Хімічна кінетика Хімічна рівновага Хімічна кінетика - розділ хімії, який вивчає швидкість хімічної реакції і фактори, які впливають на неї.
Про
принципову здійсненності процесу судять за значенням зміни енергії Гіббса системи. Однак воно нічого не говорить про реальну можливість реакції в даних умовах, не дає уявлення про швидкість і механізм процесу.
Вивчення швидкостей реакцій дозволяє з'ясувати механізм складних хімічних перетворень. Це створює перспективу для
управління хімічним
процесом, дозволяє здійснювати
математичне моделювання процесів.
Реакції можуть бути:
1.
Гомогенними - протікають у одному середовищі (в газовій фазі); проходять в усьому обсязі;
2.
Гетерогенними - протікають не в одному середовищі (між речовинами, що знаходяться в різних фазах); проходять на
межі поділу.
Під
швидкістю хімічної реакції розуміють число елементарних актів реакції, що проходять в одиницю часу в одиниці об'єму (для гомогенних реакцій) і на одиницю
поверхні (для гетерогенних реакцій).
Так як при реакції змінюється концентрація реагуючих речовин, то швидкість зазвичай визначають як зміна концентрації реагентів у одиницю часу і виражають у
. При цьому немає необхідності стежити за зміною концентрації всіх речовин, що входять в реакцію, оскільки стехіометричний коефіцієнт у рівнянні реакції
встановлює співвідношення між концентраціями, тобто при
швидкість накопичення аміаку вдвічі більше швидкості витрачання водню.
,
, Тому що
не може бути негативною, тому ставлять «-».
Швидкість в інтервалі часу
-
Справжня миттєва швидкість - 1-ша похідна концентрації за часом.
Швидкість хімічних реакцій залежить: 1. від природи реагуючих речовин;
2. від концентрації реагентів;
3. від каталізатора;
4. від температури;
5. від ступеня подрібнення твердої речовини (гетерогенні реакції);
6. від середовища (розчини);
7. від форми реактора (ланцюгові реакції);
8. від
освітлення (
фотохімічні реакції).
Основний закон хімічної кінетики -
закон діючих мас: швидкість хімічної реакції пропорційна добутку концентрацій реагуючих речовин в реакції
:
,
де
- Постійна швидкості хімічної реакції
Фізичний сенс
при
.
Якщо в реакції беруть участь не 2-е частки, а більш
, То:
~
у ступенях, рівних стехіометричним коефіцієнтами, тобто:
, Де
- Показник порядку реакції в цілому (реакції першого, другого, третього ... порядків).
Число часток, що беруть участь в цьому акті реакції визначає
молекулярних реакцій: мономолекулярних (
)
бімолекулярний (
)
трімолекулярная.
Більше 3-х не буває, тому що зіткнення більше 3-х часток відразу - малоймовірно.
Коли реакція йде в декілька стадій, то загальна
реакції =
найбільш повільної стадії (лімітуючої стадії).
Залежність швидкості реакції від температури визначається емпіричним
правилом Вант-Гоффа: при збільшенні температури на
, Швидкість хімічної реакції збільшується в 2 - 4 рази:
.
,
де
- Температурний коефіцієнт швидкості хімічної реакції
.
Не всяке зіткнення молекул супроводжується їх взаємодією. Більшість молекул відскакують як пружні кульки. І тільки активні при зіткненні взаємодіють один з одним. Активні молекули мають деякою надлишкової
але порівняно з неактивними молекулами, тому в активних молекулах зв'язку між ними ослаблені.
Енергія для
перекладу молекули в активний стан -
енергія активації
. Чим вона менша, тим більше частинок реагують, тим більше швидкість хімічної реакції.
Величина
залежить від природи реагуючих речовин. Вона менше
дисоціації - найменш міцного зв'язку в реагентах.
Зміна
в ході реакції:
виділяється (екзотермічна)
Зі збільшенням температури число активних молекул зростає, тому
збільшується.
Константа
хімічної реакції пов'язана з
:
,
де
- Предекспоненціальний множник (пов'язаний з ймовірністю і числом зіткнень).
У залежності від природи реагуючих речовин та умов їх взаємодії, в елементарних актах реакцій можуть приймати участь атоми, молекули, радикали або іони.
Вільні радикали надзвичайно реакційноздатні,
активних радикальних реакцій дуже мала (
).
Утворення вільних радикалів може відбуватися в
процесі розпаду речовин при температурі, освітленні, під дією ядерних випромінювань, при електророзряду, сильних механічних впливах.
Багато реакції протікають по
ланцюговому механізму. Особливість ланцюгових реакцій полягає в тому, що один первинний акт активації призводить до
перетворення величезної кількості молекул вихідних речовин.
Наприклад:
.
При звичайній температурі і розсіяному освітленні реакція протікає вкрай повільно. При нагріванні суміші газів або дії світла, багатого УФ променями (пряме сонячне
світло, світло від палаючого
) Суміш вибухає.
Ця реакція протікає через окремі елементарні
процеси. Перш за все, за рахунок поглинання кванта енергії УФ променів (або температури) молекула
дисоціюють на вільні радикали - атоми
:
, Потім
, Потім
і т.д.
Природно, можливо зіткнення вільних радикалів і один з одним, що призводить до обриву ланцюгів:
.
Крім температури на реакційну здатність речовин істотно впливає світло. Вплив світла (видимого, УФ) на реакції вивчає розділ хімії - фотохімія.
Фотохімічні процеси дуже різноманітні. При фотохімічному дії молекули реагуючих речовин, поглинаючи кванти світла, збуджуються, тобто стають реакційноздатними або розпадаються на іони і вільні радикали. На
фотохімічних процесах заснована
малюнок - вплив світла на світлочутливі
матеріали (фотосинтез).
Одним з найбільш поширених в хімічній практиці методів прискорення хімічних реакцій є
каталіз. Каталізатори - речовини, що змінюють
хімічної реакції за рахунок участі в проміжному хімічній взаємодії з компонентами реакції, але відновлюють після кожного циклу проміжного взаємодії свій хімічний склад.
Збільшення
каталітичної реакції пов'язане з меншою
нового шляху реакції. Оскільки у виразі для
входить в негативний показник ступеня, то навіть невелике зменшення
викликає дуже велике збільшення
хімічної реакції.
Існують
два види каталізаторів: гомокаталізатори;
гетерокаталізатори.
Біологічні каталізатори -
ферменти. Інгібітори - речовини, що уповільнюють
хімічної реакції.
Промотори - речовини, що підсилюють дію каталізаторів.
Реакції, які протікають тільки в одному напрямку і йдуть до кінця -
необоротні (утворення осаду, виділення газу). Їх мало.
Більшість реакцій -
оборотні: .
Відповідно до закону дії мас:
-
Хімічна рівновага. Стан системи, в якій
прямої реакції =
зворотної реакції, називається
хімічною рівновагою. .
Зі збільшенням температури,
: Для ендотермічної реакції зростає, для екзотермічної реакції убуває для
залишається постійним.
Вплив різних факторів на стан хімічної рівноваги визначається
принципом Ла-Шательє: якщо на систему, що знаходиться в рівновазі, зробити який-небудь вплив, то в системі посилюються процеси, які прагнуть зменшити цей вплив.
У стані рівноваги
.