Химическая кинетика - Курс лекций

Министерство образования Российской Федерации Новосибирский Государственный Университет Химическая кинетика Министерство образования Российской Федерации Данные лекции предназначены для слушателей курса «Химическая кинетика» факультета естественных наук, могут быть использованы при самостоятельном изучении этого предмета.Настоящий курс лекций основан автором на опыте преподавания химической кинетики сначала в Московском физико-техническом институте (МФТИ), где он вел семинарские и лабораторные занятия, а затем в Новосибирском государственном университете (НГУ), где он читает лекции. Курс построен в соответствии с классическим подходом школы лауреата Нобелевской премии акад. При подготовке курса автор ставил перед собой задачу продемонстрировать студентам, как один из красивейших разделов современной физической химии - химическая кинетика - строится из простейших принципов и выводов предшествующих курсов физико-химических дисциплин: курсов молекулярной и статистической физики, строения вещества и химической термодинамики. При подготовке данного курса автор использовал монографии В.И. Это продиктовано желанием сделать курс достаточно строгим и в то же время максимально понятным для студентов-химиков.В отличие от термодинамики, химическая кинетика изучает протекание химических реакций во времени. Химическая кинетика решает следующие задачи, перечисленные в порядке сложности их решения: 1. На основе этого дается количественное описание хода химической реакции во времени в виде математических формул, называемых кинетическими уравнениями. Знание этих уравнений позволяет оптимизировать химический процесс, т. е.: а) вести его в условиях, обеспечивающих максимальный выход целевых продуктов, минимальный выход побочных продуктов и минимальный расход реагентов. Это снижает расход сырья, улучшает качество продукта за счет уменьшения содержания примесей, повышает экологическую безопасность процесса;Звено цепи повторяется много раз, пока не погибнут в побочных реакциях промежуточные частицы - атомы , и свободный радикал H, или пока не израсходуется хотя бы одно из исходных веществ. Простыми называются реакции, состоящие только из одной стадии. Сложными называются реакции, состоящие из двух и более стадий. Если зависимость скорости реакции от концентраций реагирующих веществ представить в виде Константа скорости численно равна скорости реакции при концентрации всех реагирующих веществ, равной единице; k не зависит от концентрации реагирующих веществ, но зависит от температуры.Формальная кинетика - это раздел кинетики, рассматривающий временной ход превращений вне связи с конкретной природой объектов, участвующих в превращении.Тогда его формулировали так: скорость химической реакции пропорциональна концентрации взаимодействующих частиц. Сегодня ясно, что в такой формулировке закон действующих масс справедлив только для простых реакций, т. е. он формулируется так: скорость простой химической реакции пропорциональна концентрации взаимодействующих частиц. Примем, что вероятность того, что с данной частицей нечто происходит в данный момент времени, не зависит ни от того, что происходит в те же моменты времени с другими частицами, ни от того, что происходит с данной и другими частицами в другие моменты времени. Это равенство справедливо, если CB ЧЧ V << 1, т. е. когда можно пренебречь попаданием в объем V одновременно двух и более частиц B по сравнению с вероятностью попадания только одной частицы. В этом случае можно считать, что PA B совпадает с вероятностью найти хотя бы одну частицу B в объеме V рядом с частицейA ®® B, идет и обратная реакция В ®® А: Из принципа независимости элементарных событий прямую и обратную реакции можно рассматривать как два независимые параллельно протекающие превращения. Таким образом, константа равновесия KP представляет собой отношение констант скорости прямой и обратной реакции. Пусть как для прямой, так и для обратной реакции выполняется закон действующих масс, т. е. Видим, что характеристическое время установления равновесия t определяется суммой констант скоростей прямой и обратной реакции. Если открытая система поддерживается в термодинамически неравновесных условиях, в ней могут устанавливаться так называемые стационарные состояния, когда концентрации не изменяются во времени, поскольку скорость подвода частиц в систему или их отвода из системы равна скорости их расхода или образования в реакции.Рассмотрим общий вид кинетического уравнения материального баланса для системы, в которой имеются градиенты концентраций. A можно записать следующим образом: , (2.18) где член описывает диффузионный поток, Wo - не зависящую от CA скорость подвода (или отвода) частиц В качестве примера рассмотрим два частных случая применения уравнения (2.18). а) Закрытые системы при равномерном распределении частиц A с B возможна реакция со скоростью W, то возникает результирующий поток частиц B в сторону Скорость суммарного процесса диффузия реакция лимитируется собственно реакцией.