идущей с уменьшением молей газообразных реагентов, зависимость скорости реакции от давления выглядит следующим образом:

Очевидно, что во всём диапазоне изменения давления (р) увеличение давления приводит к увеличению скорости реакции (U). Теперь рассмотрим выражения для расчёта оптимальной (Т_опт) и равновесной (Т_р) температур. Получим, что:

Следовательно, с увеличением давления (р) оптимальная температура (т_опт) будет возрастать.

Следовательно, с увеличением давления (р) равновесная температура (т_р) будет возрастать.

Поэтому зависимость 1) будет смещена в сторону больших температур, относительно исходной.

Для того чтобы проанализировать зависимость скорости реакции от температуры при условии 2), необходимо оценить влияние степени превращения ключевого компонента (Х_А) на скорость химической реакции (U), а также влияние степени превращения ключевого компонента (Х_А) на величину оптимальной (Т_опт) и равновесной (Т_р) температур.

Зависимость скорости реакции от степени превращения ключевого компонента выглядит следующим образом:

Очевидно, что по мере увеличения степени превращения ключевого компонента А (Х_А) скорость реакции (U) будет снижаться во всём диапазоне изменения степени превращения ключевого компонента.

Анализ уравнений для вычисления значений оптимальной (Т_опт) и равновесной (Т_р) температур показывает, что с увеличением степени превращения ключевого компонента А значения Т_опт и Т_р уменьшаются.

Отсюда получаем зависимость 2), которая смещена относительно исходной в сторону меньших температур.

Окончательно имеем:

p = const

X_A = const

Имеем ту же самую экзотермическую реакцию: 2А + В = 2С, но изменим координаты. Рассмотрим зависимость скорости реакции (U) от степени превращения ключевого компонента А (Х_А):

Проанализируем, как изменится эта зависимость, если:

1. увеличивать температуру (Т) при постоянном давлении (р = const).

2. увеличивать давление (р) при постоянной температуре (Т = const).

Рассмотрим случай 1).

При увеличении температуры (Т) степень превращения ключевого компонента (Х_А) уменьшается.

Зависимость скорости реакции (U)от температуры (Т)выглядит так:

С уществует диапазон температур (Т;Т1), где скорость реакции будет больше, чем в базовом случае. Берём любую температуру (Т2) в этом диапазоне и показываем, что скорость (U) увеличивается.

Зависимость 1) будет смещена в сторону меньших степеней превращения и больших скоростей относительно исходной. (Пересечение с исходной).

Рассмотрим случай 2).

С увеличением давления (р) степень превращения ключевого компонента (Х_А) увеличивается.

Зависимость скорости реакции (U)от давления (р) выглядит так:

во всём диапазоне изменения давления скорость будет увеличиваться.

Зависимость 2) будет смещена в сторону больших степеней превращения и больших скоростей по сравнению с исходной.

Окончательно имеем:

T = const

p = const

Имеем ту же самую экзотермическую реакцию: 2А + В = 2С, но изменим координаты. Рассмотрим зависимость скорости реакции (U) от давления (р):

Проанализируем, как изменится эта зависимость, если:

1. увеличивать температуру (Т), а степень превращения ключевого компонента А (Х_А) считать постоянной (Х_А = соnst).

2. увеличивать степень превращения ключевого компонента при постоянной температуре (Т = const).

Рассмотрим случай 1). Зависимость скорости реакции (U)от температуры (Т)выглядит так:

С уществует диапазон температур (Т;Т1), где скорость реакции будет больше, чем в базовом случае. Берём любую температуру (Т2) в этом диапазоне и показываем, что скорость (U) увеличивается.

Теперь рассмотрим влияние температуры на равновесное давление (р_р).

Для того чтобы рассчитать равновесное давление, нужно приравнять скорость реакции (U) к нулю и выразить давление (p).

С увеличением температуры константа равновесия (К_р) уменьшается и , следовательно, равновесное давление (р_р) увеличивается.

Зависимость 1) будет смещена в сторону больших давлений и больших скоростей относительно исходной. (Пересечение с исходной – существует давление, при котором скорость не зависит от температуры).

Рассмотрим случай 2). Зависимость скорости реакции (U) от степени превращения ключевого компонента (X_A) выглядит следующим образом:

C увеличением степени превращения ключевого компонента А(Х_А), концентрация продукта С (Z_C) увеличивается,, концентрации исходных веществ А и В (Z_A,Z_B) уменьшаются, следовательно дробь увеличивается, и поэтому равновесное давление (р_р) увеличивается.

Зависимость 2) смещена относительно исходной в сторону больших давлений.

Окончательно имеем:

Обратимые системы необходимо рассматривать в двух состояниях: когда система находится вдали от равновесия и когда система находится в состоянии равновесия.

Рассмотрим эндотермическую реакцию:

А = В + С

Для экзотермической реакции зависимость скорости от температуры выглядит так:

Проанализируем, как изменится эта зависимость, если:

1. увеличивать давление (р), а степень превращения ключевого компонента А (Х_А) считать постоянной (Х_А = соnst).

2. увеличивать степень превращения ключевого компонента (Х_А) при постоянном давлении (р = const).

Рассмотрим первый 1) случай. Рассмотрим выражения для расчёта равновесной (Т_р) температуры. Получим, что с увеличением давления (р) равновесная температура (т_р) будет возрастать для эндотермической реакции.

Зависимость скорости реакции от давления для реакции, идущей с увеличением объёма газообразных реагентов:

Для увеличения скорости (U) необходимо увеличение давления в определённом диапазоне (р,р1). В результате получаем зависимости с пересечением (1).

(Есть температура, при которой скорость не будет зависеть от давления при данном составе).

Зависимость 2) будет смещена в сторону больших температур.

Окончательно имеем:

Имеем ту же самую эндотермическую реакцию: А = В + С, но изменим координаты. Рассмотрим зависимость скорости реакции (U) от давления (р):

П роанализируем, как изменится эта зависимость, если:

1. увеличивать температуру (Т), а степень превращения ключевого компонента А (Х_А) считать постоянной (Х_А = соnst).

2. увеличивать степень превращения ключевого компонента (Х_А) при постоянной температуре (Т = const).

Рассмотрим первый 1) случай. Для эндотермической реакции зависимость скорости реакции (U) от температуры (Т) имеет вид:

Очевидно, что во всём диапазоне изменения температур (Т) увеличение давления приводит к увеличению скорости реакции (U).

Р ассмотрим влияние температуры на равновесное давление (р_р).

Для того чтобы рассчитать равновесное давление, нужно приравнять скорость реакции (U) к нулю и выразить давление (p).

С увеличением температуры константа равновесия (К_р) увеличивается и, следовательно, равновесное давление (р_р) увеличивается. Теперь рассмотрим влияние температуры на оптимальное давление (р_опт).

Для того чтобы рассчитать оптимальное давление, нужно приравнять производную скорости реакции (U) по температуре (Т)к нулю и выразить давление (p).

С увеличением температуры константа равновесия (К_р) увеличивается и, следовательно, оптимальное давление (р_опт) увеличивается.

Поэтому зависимость 1) будет смещена в сторону больших давлений, относительно исходной.

Рассмотрим случай 2).

Зависимость скорости реакции (U) от степени превращения ключевого компонента (X_A) для эндотермической реакции выглядит так:

Очевидно, что по мере увеличения степени превращения ключевого компонента А (Х_А) скорость реакции (U) будет снижаться во всём диапазоне изменения степени превращения ключевого компонента.

При увеличении степени превращения ключевого компонента Z_A уменьшается, Z_B, Z_C увеличиваются и, следовательно, оптимальное давление (р_опт) и равновесное давление (р_р) уменьшаются.

Отсюда получаем зависимость 2), которая смещена относительно исходной в сторону меньших давлений.

Окончательно имеем: