Основы химической кинетики и химическое равновесие (лекция 5)

механизмы химических процессов, а также зависимость их от различных факторов.
Механизм реакции – это последовательность отдельных простейших (элементарных) стадий реакции, в результате которых происходит образование конечных веществ.
Теоретическое значение кинетики состоит в том, что она позволяет проникнуть в сущность механизма химического взаимодействия.
Прикладное значение кинетики определяется тем, что для практического использования какой-либо реакции необходимо управлять ею, т.е. знать скорость ее протекания в данных условиях и способы изменения этой скорости.

фаз, участвующих в реакции
по применимости катализаторов
по степени сложности
по механизму протекания

процессе.
Мономолекулярные реакции:
C2H6 = 2CH3.
Бимолекулярные реакции:
CH3. + CH3. = C2H6
H2(г) + I2(г) = 2HI(г)
Тримолекулярные реакции:
2NO + O2 = 2 NO2
2NO + Cl2 = 2 NOCl

среде ( в одной фазе). Например, в газообразной фазе или жидком растворе. Гомогенные реакции протекают равномерно во всем объеме реакционного пространства.
Гетерогенные реакции – это реакции, протекающие в неоднородной среде, т.е. между веществами, которые находятся в разных фазах (твердой и жидкой, газообразной и жидкой и т.д.). Гетерогенные реакции идут на границе раздела фаз.

катализаторов.
А + В = АВ
Автокаталитические реакции – это реакции, в которых катализатором является один из продуктов реакции.
Например, при разложении перманганата калия образуется оксид марганца (IV), который является катализатором для данного процесса:
2KMnO4 = K2MnO4 + MnO2 + O2

к

стадию, в них участвуют только частицы, входящие в уравнение реакции.
Сложные реакции – это реакции, идущие в несколько стадий, которые идут последовательно, либо параллельно, либо последовательно-параллельно.

предыдущей стадии служит исходным веществом для последующей.
Cl2 + CHCl3 = HCl + CCl4

Параллельными реакциями называют реакции, в которых исходные вещества способны образовывать разные продукты реакции или одно вещество одновременно
способно реагировать с
несколькими веществами.
N2H4 = N2 + 2H2 ; 3N2H4 = N2 + 4NH3

и тех же условиях протекают в прямом и обратном направлении.
Необратимыми реакциями называются реакции, которые протекают только в одном направлении, т.е. продукты этих реакций не взаимодействуют друг с другом с образованием исходных веществ.

вещества (∆n) за единицу времени (τ) в единице объема системы (V)

Под скоростью гетерогенной химической реакции (ν) понимают изменение количества вещества (∆n) за единицу времени (τ) на единице поверхности раздела фаз (S)

Скоростью химической реакции называют изменение концентрации реагирующих веществ в единицу времени.

к промежутку времени t 2 – t1

Истинная (мгновенная) скорость реакции определяется тангенсом угла наклона касательной в точке, соответствующей данному моменту времени

Изменение концентрации исходного вещества (1) и продукта реакции (2) во времени

фактор

Гульдбергом и химиком Петером Вааге.

Скорость химической реакции прямо пропорциональна произведению концентраций реагирующих веществ в степенях их стехиометрических коэффициентов.

Вероятность нахождения молекул А и В в точке R зависит от их концентраций
ωA=α[A] ωB = β[B]
Вероятность сложного события (т.е. их столкновения) равна произведению вероятностей простых событий
ωAВ = ωA·ωВ = α[A]·β[B] α·β = k
VAB = k [A]⋅[B]

Математическое обоснование закона действующих масс для реакции А + В = С

концентрацией реагирующих веществ.

Для гомогенной реакции: 3H2(г) + N2(г) = 2NH3(г)
ν=k⋅[H2]3⋅[N2]

Для гетерогенной реакции: С(к) + O2(г) = СО2(г)
ν=k⋅[O2]

Константа скорости реакции численно равна скорости реакции, при концентрации реагирующих веществ равной единице
коэффициент пропорциональности, называемый константой скорости реакции

Константа скорости реакции зависит от природы реагирующих веществ, температуры и присутствия катализаторов, но не зависит от концентрации веществ

реакции увеличивается в 2-4 раза

ν1 - скорость реакции при температуре t01;
ν2 - скорость реакции при температуре t02;
- температурный коэффициент, принимает значения от 2 до 4

реакции, частотой столкновений и вероятность того, что энергия молекул превосходит величину ЕА.

Сванте Август
Аррениус

УРАВНЕНИЕ АРРЕНИУСА

k – постоянная скорости реакции;
z – число столкновений;
R – универсальная газовая постоянная;
T – абсолютная температура;
Eа – энергия активации.

необходима для химического взаимодействия.
Энергию активации можно рассматривать как некоторый энергетический барьер, который должны преодолеть сталкивающиеся молекулы.

– стандартная энтальпия продуктов реакции
ΔНр – тепловой эффект реакции

скорость называются катализаторами.
Явление изменения скорости реакции под действием катализаторов называют катализом.

Механизм действия катализатора:
1 стадия: А + К → А … К → АК
акт. комп.
 2 стадия: АК + В → В … АК → АВ + К
акт. комп.
В ходе реакции катализатор не расходуется
Катализатор изменяет путь реакции и тем самым влияет на энергию активации

одной фазе
I- схема реакции:
2H2O2 →2H2O+O2 1. H2O2 + I- ⇔ H2O + IO-
2. IO- + H2O2 → H2O + I- + O2

При гетерогенном катализе – катализатор и реагенты находятся в разных фазах
Pt схема реакции:
CO + 1/2 O2 → CO2 1. CO (г) + s → CO (адс.)
2. O2 (г) + s → 2O(адс.)
3. CO (адс.) + O (адс.)→CO2(адс.)
4. CO2(адс.) → CO2(г)

При ферментативном катализе – катализатором являются сложные белковые молекулы (энзимы)

обратной реакции, называется химическим равновесием.

продуктов реакции к произведению равновесных концентраций исходных веществ, при чем все вещества находятся в степенях численно равных их стехиометрическим коэффициентам.

Для гомогенных реакций:
2SO2(г)+ O2(г) = 2SO3(г)

Для гетерогенных реакций:
ZnO(тв)+H2(г)=Zn(тв)+H2O(г)

прямой и обратной реакций могут стать неодинаковыми, что обуславливает смещение (сдиг) равновесия.

В 1884 г. французский химик Анри Луи Ле Шателье сформулировал принцип.
Если на равновесную систему оказать внешнее воздействие, то равновесие смещается в сторону той реакции (прямой или обратной), которая противодействует этому воздействию.

Анри Луи
Ле Шателье