Краткие теоретические сведения. Химическая кинетика – наука, изучающая закономерности протекания физико-химических процессов во времени

Химическая кинетика – наука, изучающая закономерности протекания физико-химических процессов во времени.

Химическая кинетика – это раздел физической химии, в котором рассматривается зависимость скорости химической реакции от концентрации реагентов, температуры, свойств среды, электромагнитного излучения и других факторов; наравне с химической термодинамикой является теоретической основой химической технологии. Создание новых технологических процессов, расчет оптимальных условий проведения реакций, конструирование и расчет эффективных реакторов могут быть осуществлены успешно только с учетом законов химической кинетики.

Формальная кинетика химических реакций – раздел химической кинетики, изучающий зависимость скорости реакции от концентрации реагентов. Задачей формальной кинетики является выяснение количественной связи между скоростью реакции и концентрацией реагентов в форме системы дифференциальных или интегральных (алгебраических) уравнений, а также установление механизма сложных химических реакций.
В основе формальной кинетики лежит закон действующих масс и принцип независимости протекания реакций.

Основные понятия и определения формальной кинетики

Элементарная химическая реакция – реакция, протекающая путём прямого превращения молекул исходного вещества в молекулы продуктов реакций. Элементарная химическая реакция является совокупностью множества протекающих за единицу времени однотипных элементарных химических актов.

Элементарный химический акт – это единичное взаимодействие частиц (молекул, радикалов, ионов, атомов и др.), в результате которых образуются новые частицы продуктов реакции или промежуточных соединений.

Молекулярность реакции – это число участвующих в элементарном химическом акте частиц. Как правило, это всегда целое положительное число: 1, 2, реже 3. В соответствии с этим выделяют моно-, би-, тримолекулярные реакции. Элементарных химических актов с одновременным участием четырех (и большего количества) частиц не бывает, так как вероятность одновременного столкновения четырех частиц ничтожно мала.

Физико-химические процессы могут протекать в системах, состоящих из одной или нескольких фаз. При анализе кинетических закономерностей необходимо точно установить, в какой именно части системы происходит химическое превращение. Химическая реакция, протекающая в пределах одной фазы, называется гомогенной. Реакционным пространством в этом случае является жидкая, газообразная или твердая фаза системы.

Химическая реакция, протекающая на границе раздела двух фаз, называется гетерогенной. Реакционным пространством в этом случае является поверхность раздела фаз.

Скорость элементарной химической реакции – это число однотипных элементарных химических актов, совершающихся в единицу времени в единице объема (для гомогенных реакций) или на единице поверхности (для гетерогенных реакций) реакционного пространства при постоянном объеме системы или площади поверхности раздела фаз.

Сложная реакция – это реакция, включающая несколько элементарных стадий химического превращения. Большинство химических реакций являются сложными. Так, например, реакция

H₂ + I₂ ® 2HI (a)

до определенного времени считалась элементарной. Теперь известно, что эта реакция сложная и включает следующие элементарные стадии:

I₂ ® I· + I· (b)

I· + H₂ ® HI + H· (c)

H· + I₂ ® HI + I· (d)

I· + I· ® I₂ (e)

(Для простоты изложения все четыре стадии реакции показаны как практически односторонние.)

При протекании сложной реакции возникают и расходуются промежуточные вещества. Обычно такими веществами являются радикалы – активные частицы с неспаренными электронами. В реакции (а) промежуточными веществами являются радикалы I· и H·, возникающие в на стадиях (b) – (d).

Механизм сложной химической реакции – это совокупность элементарных стадий, обеспечивающих протекание данного химического превращения. Механизм реакции (a) есть совокупность стадий (b) – (e).
На основе механизма реакции можно получить закономерность (математическую модель), адекватно отражающую основные черты реального процесса.

Определить число элементарных химических актов, совершающихся при протекании химической реакции, невозможно. Поэтому скорость химической реакции количественно принято характеризовать изменением концентрации реагирующих веществ в единицу времени. Однако изменение концентрации может быть обусловлено как протеканием химической реакции, так и обменом веществом с окружающей средой.

В связи с этим отдельно рассматривают реакции, протекающие в закрытых и открытых системах. Закрытые системы не обмениваются веществом с окружающей средой, и изменение концентрации вещества в них с течением времени происходит только за счет протекания в системе химической реакции. В химической технологии закрытой системе соответствует прерывный процесс, например в чанах или автоклавах периодического действия.

В открытой системе изменение количества вещества обусловлено
не только протеканием реакции, но и обменом веществом с окружающей средой. В химической технологии открытой системе соответствует непрерывный процесс, например в реакторах идеального смешения и идеального вытеснения. Открытой системой является любой живой организм.

В дальнейшем будем рассматривать кинетику химических реакций в закрытых системах.