Кинетика гомогенных химических реакций

Скорость химической реакции есть изменение числа молей реагентов в результате химического взаимодействия в единицу времени в единице объема (для гомогенных реакций) или на единице поверхности (для гетерогенных процессов) [2]:

,

(1.4)

где W – скорость химической реакции, ;

V – объем, м³;

N – число молей;

t – время, с.

Согласно уравнению (1.4), вводя концентрацию , получим

,

(1.5)

где С – концентрация, моль/м³,

или

.

(1.6)

Для реакций, идущих при постоянном объеме, второе слагаемое в уравнении (1.6) равно нулю и, следовательно,

.

(1.7)

Одним из основных законов химической кинетики, определяющим количественные закономерности скоростей элементарных реакций, является закон действующих масс.

Согласно кинетическому закону действующих масс скорость элементарной реакции при заданной температуре пропорциональна концентрациям реагирующих веществ в степенях, показывающих число вступающих во взаимодействие частиц [1, 2]:

,

(1.8)

где W – скорость химической реакции;

– константа скорости;

– концентрации исходных веществ, ;

– соответствующие стехиометрические коэффициенты в брутто-уравнении химической реакции.

Уравнение (1.8) справедливо для элементарных реакций. Для сложных реакций показатели степени в уравнении (1.8) называются порядками реакции и могут принимать не только целочисленные значения.

Константа скорости химической реакции является функцией температуры, и зависимость от температуры выражается законом Аррениуса:

,

(1.9)

где – предэкспоненциальный множитель;

E – энергия активации, ;

Т – температура, К;

R – газовая постоянная, .

Рассмотрим гомогенную реакцию

,

(1.10)

где a, b, c, d – стехиометрические коэффициенты.

Согласно закону действующих масс (1.8) скорость этой реакции запишется следующим образом:

(1.11)

Между скоростями реакции по отдельным компонентам (обозначим их W_A, W_B, W_C, W_D) и общей скоростью реакции W существует зависимость

.

(1.12)

Отсюда вытекают следующие выражения:

;
;
;	(1.13)
.

Чтобы применить закон действующих масс к сложной химической реакции, необходимо представить ее в виде элементарных стадий и применить этот закон к каждой стадии отдельно.