Кинетика химических реакций

В результате изучения данной главы студент должен:

.тать

• • скорость, порядок, молекульность реакции;
• • зависимости скорости реакции от концентрации и от температуры;
• • реакции первого и нулевого порядка;
• • начальные представления о механизме реакции;
• • понятия катализа, энергетического уровня катализатора, инициаторов реакций;
• • периодические (колебательные) и цепные реакции;
• • циклические процессы и круговороты веществ;
• • понятие энергии активации;
• • понятие неравновесной кинетики;
• • скорость перехода из метастабильного состояния;
• • особенности реакции при низких температурах;
• • основное уравнение химической кинетики и взаимозависимость изобарного потенциала, энтальпии, энтропии, константы равновесия, ЭДС и температуры;

уметь

• • проводить расчет порядка реакции из опытных данных;
• • проводить расчет энергии активации по времени прохождения реакции до некоторого предела и температуры;

владеть

• законами химической кинетики.

Скорость реакции

С помощью термодинамических знаний можно предсказать, будет ли при данных условиях проходить реакция и устойчиво ли вещество. Однако даже положительный ответ не скажет, как быстро будет протекать реакция — взрывоподобно или крайне медленно. Ответ дает химическая кинетика, которая изучает поведение вещества во времени в зависимости от его количества, температуры, давления, присутствия других веществ (катализаторы и инициаторы) и других факторов. Стабильность, или устойчивость, вещества определяется не только термодинамическими характеристиками, но и его временем жизни.

Знание скорости химической реакции позволяет сказать, за какое время проходит реакция, сколько времени требуется, чтобы израсходовалось заданное количество вещества, и сколько получилось определенного количества продукта. Много других сведений о химической реакции, ее механизме и о природе исходных и получающихся веществ можно извлечь из кинетических данных.

Скорость химической реакции измеряется числом взаимодействий за единицу времени исходных веществ, приводящих к образованию новых веществ — продуктов реакции. Число химических взаимодействий зависит от многих факторов. Важнейший из них — концентрация реагирующих веществ. Предположим, что за промежуток времени от t_x до t₂ концентрация некоторого вещества (исходного или продукта) изменилась от С_{ до С₂. Тогда средняя скорость химической реакции а_ср в данном интервале времени t₂ —1_{ равна

Средняя скорость реакции тем ближе к истинной скорости г чем меньше промежуток времени t₂ — t_x = At и, соответственно, чем меньше разница между конечной и начальной концентрациями С₂— С_х = АС. Средняя скорость становится истинной при At и ДС, стремящихся к бесконечно малым значениям, обозначаемым символом d:

Скорость химической реакции можно выражать изменением концентрации как исходного вещества, так и продукта реакции, этим будет определяться ее знак. Скорость не может быть отрицательной, поэтому скорости придают отрицательный знак, если она измеряется по уменьшению концентраций исходных веществ. Как правило, скорость понижается при уменьшении концентрации реагирующих веществ.