Вьюник. Лекция № 15

Умови протiкання реакцiй

Швидкiсть хiмiчної реакцiї

Хiмiчна рiвновага

Хiмiчна кiнетика

В‘юник I. М.

Хiмiчний факультет

Харкiвський нацiональний унiверситет iменi В.Н. Каразiна

Кафедра неорганiчної хiмiї

1/33

Умови протiкання реакцiй

Швидкiсть хiмiчної реакцiї

Хiмiчна рiвновага

Умови протiкання реакцiй

Основнi задачi хiмiї встановлення зв‘язку мiж будовою, енергетичними характеристиками хiмiчного зв‘язку i реакцiйною здатнiстю речовин, а також вивчення впливу рiзних факторiв на v i механiзм хiмiчних реакцiй.

Про принципову можливiсть протiкання хiмiчних реакцiй судять за величиною G системи.

Однак, вона не вiдовiдає на запитання чи протiкає данна реакцiя в конкретних умовах, не дає нiякого уявлення про v i механiзм процесу.

Наприклад, реакцiя взаємодiї:

2 NO(г)+ O2 (г)= 2 NO2 (г), G1 = −70 Кдж/моль проходить дуже швидко, а реакцiя

2 H2 (г)+ O2 (г) = 2 H2O(г), G2 = −456.5 Кдж/моль в звичайних умовах практично не перебiгає, хоча | G2| > | G1|.

2/33

Умови протiкання реакцiй

Швидкiсть хiмiчної реакцiї

Хiмiчна рiвновага

Умови протiкання реакцiй

Cумiш O2 i H2 зберiгається при кiмнатнiй температурi без помiтних змiн дуже довго, але в присутностi каталiзатора або при = 7000C перебiгає миттєво i супроводжується вибухом. ( G0 = −495 Кдж/моль).

Для повного опису хiмiчних реакцiй необхiдно знати також закономiрностi протiкання їх в часi, тобто швидкiсть i детальний механiзм.

Швидкiсть i механiзм хiмiчних реакцiй вивчає особливий роздiл хiмiї хiмiчна кiнетика.

Оскiльки в 2-х попереднiх реакцiях приймають участь молекули O2, то рiзниця в швидкостях реакцiй без сумнiву зумовлена природою других реагентiв H2 i NO.

Молекули H2 є бiльш хiмiчно iнертними, що зумовлено природою хiмiчного зв‘язку речовин.

3/33

Умови протiкання реакцiй

Швидкiсть хiмiчної реакцiї

Хiмiчна рiвновага

Умови протiкання реакцiй

Вивчення v хiмiчних реакцiй дозволяє вияснити iстинний механiзм складних хiмiчних перетворень.

Знання механiзму створює перспективи для пошуку шляхiв управлiння хiмiчним процесом, тобто його швидкiстю i направленiстю.

З‘ясування кiнетики реакцiй дозволяє здiйснити математичне моделювання реакцiй, якi вiдбуваються в хiмiчних апаратах i за допомогою ЕОМ розв‘язувати задачi оптимiзацiї та автоматизацiї хiмiко-технологiчних процесiв.

Виходячи iз енергетики будь-який процес можна (подати) представити схемою: Вихiднi продукти −→ Продукти реакцiї. Для такого процесу можна обчислити G0, H0 ,

S0.

4/33

Умови протiкання реакцiй

Швидкiсть хiмiчної реакцiї

Хiмiчна рiвновага

Умови протiкання реакцiй

Складнiше в хiмiчнiй кiнетицi. Протiкання процесу в часi вимагає врахування середнього (промiжного) ланцюга. Схема:

Вихiднi продукти −→ Промiжний (перехiдний) стан −→ Продукти реакцiї.

Виявлення i облiк середньої ланки представляє складну задачу. Видiлити i вивчити промiжнi продукти вдається дуже рiдко. У бiльшостi випадкiв – це результат мiркувань (гiпотез) вчених.

Реакцiї можуть протiкати в об‘ємi фази (гомогеннi), або на межi подiлу фаз (гетерогеннi).

Гомогеннi процеси протiкають в розчинах, в газах.

Гетерогеннi реакцiї перебiгають на межi газтверда речовина, газ-рiдина i т. iнш.

5/33

Умови протiкання реакцiй

Швидкiсть хiмiчної реакцiї

Хiмiчна рiвновага

Швидкiсть хiмiчної реакцiї

Швидкiстю хiмiчної реакцiї називається число елементарних актiв взаємодiї в одиницю часу для гомогенних реакцiй в одиницi об‘єму, для гетерогенних на одиницi поверхнi роздiлу фаз.

Швидкiсть реакцiї характеризується змiною концентрацiї реагуючих речовин (моль/л) в одиницю часу (час в хви-

линах):
v =	c2 − c1	=	c	=	dc
	τ2 − τ1		τ		dτ

Про швидкiсть реакцiї можна судити за швидкiстю змiни якої-небудь властивостi (колiр, ЕПр., Р, спектр i т.iнш.). Для вихiдних речовин (-dc < 0) концентрацiя зменшується; для продуктiв реакцiї (+ dc> 0) збiльшується.

6/33

Умови протiкання реакцiй

Швидкiсть хiмiчної реакцiї

Хiмiчна рiвновага

Швидкiсть хiмiчної реакцiї

Бiльшiсть хiмiчних реакцiй багатостадiйнi процеси. Стадiями можуть бути не лише хiмiчнi перетворення, але i процес доставки речовин iз об‘єма фази на поверхню, на якiй протiкає реакцiя.

Найбiльш повiльна стадiя – лiмiтуюча (визначаюча) швидкiсть процесу.

Швидкiсть реакцiї залежить вiд природи реагуючих речовин, c, P (для газiв), температури, каталiзатора, домiшок та їх концентрацiї, ступеню здрiбнювання, середовища (рН), форми посудини, iнтенсивностi свiтла (для фотохiмiчних реакцiй), потенцiалу електрода (в електрохiмiчних процесах), потужностi дози випромiнювання (в радiацiйнiй хiмiї). Врахувати дiю рiзних факторiв на швидкiсть реакцiї важко. Основнi параметри, якi враховують: c, P, t, каталiз, взаємна орiєнтацiя молекул.

7/33

Умови протiкання реакцiй

Швидкiсть хiмiчної реакцiї

Хiмiчна рiвновага

Швидкiсть хiмiчної реакцiї

Вплив концентрацiї

Вплив концентрацiї. Розглянемо одностадiйну двобiчну реакцiю:

2(г)		450◦	(г)		→		→	→
	+ H	2(г) −−−		+ HI	(г) v	=	kCH2	· CI2, де k – кон-
I		−−− HI

станта швидкостi прямої реакцiї, числено дорiвнює швидкостi прямої реакцiї, якщо CH2 = 1, CI2 = 1.

Це питома швидкiсть, залежить вiд температури, природи реагуючих речовин.

Кiнетичне рiвняння це математичний запис закону дiючих мас (ЗДМ) – основного закону хiмiчної кiнетики, встановленого в 1867р Гульдбергом i Вааге.

Формулiровка: Швидкiсть хiмiчної реакцiї пропорцiйна добутку концентрацiй реагуючих речовин.

8/33

Умови протiкання реакцiй

Швидкiсть хiмiчної реакцiї

Хiмiчна рiвновага

Швидкiсть хiмiчної реакцiї

Вплив концентрацiї

Як тiльки утворяться молекули HI починається зворотна

← ←

реакцiя зi швидкiстю v = kCHI · CHI.

Чим бiльша концентрацiя реагентiв, тим бiльша ймовiрнiсть зiткнення молекул, а, вiдповiдно, i взаємодiї. У зв‘язку зi зменшенням концентрацiї H2 i I2 та збiльшенням концентрацiї HI швидкiсть прямої реакцiї падає, а зворотної – зростає.

Через деякий час швидкостi зустрiчних процесiв вирiвня-

→

←

→

←

. Тодi kCH

· CI

= kC2

, звiдси

ються. v

= v

2

2

HI

→

C2

k

=

HI

= K, де K- константа хiмiчної рiвноваги, при

←

· CI2

k

CH2

сталiй T = Const, стала величина.

В системi настане динамiчна рiвновага.

9/33

Умови протiкання реакцiй

Швидкiсть хiмiчної реакцiї

Хiмiчна рiвновага

Швидкiсть хiмiчної реакцiї

Вплив концентрацiї

Цим пiдкреслюють, що хоча в системi концентрацiї речовин не змiнюються, i пряма i зворотна реакцii вiдбуваються з однаковими швидкостями.

Константа рiвноваги є кiлькiсною характеристикою зворотної реакцiї. У станi рiвноваги концентрацiї речовин рiвноважнi.

На вiдмiну вiд початкових концентрацiй, якi позначають буквою C, рiвноважнi записують у квадратних дужках.

Константи швидкостi реакцiї за сталої температури не залежать вiд концентрацiї реагентiв. Константи рiвноваги, вираженi через рiвноважнi концентрацiї, позначають Kc.

10/33