Кинетика гомогенных химических реакций
Гомогенными называются такие химические реакции, в которых реагирующие вещества находятся в одном агрегатном состоянии.
Скорость гомогенной химической реакции представляет собой изменение количества реагентов в результате их взаимодействия в единицу времени в единице объема. Выражается она следующим образом:
W=±1V⋅dNdt=±1V⋅d(CV)dt=±(VdCVdt+CV⋅dVdt)
Здесь:
- W - скорость химической реакции,
- N - количество молей вещества,
- V - объем реакционной фазы, м3,
- C - концентрация, моль/м3
- t - время, с.
Если же V = const, то W=±dCdt
Основным законом в химической кинетике является закон действующих масс, который гласит, что скорость реакции при заданной температуре пропорциональна концентрациям реагентов в степенях, которые показывают число взаимодействующих частиц.
W=k⋅Cn11⋅Cn22...Cnii (справедливо для элементарных реакций)
Зависимость константы скорости (k) от температуры выражается следующим образом: k=k0⋅e−E/RT.
Где k0 - предэкспоненциальный множитель.
Здесь:
- Е - энергия активации,
- Т – температура,
- R -газовая постоянная.
Рассмотрим гомогенную реакцию: aA+bB→kcC+dD
Скорость данной реакции записывается следующим образом: W=k⋅CaA⋅CbB
W=WA−a=WB−b=WCc=WDd
Отсюда следует: WA=−a⋅W=−a⋅k⋅CaA⋅CbB
WB=−b⋅W=−a⋅k⋅CaA⋅CbB
WC=c⋅W=c⋅k⋅CaA⋅CbB
WD=d⋅W=d⋅k⋅CaA⋅CbB
Моделирование кинетики гомогенных химических реакций
Исследовать кинетическую закономерность протекания реакция можно с помощью математического моделирования. Данный метод заключается в том, что определяются изменения концентраций реагентов во времени.
Представим гомогенную химическую реакцию следующим образом: A→k12C→k2D
Запишем уравнение скорости данной реакции: W1=k1⋅CA
W2=k2⋅C2c
Теперь составим математическую модель:
dCAdt=−k1⋅CA
dCDdt=k2⋅CB⋅C2c
dCcdt=2k1CA−2k2C2c
Для определения влияния температуры на ход реакции нужно константу скорости реакции выразить через уравнение Аррениуса: k=k0⋅e−E/RT
Рисунок 1. Изменение концентрации реагентов. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
Рисунок 2. Зависимость превращения исходного соединения от температуры. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
Результаты, приведенные выше на графиках, позволяют сделать вывод об оптимальном времени проведения реакции с целью получения продукта.