1 Кинетика физико-химических процессов. Химическое равновесие

1.1 Значимость изучаемой темы

Химическая кинетика — раздел физической химии, учение о скоростях и ме-ханизмах протекания физико-химических процессов. Изучение кинетики пре-вращений позволяет выяснить реальный механизм протекания процесса, осуще-ствлять его математическое моделирование, оптимизацию и автоматизацию, от-крывает возможности управлять физико-химическим процессом:

1. осуществлять процесс с требуемой скоростью:

– ускорять (технология производства новых материалов);

– замедлять (повышение коррозионной стойкости материалов);

2. получать максимальное количество материала с заданными свойствами с минимальным использованием исходных веществ;

3. сокращать энергозатраты на осуществление процесса.

Данная тема является теоретической базой для следующих разделов курса: “Растворы электролитов”, “Электрохимические процессы и явления”.

1.2 Требования к исходному уровню знаний и умений

Чтобы легче было разобраться в вопросах данной темы, нужно знать сле-дующие вопросы школьного (ш) и вузовского (в) курсов химии.

1. Скорость химической реакции. Зависимость скорости от природы реаги-рующих веществ, концентрации, температуры (ш).

2. Катализ и катализаторы (ш).

3. Необратимые и обратимые реакции. Химическое равновесие (ш).

4. Тепловой эффект химических реакций. Экзо- и эндотермические реакции (ш).

Если по одному из вопросов исходного уровня у Вас имеется пробел, заполни-те его, проработав соответствующий раздел лекционного материала и учебника.

Кузьменко Н.Е., Еремин В.В., Попков В.А. Начала химии. – М.: Изд-во «Эк-

замен», 1999.

Глинка Н.Л. Общая химия. – Л.: Химия, 1988. Коровин Н.В. Общая химия. – М.: Высш. шк., 2000.

Курс общей химии / Под ред. Н.В. Коровина. – М.: Высш. шк., 1981, 1990, 1998.

3. Содержание темы. Основные понятия и определения

• настоящем методическом пособии принят обычный способ написания хи-мических формул (Н₂О, СО₂ и т.д.), которые состоят из символов элементов и подстрочных индексов выражаются целыми числами, обозначающими только атомные отношения элементов.

4

Для соединений с ковалентным типом связи, имеющих молекулярную струк-туру, формула отражает состав отдельной молекулы. В этом случае числовые индексы, стоящие внизу справа от символа химического элемента, указывают на число атомов данного элемента в одной молекуле.

Для соединений с ионным типом связи формула указывает состав ионов и количественное соотношение между положительными и отрицательными иона-ми. Так, формула Na₂SO₄ показывает, что в данном соединении на каждые два иона натрия Na⁺ приходится один ион SO₄^2-.

Ниже приводятся значения сокращенных слов, которые пишутся после фор-мулы для указания на фазовое состояние вещества или на какие-либо дополни-тельные данные:

тв.(т) — твердое; крист.(к) — кристаллическое; жидк.(ж) — жидкое; газ.(г) — газообразное;

1 атм. — при давлении в одну атмосферу.

Так, запись О_2(г), 25°, 1 атм. означает молекулярный газообразный кислород при 25°С и давлении в одну атмосферу.

Для выполнения расчетов наряду с единицами массы и объема в химии ис-пользуют физическую величину количество вещества. Следует различать массу и количество вещества. Массу вещества измеряют в граммах, а количество веще-ства в молях.

Количество вещества (n) — размерная физическая величина, определяемая числом содержащихся в этом веществе структурных частиц (атомов, молекул, ионов, электронов). В СИ за единицу количества вещества принят моль.

Моль — это такое количество вещества, в котором содержится число частиц любого вида (атомов, молекул, ионов), равное числу Авогадро N_А (6,02⋅10²³). При использовании термина моль следует указывать частицы, к которым отно-сится этот термин. Соответственно, можно говорить «моль молекул», «моль ато-мов», «моль ионов» и т.д. Например, моль молекул водорода, моль атомов водо-рода, моль ионов водорода.

В уравнениях химических реакций коэффициенты перед формулами веществ (стехиометрические коэффициенты) указывают на отношение числа молей реа-гирующих веществ.

Масса 1 моля вещества в граммах, т.е. масса 6,02⋅10²³ частиц вещества, назы-вается мольной массой (М) и равна отношению массы вещества (m) к соответ-ствующему количеству вещества (n):

M = ^m_n , г/моль.

Мольная (молярная) масса вещества в граммах численно равна его относи-тельной молекулярной массе М_r, выраженной в атомных единицах массы (а.е.м.).

5

Это означает, что если масса некоторой молекулы равна, например, 44 а.е.м., то масса одного моля молекул равна 44 г, т.к.

М = N_A · m (1 молекулы) = N_A · М_r · 1 а.е.м. = ( N_A · 1 а.е.м.) · М_r = М_r

Постоянная Авогадро является коэффициентом пропорциональности, обес-печивающим переход от молекулярных соотношений к молярным. Все утвер-ждения относительно молекул остаются справедливыми для молей. Например, уравнение реакции

Ca + H₂ = CaH₂

означает, что один атом кальция реагирует с одной молекулой водорода, или, что одно и то же, один моль атомов кальция реагирует с одним молем молекул водорода.

Объем 1 моля газа называется молярным объемом (V_М) и равен отношению объема газа (V) к количеству вещества (n):

V_М= ^V_n , л/моль

Молярный объем любого газа при нормальных условиях (сокращенно н.у.) равен 22,4 л. Нормальными условиями для газов считают давление Р₀ = 1 атм = 101,325 кПа и температуру Т₀ = 273 К = 0ºС (в буквенных записях эти условия обозначаются нижним индексом «0»: Р₀, Т₀, V₀).

• Химическая реакция

• основе физико-химических процессов лежит химическое превращение од-них веществ в другие, т.е. химическая реакция. Химической реакцией можно считать любое изменение вещества, при котором образуются или разрываются химические связи между атомами. Химические реакции записываются посредст-вом химических уравнений и схем, содержащих формулы исходных веществ и продуктов реакции. В химических уравнениях, в отличие от схем, число атомов каждого элемента одинаково в левой и правой частях, что отражает закон сохра-нения массы.

• Механизм химической реакции

Химические реакции не происходят путем непосредственного взаимодейст-вия исходных молекул с прямым переходом их в молекулы продуктов реакции. В большинстве случаев реакция протекает в несколько стадий. Этот сложный путь оказывается более выгодным, т.к. элементарный акт химической реакции возможен при попарном соударении непрерывно перемещающихся молекул, со-ударения одновременно трех частиц является маловероятным событием.

Простые реакции — реакции, которые протекают в одну стадию и их сте-хиометрические уравнения правильно отражают реальный ход процесса.

Сложные реакции — реакции, которые протекают через несколько проме-жуточных стадий и их стехиометрические уравнения не отражают реального хо-да процесса, а являются отражением суммарного результата нескольких стадий.

Механизм химической реакции — совокупность всех стадий, через кото-

6

рые происходит превращение исходных веществ в продукты реакции.

• Исходные, конечные и промежуточные вещества

Вещества, вступающие в процесс химического превращения, называются ис-ходными веществами.

Вещества, образующиеся в процессе химического превращения и не претер-певающие в ходе этого процесса дальнейших химических изменений, называют-ся продуктами реакции.

aA +bB = cC + dD

исходные в-ва продуктыреакции

реагирующие в-ва

реагенты

• Гомогенные и гетерогенные процессы

Гомогенные процессы протекают во всем объеме, реагирующие вещества находятся в одной фазе. Молекулы всех реагирующих веществ находятся в оди-наковых условиях. Примером могут служить реакции в растворах.

Фаза — часть системы, однородная во всех точках по составу и свойствам и отделенная от других частей системы поверхностью раздела, при переходе через которую свойства системы резко меняются.

Гетерогенные процессы протекают на границе раздела фаз, например, окис-ление и травление металлов и полупроводников, горение твердого и жидкого то-плива, химическая и электрохимическая коррозия и т.д. Особенность этих про-цессов – сложность и многостадийность.