Хімічна кінетика і рівновага

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 .