Химическая кинетика. - предмет химической кинетики;

План:

- предмет химической кинетики;

- гомогенные и гетерогенные реакции;

- закон действующих масс;

- константа скорости химической реакции;

- порядок реакции;

- зависимость скорости реакции от температуры, энергия активации;

- катализ;

- химическое равновесие, принцип Ле Шателье

- кинетика ферментативных реакций

Химическая кинетика изучает скорости химических реакций и их зависимость от различных факторов.

По механизму протекания различают простые и сложные реакции.

Простые реакции протекают в одну стадию. Уравнение простой реакции отражает ее механизм.

Сложные реакции протекают в несколько последовательных или параллельных стадий:

А ® B ® С - последовательные реакции

В

А параллельне реакции

С

Уравнение сложной реакции не отражает ее механизм, а является лишь алгебраической суммой отдельных стадий, например:

А + В ® C + D

1) A ® X + C

2) X + B ® D

По признаку молекулярности реакции делятся на моно -, би - и тримолекулярные.

Молекулярность - это число частиц, участвующих в элементарном акте химического взаимодействия.

Мономолекулярные реакции:

I₂ ® 2I

NH₄SCN ® (NH₂)₂CS

Бимолекулярные реакции:

CO + Cl₂ ® COCl₂

2HI ® H₂ + I₂

Тримолекулярные реакции:

2NO + Cl₂ ® 2 NOCl

Понятие молекулярность применимо только к простым реакциям или к элементарным стадиям сложных реакций. Реакции с молекулярностью выше трех маловероятны и не известны.

По фазовому состоянию реагирующих веществ различают гомогенные и гетерогенные реакции.

Гомогенные реакции протекают в пределах одной фазы, например, в смеси газов или в растворе.

Гетерогенные реакции протекают на границе раздела фаз, например, твердой и жидкой, твердой и газообразной.

В ходе гомогенной реакции химические взаимодействия происходят по всему объему системы. Скорость гомогенной реакции определяется числом взаимодействий в единицу времени в единице объема и измеряется изменением концентрации одного из реагирующих веществ в единицу времени. Так как концентрация исходных веществ уменьшается (dC< 0), а продуктов ре­акции - растет (dC> 0), перед дробью ставят знак + или - так, чтобы скорость всегда была положительной (рис.1):

(1)

Единица измерения скорости реакции -моль/л с.

Скорость реакции зависит от многих факторов. Основные факторы, влиящие на скорость реакции:

- природа реагирующих веществ

- концентрация

- температура

- катализатор.

Зависимость скорости от концентрации исходных веществ выражается законом действующих масс. Закон открыт опытным путём К. Гульдбергом и П. Вааге в 1867г.

аА + bВ = сС + dD

υ = kC_а^p C_b^q, где k – константа скорости химической реакции;

[A], [B] – концентрации исходных веществ;

а, b, - стехиометрические коэффициенты.

Скорость химической реакции прямо пропорциональна произведению концентраций исходных веществ, взятых в некоторых степенях.

Зависимость скорости от концентрации реагирующих веществ, называется кинетическим уравнением химической реакции.

Константа скорости химической реакции – одна из основных кинетических характеристик данной реакции.

Константа скорости равна скорости реакции при концентрациях реагентов, равных 1 моль/л, т.е. удельной скороcти реакции. Константа скорости реакции зависит от природы реагентов, температуры, катализатора и не зависит от концентрации реагентов.

Порядок реакции показывает характер зависимости скорости реакции от концентрации. Известны реакции нулевого, первого, второго, третьего и дробных порядков

Для простых реакций частные порядки по отдельным реагентам совпадают с их стехиометрическими коэффициентами: p=a и q=b, а общий порядок с молекулярностью реакции, например:

I₂ ® 2 I

H₂ + I₂ ® 2 HI

2 NO + Cl₂ ® 2 NOCl

Для сложных реакций - p¹ a и q¹ b, например:

2 N₂O₅ ® 4 NO₂ + O₂

2HI + H₂O₂ ® 2 H₂O + I₂

2 NO₂ + 4 H₂ ® 4 H₂O + N₂

N₂ + O₂ ® 2 NO

Порядок реакции устанавливается экспериментально и зависит от механизма реакции. Если процесс включает несколько последовательных стадий, то порядок реакции будет определяться молекулярностью медленной стадии, которая лимитирует скорость всего процесса, например:

2 N₂O₅ ® 4 NO₂ + O₂

стадия 1: N₂O₅ ® N₂O₃ + O₂ медленно

стадия 2: N₂O₅ + N₂O₃ ® 4 NO₂ быстро

Зависимость скорости от концентрации реагирующих веществ, называется кинетическим уравнением химической реакции.

Гетерогенные реакции – это химические реакции с участием веществ, находящихся в разных фазах и образующих гетерогенную систему. Гетерогенные реакции протекают на поверхности раздела фаз.

Примерами гетерогенных реакций могут служить процессы

горения твердых веществ:

C_(к) + O2(г)® CO2(г);

Гетерогенные реакции – это сложные процессы, которые включают несколько последовательных стадий:

1) подвод реагентов к поверхности раздела фаз путем диффузии;

2) адсорбция реагентов на поверхности раздела фаз;

3) химическое взаимодействие;

4) десорбция продуктов реакции с поверхности раздела;

5) отвод продуктов от поверхности раздела путем диффузии.

Каждая из перечисленных стадий имеет свою скорость. Скорость процесса в целом определяется скоростью самой медленной (лимитирующей) стадии и описывается ее законами. Поэтому не существует единой формы кинетического уравнения для гетерогенных процессов. Если лимитирующей стадией процесса является химическое взаимодействие, то скорость химической реакции определяется законом действия масс. Если же сама химическая реакция протекает быстро, то скорость гетерогенного процесса будет определяться скоростью подвода реагирующих веществ к поверхности раздела и описываться уравнениями диффузионной кинетики.