Влияние концентраций реагирующих веществ.

Кинетика химических реакций.

Понятие о скорости химической реакции.

Энергия активации

Скорость реакции и ее зависимость от различных факторов.

Порядок реакции.

Влияние концентраций реагирующих веществ.

Цель любого технологического процесса – получение дешевого и качественного продукта в кратчайший срок и с максимальным выходом. Чтобы удовлетворить эти экономические требования, технологический процесс надо проводить в оптимальных условиях, то есть так комбинировать основные показатели процесса (температуру, давление, концентрации веществ и т.д.), чтобы можно было получить наибольшее количество продукта с большой скоростью, уменьшить затраты сырья, энергии, топлива, на строительство и эксплуатацию аппаратов, а также затраты работы на производство продукта. Выбрать оптимальные условия невозможно без знания особенностей химикотехнологических процессов.

Энергия активации Большинство органических химических реакций (за исключением реакций кислот и оснований, ) протекают очень медленно, независимо от величины ΔG. Главная причина низкой скорости реакции состоит в том, что для вступления в реакцию молекулы реагента должны обладать определенной минимальной энергией, называемой энергией активации. Наглядно это можно представить с помощью энергетической диаграммы наиболее простой реакции А — > B (1). Каждое из соединений, реагент А и продукт реакции В, обладает· определенным химическим потенциалом (P_p и Р_np соответственно). Изменение свободной энергии реакции (ΔG) соответствует разности потенциалов. Для превращения в В соединение А должно преодолеть энергетический барьер, пик которого P_a выше Р_p, Разность потенциалов Р_а - P_p носит название энергия активации (E_а).

В пользу того, что A, в принципе, может превратиться в B, свидетельствует то обстоятельство, что Pp является средним значением потенциала для всех молекул, вступающих в реакцию. Время от времени отдельные молекулы достигают гораздо более высокого потенциала, например за счет столкновения с другими молекулами. Если в результате столкновения энергия молекулы превысит E_а, эта молекула перейдет энергетический барьер и превратится в В. На рис. 2 и 3 приведено распределение энергии для молекулярных ансамблей, рассчитанное на простой модели. Δn/n это та часть молекул, которая обладает (или превышает) энергией E (в кДж/моль). Например, при 27°С около 10% молекул обладают энергией около 6 кДж/моль. Энергия активации химических реакций обычно существенно выше. Аналогичный график для реакции с энергией активации около 50 кДж/моль приведен на рис. 3. Статистически при 27°С такой энергией обладает только 2 из 10⁹ молекул, при 37°С — четыре молекулы (3). Подобная зависимость позволяет объяснить найденный эмпирическим путем температурный коэфициент скорости биологических процессов Q₁₀, который означает, что при повышении температуры на 10°С скорость реакции возрастает в 2 раза.

Скорость реакции Скорость химической реакции определяют по изменению концентрации одного из реагентов или продуктов реакции за определенный период времени. В приведенном примере в 1 л раствора за 1 с расходуется 3 ммоля реагента и, в результате образуется 3 ммоля продукта. Это соответствует скорости реакции

v = ЗмМ · с^-1 = 3 · 10^-3 моль · л^-1 · с^-1

Скорость химической реакции зависит от природы реагентов, их концентрации, давления, температуры, наличия катализаторов и некоторых внешних факторов. Как известно, вещества могут взаимодействовать, если их молекулы сойдутся в какой то точке. Чем большее будет столкновений между реагирующими молекулами, тем быстрее будет происходить химическая реакция. Количество таких столкновений прямо пропорционально общему количеству молекул, то есть концентрации реагирующих веществ.

На скорость химической реакции могут влиять некоторые условия. Рассмотрим следующие примеры.

Калий активно взаимодействует с водой при комнатной температуре. Железо взаимодействует с водой при температуре от 700 до 900 градусов по Цельсию, а золото не взаимодействует с водой даже при сильном нагревании. Следовательно, скорость химической реакции зависит от природы реагирующих веществ.

Рассмотрим следующий пример. Цинк может взаимодействовать как с разбавленной, так и с концентрированной соляной кислотой. Более интенсивно водород выделяется во втором случае. Следовательно, скорость химической реакции зависит от концентрации реагирующих веществ.

Тот же цинк будет интенсивнее реагировать с соляной кислотой, находясь в порошкообразном состоянии, а не в виде гранул. Объясняется это тем, что в порошкообразном состоянии увеличивается площадь поверхности цинка, контактирующего с соляной кислотой. Следовательно, скорость химической реакции зависит от площади поверхности соприкосновения веществ.

Разложение гидроксида меди два может протекать при комнатной температуре, но заметно ускоряется при нагревании. Следовательно, скорость химической реакции зависит от температуры (обычно, чем выше температура, тем больше скорость химической реакции)

Зависимость скорости химической реакции от температуры можно выразить правилом Вант-Гоффа: при повышении температуры на каждые 10 градусов скорость большинства реакций увеличивается в 2 – 4 раза.

Порядок реакции

Скорость реакции зависит не только от энергии активации и температуры, но и от концентрации реагентов. Если имеется лишь один субстрат А (1), то скорость ν прямо пропорциональна концентрации [A]; это реакция первого порядка. Если в реакции участвуют два реагента А и В (2), то речь идет о реакции второго порядка. В таком случае ν пропорциональна произведению концентрации реагентов. Коэффициенты k и k' — константы скорости реакции — зависят от типа реакции и условий ее проведения.

На схеме Б приведена кинетика простых необратимых реакций. Обратимые или многоступенчатые реакции могут быть разделены на промежуточные реакции первого или второго порядка и описаны с помощью соответствующих уравнений

Влияние концентраций реагирующих веществ.

Рассмотрим это на примере реакции:

CH₄ + 2 H₂O пар → 4 H₂ + CО₂

Если к смеси веществ, которые находятся в состоянии равновесия, добавить определенное количество метана или водного пара, то по принципу Ле Шательє должны пройти процессы, которые уменьшат концентрацию этих реагентов, то есть усилится взаимодействие между СН₄ и Н₂О равновесомая сместится вправо, а выход продуктов увеличится.

Как правило, не увеличивают концентрации всех исходных реагентов, а берут в излишке наиболее дешевый реагент, а именно для этого примера – излишек водного пара.

Сместить равновесомую систему можно также уменьшением концентраций продуктов реакции. Для этого продукты выводят из реакционной системы.

Итак, для вывода системы из состояния равновесия пользуются принципом Ле Шательэ и изменяют основные параметры процесса (давление, температуру, концентрацию реагентов), эти самим улучшают технико-экономические показатели процессов. Кроме чисто практического значения принцип Ле Шательэ имеет общенаучное значение и распространяется на все процессы, которые находятся в состоянии динамического равновесия.

Повышение концентрации взаимодействующих компонентов достигается использованием обогащенного сырья или его концентратов, а также непрерывным отводом продуктов реакции из зоны взаимодействия.

Для ускоренного отвода газообразных продуктов реакции используют вакуум, конденсацию, поглощение на твердом поглотителе и т.п., а для ускоренного отвода жидких смесей – кристаллизацию и испарение.

Дата добавления: 2021-12-10; просмотров: 19; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

Мы поможем в написании ваших работ!