- •Химическая кинетика
- •Методы определения порядка рекации
- •Влияние температуры на скорость химических реакций
- •Катализ
- •Гомогенный катализ
- •Определение константы скорости реакции гидролиза сложного эфира
- •Методика эксперимента
- •Отчет по работе
- •Определение константы скорости инверсии тростникового сахара
- •Методика эксперимента
- •Отчет по работе
- •Определение константы скорости реакции омыления уксусноэтилового эфира
- •Методика эксперимента
- •Отчет по работе
- •Определение константы скорости реакции второго порядка
- •Теоретическое обоснование
- •Методика эксперимента
- •Отчет по работе
- •Определение энергии активации гомогенной реакции
- •Теоретическое обоснование
- •Методика эксперимента
- •Отчет по работе
- •Изучение кинетики реакций второго порядка на примере реакции иодирования ацетона в кислой среде Теоретическое введение
- •Экспериментальная часть
- •Работа 6 а
- •Работа 6 б изучение вторичного солевого эффекта
- •Контрольные вопросы
- •Исследование скорости окисления металлов при высоких температурах Теоретическое введение
- •Экспериментальная часть
- •Изучение кинетики испарения жидкости и диффузии ее паров в воздухе Теоретическое введение
- •Изучение кинетики каталитических реакций на примере разложения перекиси водорода Теоретическое введение
- •Изучение скорости мутаротации глюкозы Теоретическая часть
- •Последовательность выполнения работы
- •Литература
Химическая кинетика
Скорость химической реакции есть число элементарных актов химической реакции, происходящих в единицу времени в единице объема (для гомогенных реакций) или на единице поверхности (для гетерогенных реакций).
Скорость химической реакции есть изменение концентрации реагирующих веществ в единицу времени. Различают среднюю скорость , когда изменение концентрации учитывается за конечный промежуток времени, и истинную, когда за бесконечно малый промежуток времени. Знак «+» принимается для продуктов реакции, а «» для исходных веществ.
Одной из задач, стоящих перед химической кинетикой, является определение состава реакционной смеси (т.е. концентраций всех реагентов) в любой момент времени, для чего необходимо знать зависимость скорости реакции от концентраций. В общем случае, чем больше концентрации реагирующих веществ, тем больше скорость химической реакции. В основе химической кинетики лежит закон действия масс:
Скорость химической реакции
1A1+1A1+1A1+...→ продукты реакции
прямо пропорциональна произведению концентраций С1, С2,...реагирующих веществ, взятых в некоторых степенях n1, n2, …:
, (1)
Коэффициент пропорциональности k есть константа скорости химической реакции. Константа скорости численно равна скорости реакции при концентрациях всех реагирующих веществ, равных 1 моль/л.
Зависимость скорости реакции от концентраций реагирующих веществ определяется экспериментально и называется кинетическим уравнениемхимической реакции. Очевидно, что для того, чтобы записать кинетическое уравнение, необходимо экспериментально определить величину константы скорости и показателей степени при концентрациях реагирующих веществ. Показатель степени при концентрации каждого из реагирующих веществ в кинетическом уравнении химической реакции эточастный порядок реакциипо данному компоненту. Сумма показателей степени в кинетическом уравнении химической реакции (n1 + n2 + ...) представляет собойобщий порядок реакции. Следует подчеркнуть, что порядок реакции определяется только из экспериментальных данных и не связан со стехиометрическими коэффициентами при реагентах в уравнении реакции. Стехиометрическое уравнение реакции представляет собой уравнение материального баланса и никоим образом не может определять характера протекания этой реакции во времени.
Элементарными (простыми) называют реакции, идущие в одну стадию. Их принято классифицировать по молекулярности– числу частиц, которые, согласно экспериментально установленному механизму реакции, участвуют в элементарном акте химического взаимодействия.
Мономолекулярные– реакции, в которых происходит химическое превращение одной молекулы (изомеризация, диссоциация и т. д.):
I2I• + I•
Бимолекулярные– реакции, элементарный акт которых осуществляется при столкновении двух частиц (одинаковых или различных):
СН3Вr + КОНСН3ОН + КВr
Тримолекулярные– реакции, элементарный акт которых осуществляется при столкновении трех частиц:
О2+ NО + NО2NО2
Реакции с молекулярностью более трех неизвестны.
Для элементарных реакций, проводимых при близких концентрациях исходных веществ, величины молекулярности и порядка реакции совпадают. Тем не менее, никакой четко определенной взаимосвязи между понятиями молекулярности и порядка реакции не существует, поскольку порядок реакции характеризует кинетическое уравнение реакции, а молекулярность – механизм реакции.
При С1=С2=…=1,k=r, т.е. константа скорости есть скорость данной реакции при данной температуре и при единичных концентрациях всех реагирующих веществ. Скорости прямой и обратной реакций при равновесии равны, а отношение констант прямойk1и обратнойk-1скоростей при этом отвечает константе равновесия
. (2)
Третьей важнейшей кинетической характеристикой является порядок реакции. Это есть суммарный показатель степени в опытном уравнении, определяющим зависимость скорости от концентрации реагентов. В общем случае порядок не совпадает с молекулярностью, поскольку он отражает не стехиометрические соотношения, в которых протекает суммарное взаимодействие (это определяет молекулярность реакции), а фактически механизм процесса в конкретных условиях. Поэтому в отличие от молекулярности, которая всегда выражается целым числом и не может равняться нулю, порядок может выражаться дробным числом или равняться нулю. Порядок выше второго практически не встречается, так как одновременно столкновение трех и более частиц маловероятно.
Рассмотрим характеристики реакций 1-го и 2-го порядков.
Реакции 1-го порядка. Если объем системы постоянен, то скорость реакции определяется по уравнению
. (3)
После интегрирования выражения (7) по времени от 0 до tи по концентрации отC0доCполучим:
, (4)
или, если через x обозначить количество вещества, прореагировавшего к моментуt, тоС0 –С =x или
. (5)
Найдем период полураспада, т.е. время, за которое исходное вещество прореагирует ровно наполовину, для реакции первого порядка t1/2.
Из (8) следует, что: , а для периода полураспада, отсюда получаем, что
. (6)
Из изложенного следует, что для реакции 1-гопорядка числовая величина константы скорости не зависит от выбора единиц концентрации и определяется только выбором единиц времени, а период полураспада не зависит от начальной концентрации вещества.
Реакции 2-го порядка. В простейшем случае, когда исходные вещества взяты в эквимолярном соотношении), кинетическое уравнение отображается следующим выражением
(7)
или . После интегрирования выражения (11) по времени в пределах от 0 доtи соответственно по концентрации отC0доCполучим:
(8)
или, вводя x:
. (9)
Период полураспада, соответствующий , для таких реакций равен
. (10)
Из (14) следует, что числовая величина константы скорости реакций второго порядка определяется выбором единиц концентрации , а период полураспада для реакции второго порядка зависит от начальной концентрации. Подобные соотношения справедливы и для реакций выше 2-гопорядка.