Химическая кинетика (стр. 1 из 2)
Химическая кинетика – раздел физической химии, который изучает влияние различных факторов на скорости и механизмы химических реакций.
Под механизмом химической реакции понимают те промежуточные реакции, которые протекают при превращении исходных веществ в продукты реакции.
Основным понятием химической кинетики является понятие скорости химической реакции. В зависимости от системы, в которой протекает реакция, определение понятия «скорость реакции» несколько отличается.
Гомогенными химическими реакциями называются реакции, в которых реагирующие вещества находятся в одной фазе. Это могут быть реакции между газообразными веществами или реакции в водных растворах. Для таких реакций средняя скорость (равна изменению концентрации любого из реагирующих веществ в единицу времени)
.Мгновенная или истинная скорость химической реакции равна
.Знак минус в правой части говорит об уменьшении концентрации исходного вещества. Значит, скоростью гомогенной химической реакции называют производную концентрации исходного вещества по времени.
Гетерогенной реакцией называется реакция, в которой реагирующие вещества находятся в разных фазах. К гетерогенным относятся реакции между веществами, находящимися в разных агрегатных состояниях.
Скорость гетерогенной химической реакции равна изменению количества любого исходного вещества в единицу времени на единицу площади поверхности раздела фаз:
.
Кинетическим уравнением химической реакции называют математическую формулу, связывающую скорость реакции с концентрациями веществ. Это уравнение может быть установлено исключительно экспериментальным путём.
В зависимости от механизма все химические реакции классифицируют на простые (элементарные) и сложные. Простыми называются реакции, протекающие в одну стадию за счёт одновременного столкновения молекул, записанных в левой части уравнения. В простой реакции могут участвовать одна, две или, что встречается крайне редко, три молекулы. Поэтому простые реакции классифицируют на мономолекулярные, бимолекулярные и тримолекулярные реакции. Так как с точки зрения теории вероятности одновременное столкновение четырёх и более молекул маловероятно, реакции более высокой, чем три, молекулярности не встречаются. Для простых реакций кинетические уравнения относительно просты. Например, для реакции H2 + I2 = 2 HIкинетическое уравнение имеет вид
= k ∙ C(I2) ∙ C(H2).Сложные реакции протекают в несколько стадий, причём все стадии связаны между собой. Поэтому кинетические уравнения сложных реакций более громоздки, чем простых реакций. Например, для сложной реакции H2 + Br2 = 2 HBrизвестно
= 
.Сложность кинетического уравнения напрямую связана со сложностью механизма реакции.
Основным законом химической кинетики является постулат, вытекающий из большого числа экспериментальных данных и выражающий зависимость скорости реакции от концентрации. Этот закон называют законом действующих масс.Он утверждает, что скорость химической реакции в каждый момент времени пропорциональна концентрациям реагирующих веществ, возведённым в некоторые степени.
Если уравнение химической реакции имеет вид
a A + b B + d D → продукты,
то формулу закона действующих масс можно представить в виде
= k ∙ 
.В этом уравнении k – константа скорости химической реакции – важнейшая характеристика реакции, не зависящая от концентраций, а зависящая от температуры. Константа скорости химической реакции равна скорости реакции, если концентрации всех веществ равны 1 моль/л. Показатели степеней n1, n2, n3 называют частными порядками химической реакции по веществам А, В и D. Для простых реакций частные порядки – небольшие целые числа от нуля до трёх. Для сложных реакций частные порядки могут быть и дробными, и отрицательными числами. Сумма частных порядков называется порядком химической реакции n = n1+ n2+ n3. Таким образом, порядком химической реакции называют сумму показателей степеней концентраций в кинетическом уравнении.
Кинетическая классификация простых гомогенных химических реакций
С точки зрения химической кинетики простые химические реакции классифицируют на реакции нулевого, первого, второго и третьего порядков. Реакции нулевого порядка встречаются чрезвычайно редко. Для того чтобы реакция протекала по нулевому порядку необходимы специфические условия её проведения. Например, реакция разложения оксида азота (5+) N2O5 → N2O4 + ½ O2 протекает как реакция нулевого порядка только в случае твёрдого оксида азота (5+).
Если же взят газообразный оксид, то реакция протекает как реакция первого порядка.
В то же время следует сказать, что встречается большое количество реакций, в которых частный порядок по какому-либо веществу равен нулю. Обычно это реакции, в которых данное вещество взято в большом избытке по сравнению с остальными реагентами. Например, в реакции гидролиза сахарозы
С12Н22О11 + Н2О → С6Н12О6 + С6Н12О
Сахароза Глюкоза Фруктоза
частный порядок реакции по воде равен нулю.
Самыми распространёнными являются реакции первого и второго порядков. Реакций третьего порядка мало.
Рассмотрим для примера математическое описание кинетики химической реакции первого порядка. Решим кинетическое уравнение такой реакции
= kC.Разделим переменные dC = – kdt. После интегрирования
∫
= -∫kdt.получим
lnС = – kt + const.
Найдём постоянную интегрирования, учитывая начальное условие: в момент времени t = 0 концентрация равна начальной С = С0. Отсюда const = lnC0 и
ln С = ln С0 – kt,
ln С – ln С0 = – kt,
ln
= – kt,C = C0∙ e-kt.
Это интегральное кинетическое уравнение реакции первого порядка.
Важной кинетической характеристикой реакции любого порядка является время полупревращения τ½. Временем полупревращения называют время, в течение которого реагирует половина начального количества вещества. Найдём выражение для времени полупревращения реакции первого порядка. Для t = τ½C = C0/2. Поэтому
ln
= ln 
= – kt,k τ½ = ln 2.
Отсюда
τ½ =
= 
.Результаты решения дифференциальных кинетических уравнений для реакций всех порядков представим в виде таблицы (табл. 2). Данные этой таблицы относятся к случаю, когда все вступающие в реакцию вещества имеют одинаковые начальные концентрации.
Таблица – Кинетические характеристики простых гомогенных реакций
| Кинетическаяхарактеристика | Порядок химической реакции | |||
| n = 0 | n = 1 | n = 2 | n = 3 | |
| 1Дифференциальное кинетическое уравнение |  = k. | = kC. | = kC2. | = kC3. |
| 2 Интегральное кинетическое уравнение | С0- С = kt | C = C0∙e-kt | (  ) = kt | (  ) = 2kt |
| 3 Константа скорости реакции, её размерность | k =  [(моль/л)∙с-1] | k =  [с-1] | k =  [(моль/л)-1∙с-1] | k =  [(моль/л)-2∙с-1] |
| 4 Время полупревращения | τ½=  | τ½ =  | τ½ =  | τ½ =  |
| 5 Функция, линейно зависящая от времени | C | ln C |  |  |
Способы определения порядка реакции
Для определения порядков химических реакций используют дифференциальные и интегральные способы. Дифференциальные способы используют дифференциальные кинетические уравнения. Порядок реакции с помощью этих способов рассчитывается и представляется в виде числа. При этом, так как способ базируется на кинетическом эксперименте, результат расчёта содержит в себе некоторую погрешность.