Курс: основы химической кинетики и катализа
Лекции - 34 ч. Лабораторные занятия - 32 ч
Итоговая аттестация – зачет (60 Б), экзамен (40 Б).
Объем заданий в течение семестра: студенты выполняют и защищают 4 лабораторные работы, 3 домашних задания и сдают 4 коллоквиума.
Темы лекций
Основные определения и постулаты химической кинетики. Скорость и константа скорости реакции, время полупревращения. Средняя и начальная скорости реакции. Факторы, влияющие на скорость химической реакции. Уравнение Аррениуса; энергия активации, порядок реакции по реагентам и методы их определения. Дифференциальные и интегральные уравнения скорости для элементарных необратимых реакций первого и второго порядков. Обратимые, параллельные, последовательные и сопряженные реакции и их кинетика. Стационарный режим процесса. Лимитирующая стадия процесса. Динамика нестационарного процесса. Классификация реакторов химических процессов. Кинетика гомогенных необратимых реакций, протекающих в условиях идеального перемешивания и идеального вытеснения. Понятие о времени контакта.
Теории активных соударений и переходного состояния, расчет константы скорости бимолекулярной реакции. Связь константы скорости с энтальпией и энтропией активации. Теория мономолекулярных реакций.
Цепные реакции, основные понятия и признаки. Кинетика реакций с разветвленными и неразветвленными цепями. Примеры вывода кинетических уравнений цепных реакций в стационарном приближении. Пределы воспламенения и взрыва. Механизмы воспламенения. Законы и кинетика фотохимических реакций. Примеры реакций с различным квантовым выходом. Сенсибилизированные реакции. Автокаталитические реакции. Особенности кинетики реакций в растворах. Влияние природы растворителя и уравнение Бренстеда. Влияние ионной силы и давления на наблюдаемую кинетику реакций в растворах.
Введение
В предыдущих курсах общей и физической химии вы усвоили основные положения термодинамики, с помощью которых можно оценить возможность протекания химического процесса, а также максимальную выход процесса. Однако для практического осуществления любого процесса необходимы количественные данные об интенсивности процесса, т.е. скорости, и влиянии условий процесса на его скорость. Эти вопросы относятся к области кинетики. Проведение химического процесса без знания кинетики достаточно опасно и его можно уподобить движению в автомобиле без акселератора и тормозов.
По мере ускорения прогресса возрастает важность понятия скорости процесса. Значимость кинетического подхода вполне очевидна для всей живой природы, включая человека, существование которой термодинамически невозможно.
В нашем курсе последовательно изложены основные понятия и приемы кинетики, позволяющие найти такие физико-химические константы, как константа скорости, энергия активации и порядок реакции, необходимые для любого инженерного расчета химических процессов. Показаны приемы кинетического анализа сложных реакций, в том числе и каталитических, чтобы установить механизм реакции и разработать, на этой основе, адекватную математическую модель, обладающую не только описательной, но и предсказательной силой. Ясно, что, достигнув этой высоты понимания процесса, можно квалифицированно оптимизировать протекание процесса по любому из желательных откликов и/или их совокупности: экономическая эффективность (прибыль), селективность и выход продукта, производительность реактора и экологическая безопасность.
В кинетике широко используются приемы и представления физики, математики, термодинамики и химии. Поэтому кинетика может играть роль универсального языка для специалистов различного профиля.
Вторая часть курса посвящена катализу – одному из наиболее интересных кинетических явлений. Катализ, осуществляемый в присутствии специфических реагентов – катализаторов (ферментов), находит все большее применение как в химической технологии и нефтепереработке, так и в биотехнологии и пищевой промышленности. Насколько нам известно, существование всей живой природы обеспечивается благодаря деятельности многообразных ферментов (более 105).
Таким образом, изучая кинетику и катализ, мы лучше понимаем природу процессов, протекающих не только вокруг, но и внутри нас, т.е., in situ.