III. Кинетика химических процессов

Химическая кинетика изучает факторы, влияющие на скорость химической реакции.

Разберем основные понятия в химической кинетике.

Система – вещество или совокупность веществ, реально или мысленно отделенных от окружающей среды.

Гомогенная система – система, состоящая из одной фазы. (Воздух, состоящий из кислорода, азота и других веществ. Водный раствор сахара.).

Гетерогенная система – система, состоящая из двух и более фаз (Нефть, которая является смесью углеводородов и воды).

Фаза – одинаковая по своим свойствам часть системы, отделенная от других частей поверхностью раздела, при переходе через которую свойства изменяются скачкообразно.

В гомогенной системе реакция протекает во всем объеме системы. Поэтому

Скорость гомогенной реакции это количество вещества, вступающего в реакцию (или образующегося при реакции) за единицу времени в единице объёма системы:

Vгомоген_. = ∆ n ⁄ t∙υ,

где ∆ n – изменение количества вещества,

t - время реакции,

υ -объём системы.

В гетерогенной системе реакция протекает на поверхности раздела фаз системы. Поэтому

Скорость гетерогенной реакции это количество вещества, вступающего в реакцию (или образующегося при реакции) за единицу времени на единице поверхности раздела фаз:

Vгетероген_.. = ∆ n ∕ t∙S,

где ∆ n – изменение количества вещества,

t - время реакции,

S – площадь раздела фаз.

Скорость химической реакции зависит от:

- концентрации реагирующих веществ;

- температуры системы, в которой протекает реакция;

- природы реагирующих веществ.

Зависимость скорости реакции от концентрации реагирующих веществ сформулирована в законе действующих масс: “При постоянной температуре скорость химической реакции пропорциональна произведению концентрации реагирующих веществ в степенях, соответствующих их стехиометрическим коэффициентам”.

Например, для гомогенной реакции сгорания метана в кислороде

СН₄ (г) + 2O₂ (г) = СO₂ (г) + 2H₂O (г)

зависимость скорости прямой реакции от концентрации исходных веществ запишется в виде следующего уравнения:

V = К ∙ [СН₄]¹ ∙ [O₂]²,

где: К - коэффициент пропорциональности,

[СН₄] и [O₂] - концентрации метана и кислорода в системе,

1 и 2 - стехиометрические коэффициенты.

Это уравнение зависимости скорости реакции от концентрации реагирующих веществ называется кинетическим уравнением реакции. Из данного уравнения следует, что при увеличении только концентрации метана в 2 раза скорость реакции возрастет в 2 раза, а при увеличении только концентрации кислорода в 2 раза скорость реакции возрастет уже в 4 раза.

Закон действующих масс справедлив для простейших реакций (общий порядок реакции до 3).

К - коэффициент пропорциональности при концентрациях реагирующих веществ равных 1,0 мол/л, равен скорости химической реакции и называется константой скорости данной реакции. Величина константы скорости зависит только от природы реагирующих веществ и от температуры и не зависит от концентрации реагирующих веществ.

Для гетерогенных реакций в кинетическое уравнение входят концентрации только тех веществ, которые находятся в системе в растворе или в газовой фазе.

Для реакции С/тв/ + O₂/г/ = CO₂/г/ кинетическое уравнение запишется

V = К∙ [C] ∙ [O₂].

Так как для твердых веществ концентрация вещества на поверхности остается все время постоянной, кинетическое уравнение можно записать

V = К_эф ∙ [O₂],

где К_эф – эффективная константа скорости, равная К∙ [C].

Повышение температуры системы приводит к увеличению скорости реакции, так как увеличивается скорость движения молекул и возрастает число столкновений между молекулами.

Возрастание скорости реакции при нагревании в первом приближении подчиняется правилу Вант-Гоффа: «При повышении температуры на 10 градусов, скорость химической реакции возрастает на величину температурного коэффициента (γ)».

t₂ – t₁/10

Vt₂ = Vt₁ • γ ,

где Vt₂ – скорость реакции при температуре t₂,

Vt₁ ­- скорость реакции при температуре t₁,

γ - температурный коэффициент.

Для большинства химических реакций температурный коэффициент составляет от 2 до 4.