Формальная кинетика
Предметом химической кинетики являются основные закономерности протекания реакций во времени. Важнейшими характеристиками реакций являются скорость и механизм процесса. Последовательность элементарных стадий при превращении исходных реагентов в продукты называется механизмом реакции.
Относительно связи кинетики и механизма реакции следует отметить следующее. Для известного механизма всегда можно вывести кинетическое уравнение. Однако обратная процедура – установление механизма процесса лишь на основании кинетического уравнения практически невозможна. При этом, чем проще кинетическое уравнение, тем шире выбор возможных механизмов. Так, например, самое распространенное уравнение 1го порядка описывает не только многие химические процессы, но и физические (например, радиоактивный распад, диффузия, адсорбция и др. процессы).
Тем не менее, при детальном исследовании кинетики часто удается получить информацию о механизме реакции. Например, при исследовании кинетики синтеза метанола было установлено, что этот синтез на оксидных катализаторах протекает в результате гидрирования диоксида углерода, но не монооксида углерода, как на металлических катализаторах. На этой основе были разработаны новые схемы синтеза с повышенной активностью и стабильностью катализатора. При исследовании кинетики каталитического крекинга было установлено, что селективность по бензину существенно ухудшается при наличии переходных металлов (никеля, ванадия и др.) в сырье. Таким образом, очистка исходного сырья от органических соединений Ni и V позволила существенно улучшить селективность и стабильность катализаторов процесса каталитического крекинга.
1.1 Классификация химических реакций
Химическая реакция это процесс превращения веществ, приводящий к изменению их состава (Н2 + О2 → Н2О), структуры (н-пентан → изопентан) или заряда частиц (Fe3+ + Hg0→ Fe2+ +Hg+), без изменения природы атомов. В дальнейшем мы будем пользоваться следующей классификацией химических реакций.
По направлению реакции подразделяют на необратимые, обратимые, последовательные и параллельные (аналогия с биллиардными шарами).
В зависимости от числа молекул, реагирующих в элементарном акте, различают реакции мономолекулярные (например, крекинг, изомеризация), бимолекулярные (гидролиз) и тримолекулярные (гидрирование оксида азота).
По условиям протекания реакции подразделяют на изотермические
(Т – постоянна), изобарические (Р - постоянно), изохорические (при постоянном объеме), адиабатические, стационарные и с программируемой температурой или концентрацией. Два последних условия соответствуют нестационарным процессам, т.е. процессам в которых скорость реакции изменяется во времени. По фазовому состоянию различают гомогенные (протекают в одной фазе) и гетерогенные реакции (протекают в двух и более фазах). Наконец, все перечисленные реакции могут быть каталитическими или некаталитическими.
Таким образом, мы стоим перед проблемой, как описать различные химические реакции, для того чтобы организовать их оптимальное протекание: быстро и в нужном направлении (т.е. управление химическим процессом). Этот круг проблем относится к предмету кинетики.