Тема_6б_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.
ХИМИЧЕСКАЯ КИНЕТИКА

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 концентрации.
ХИМИЧЕСКАЯ КИНЕТИКА

Скорость химической реакции зависит от множества факторов:
природы реагирующих веществ,
концентрации,
температуры,
природы растворителя и т.д.
ХИМИЧЕСКАЯ КИНЕТИКА

Закон действующих масс:
Скорость химической реакции прямо пропорциональна произведению концентраций реагирующих веществ, взятых в некоторых степенях.
Для реакции аА + bВ → dD + еЕ
можно записать:
ХИМИЧЕСКАЯ КИНЕТИКА

ХИМИЧЕСКАЯ КИНЕТИКА
Коэффициент пропорциональности k есть константа скорости химической реакции.
Физический смысл:
Константа скорости численно равна скорости реакции при концентрациях всех реагирующих веществ, равных 1 моль/л.

ХИМИЧЕСКАЯ КИНЕТИКА
Зависимость скорости реакции от концентраций реагирующих веществ определяется экспериментально и называется кинетическим уравнением химической реакции.
Чтобы записать кинетическое уравнение, необходимо экспериментально определить величину константы скорости и показателей степени при концентрациях реагирующих веществ.

ХИМИЧЕСКАЯ КИНЕТИКА
Показатель степени при концентрации каждого из реагирующих веществ в кинетическом уравнении химической реакции есть частный порядок реакции
Сумма показателей степени в кинетическом уравнении химической реакции (a + b) представляет собой общий порядок реакции.

Реакции нулевого порядка
Скорость реакции нулевого порядка
постоянна во времени и не зависит
от концентраций реагирующих веществ
ХИМИЧЕСКАЯ КИНЕТИКА

Реакции первого порядка
период полупревращения t1/2 – время,
за которое концентрация исходного вещества
уменьшается вдвое по сравнению с исходной.
ХИМИЧЕСКАЯ КИНЕТИКА

ХИМИЧЕСКАЯ КИНЕТИКА
Реакции второго порядка

Молекулярность
число частиц, которые, согласно экспериментально установленному механизму реакции, участвуют в элементарном акте химического взаимодействия.
Различают:
Мономолекулярные – реакции, в которых происходит химическое превращение одной молекулы (изомеризация, диссоциация и т. д.): I2 ––> I• + I•
Бимолекулярные – реакции, элементарный акт которых осуществляется при столкновении двух частиц (одинаковых или различных): СН3Вr + КОН ––> СН3ОН + КВr
Тримолекулярные – реакции, элементарный акт которых осуществляется при столкновении трех частиц:
О2 + NО + NО ––> 2NО2
Реакции с молекулярностью более трех неизвестны.
ХИМИЧЕСКАЯ КИНЕТИКА

Влияние температуры на скорость реакции
Правило Вант-Гоффа
При повышении температуры на каждые 10 градусов константа скорости элементарной химической реакции увеличивается в 2 – 4 раза.
γ - температурный коэффициент скорости реакции.
ХИМИЧЕСКАЯ КИНЕТИКА

Теория активных столкновений (С. Аррениус)
Условия для прохождения реакции:
Молекулы должны столкнуться.
Молекулы должны обладать необходимой энергией (энергией активации).
Молекулы должны быть правильно ориентированы относительно друг друга.
ХИМИЧЕСКАЯ КИНЕТИКА

Уравнение Аррениуса
столкновения молекул будут эффективны (т.е. будут приводить к реакции) только в том случае, если сталкивающиеся молекулы обладают некоторым запасом энергии – энергией активации.
Энергия активации есть минимальная энергия, которой должны обладать молекулы, чтобы их столкновение могло привести к химическому взаимодействию.
ХИМИЧЕСКАЯ КИНЕТИКА

ХИМИЧЕСКАЯ КИНЕТИКА
Энергетическая диаграмма химической реакции

ХИМИЧЕСКАЯ КИНЕТИКА
Катализ – явление изменения скорости химической реакции в присутствии веществ, количество которых после реакции остаются неизменными.
Различают:
- положительный катализ - ускорение
- отрицательный катализ (ингибирование) - замедление

ХИМИЧЕСКАЯ КИНЕТИКА
Свойства катализаторов:
Специфичность - способность ускорять только одну реакцию или группу однотипных реакций и не влиять на скорость других реакций
(платина, медь, никель, железо - реакции гидрирования;
оксид алюминия - реакции гидратации)
Селективность - способность ускорять одну из возможных при данных условиях параллельных реакций
[Cu]: СО + Н2 → СН3ОН
[Ni]: СО + Н2 → СН4 + Н2О

ХИМИЧЕСКАЯ КИНЕТИКА
Причиной увеличения скорости реакции при положительном катализе является уменьшение энергии активации при протекании реакции через активированный комплекс с участием катализатора.

ХИМИЧЕСКАЯ КИНЕТИКА
Энергетическая диаграмма химической реакции без катализатора (1) и в присутствии катализатора (2).

ХИМИЧЕСКАЯ КИНЕТИКА
В зависимости от фазового состояния реагентов и катализатора различают:
Гомогенный катализ
каталитические реакции, в которых реагенты и катализатор находятся в одной фазе.
Гетерогенный катализ
каталитические реакции, идущие на поверхности раздела фаз, образуемых катализатором и реагирующими веществами. Каждая гетерогенно-каталитическая реакция многостадийна.

ХИМИЧЕСКАЯ КИНЕТИКА
Автокатализ
процесс каталитического ускорения химической реакции одним из её продуктов.
Особенность:
реакция протекает с постоянным возрастанием концентрации катализатора.
В начальный период реакции скорость её возрастает, а на последующих стадиях в результате убыли концентрации реагентов скорость начинает уменьшаться.

ХИМИЧЕСКАЯ КИНЕТИКА
Ферментативный катализ
каталитические реакции, протекающие с участием ферментов – биологических катализаторов белковой природы.
Особенности:
Высокая активность, на несколько порядков превышающая активность неорганических катализаторов, что объясняется очень значительным снижением энергии активации процесса ферментами
Высокая специфичность, катализирует только один процесс
Высокая чувствительность активности ферментов к внешним условиям – рН среды и температуре. Ферменты активны лишь в достаточно узком интервале рН и температуры

ХИМИЧЕСКОЕ РАВНОВЕСИЕ
Обратимыми называют реакции, продукты которых могут между собой взаимодействовать с образованием исходных веществ.
Состояние химического равновесия свойственно лишь для обратимых реакций.

ХИМИЧЕСКОЕ РАВНОВЕСИЕ
принцип Ле-Шателье - Брауна, или принцип подвижного равновесия
если на систему, находящуюся в равновесии, производится воздействие (изменяется концентрация, температура или давление), то в системе происходит сдвиг в направлении той из двух противоположно направленных реакций, которая ослабляет это воздействие

ХИМИЧЕСКОЕ РАВНОВЕСИЕ
Направление смещения равновесия в результате изменения температуры определяется знаком теплового эффекта реакции.
Повышение температуры смещает равновесие в сторону эндотермической реакции, а понижение - в сторону экзотермической реакции.

ХИМИЧЕСКОЕ РАВНОВЕСИЕ
Повышение давления смещает равновесие в сторону реакции, идущей с образованием меньшего количества молей газообразных веществ. Понижение давления смещает равновесие в сторону реакции, идущей с образованием большего числа молей газообразных веществ.

ХИМИЧЕСКОЕ РАВНОВЕСИЕ
Увеличение концентрации одного из исходных веществ или уменьшение концентрации одного из продуктов реакции смещает равновесие в сторону прямой реакции. Уменьшение концентрации одного из исходных веществ или увеличение концентрации одного из продуктов реакции смещает равновесие в сторону обратной реакции.

ХИМИЧЕСКОЕ РАВНОВЕСИЕ
Катализаторы одинаково ускоряют, как прямую, так и обратную реакции и поэтому на смещение равновесия они не оказывают влияния.
Однако они способствуют более быстрому достижению состояния равновесия, что также имеет немаловажное значение.