Основи формальної кінетики. Швидкість хімічної реакції (стр. 1 из 2)
Зміст
Вступ
1. Загальні положення
2. Основи формальної кінетики. Швидкість хімічної реакції
2.1 Метод підбора кінетичного рівняння
2.2 Графічний метод
2.3 Метод Оствальда- Нойеса
Література
Вступ
Тема реферату «Основи формальної кінетики. Швидкість хімічної реакції» з дисципліни «Кінетика і каталіз у ТНР».
Хімічна кінетика, що є розділом фізичної хімії, містить у собі, як окремий випадок, каталіз. Усі проблеми каталізу (включаючи і питання вибору каталізаторів) зводяться до основних проблем хімічної кінетики, тобто до встановлення елементарних хімічних процесів, з яких складається весь процес у цілому, і встановлення закону, по якому протікає процес у часі. Через велику практичну важливість каталітичних процесів, стало прийнятим виділяти цей розділ з хімічної кінетики.
Знання механізму процесу дозволяє описати швидкість хімічної реакції відповідним математичним рівнянням, на основі якого можна зробити кореляцію дослідних даних і їхню екстраполяцію за межі експериментально вивченого інтервалу робочих умов.
З погляду технології на основі даних хімічної кінетики необхідно вирішувати наступні задачі:
1. Установлювати механізм хімічних реакцій.
2. Накопичувати надійні експериментальні дані про швидкості реакцій.
3. Обробляти отримані дані і знаходити зв'язки у формі математичних рівнянь.
4. Проектувати хімічні реактори.
5. Точно визначати режими роботи, методи контролю і необхідне допоміжне устаткування.
Інженер, що працює в цій галузі, займається створенням раціональних схем технологічних процесів, проектуванням нового обладнання для проведення реакцій у промисловому масштабі і модернізацією вже існуючих схем і устаткування.
1. Загальні положення
Розділ фізичної хімії, присвячений закономірностям протікання хімічних процесів у часі, називається хімічною кінетикою.
Метод знаходження рівнянь, що визначають швидкість хімічних реакцій, у які в якості перемінних входять тільки концентрації реагуючих речовин, заснований на використанні основного постулату хімічної кінетики, одержав назву формальної кінетики.
Хімічні реакції протікають з різними швидкостями. Наприклад, реакція нейтралізації протікає практично миттєво, у той час як взаємодія водню з киснем при кімнатній температурі й у відсутності каталізатора протікає надзвичайно повільно. Науку про швидкості хімічних реакцій називають хімічною кінетикою.
Якщо реагенти (або реагенти і каталізатор) знаходяться в різних фазах, то реакція називається гетерогенною; якщо ж реакція протікає в одній фазі, то називається гомогенною. Гомогенні реакції протікають в обсязі, гетерогенні - на поверхні розділу фаз.
На швидкість хіміко-технологічного процесу в основному впливають:
- агрегатний (фазовий) стан і фізико-хімічні властивості вихідних реагентів, проміжних і кінцевих речовин;
- фізико-хімічні властивості середовища, у якому проводяться хімічні і фазові перетворення;
- кінетичні особливості процесу, якось: характер зміни концентрації, розходження заданого і стехіометричного співвідношення реагентів, порядок і молекулярність реакцій, енергія активації, розмір і властивості поверхні розділу фаз реагуючих речовин та продуктів;
- число стадій і необхідність істотної зміни на кожній послідовній стадії таких найважливіших характеристик процесу, як температура, тиск, концентрація, співвідношення реагентів;
- наявність або спеціальне введення хімічних регуляторів перетворень - як ініціаторів, так і інгібіторів;
- використання факторів інтенсифікації протікання процесу (каталізаторів, імпульсів і ін.);
- гідродинамічна характеристика умов контакту реагентів;
- особливості массо- і теплообміну з зовнішнім середовищем;
- комплекс операцій і методів обробки реакційних мас у сполучених з реактором апаратах.
Аналіз переліку факторів показує, що чисто хімічні з них роблять тільки частину загального впливу. Іноді вони визначають у цілому швидкість процесу, наприклад при каталітичному його здійсненні. Для гетерогенних некаталітичних процесів переробки полідисперсних, полімінеральних систем оцінка і виділення в окрему групу хімічних факторів представляє часом важку задачу. Сполучення технологічних стадій (кристалізація - фільтрування, окислювання газу - абсорбція продукту - очищення вихлопного газу й ін.) приводить до того, що швидкість процесу визначається швидкістю стадії, яка лімітує.
2.Основи формальної кінетики. Швидкість хімічної реакції
При перебігу реакції
(1)зліва праворуч концентрація речовин А1 і А2 зменшується, а концентрація речовин А3 і А4 збільшується.
Швидкість реакції (1) визначається зміною концентрації реагентів за одиницю часу. Для реакцій, що протікають при постійному об'ємі в закритих системах, швидкість реакції виражають рівнянням
(2)де vi і Сi - відповідно стехіометричний коефіцієнт і концентрація i-го реагенту в момент часу τ.
Швидкість реакції завжди позитивна. Тому в рівнянні швидкості реакції (2) ставлять знак плюс, якщо швидкість реакції визначають по зміні концентрації кінцевої речовини за одиницю часу, і знак мінус, якщо швидкість визначається по зміні концентрації початкової речовини.
Відповідно до закону діючих мас швидкість реакції V пропорційна добуткові концентрацій реагуючих речовин у ступенях, рівних їхнім стехіометричним коефіцієнтам у рівнянні швидкості реакції. Для елементарної реакції (1), що протікає зліва праворуч (пряма реакція), швидкість реакції V виражається рівнянням
(3)де k1 - стала пропорційності - константа швидкості прямої реакції;
С1 і C2 - концентрації речовин A1 і А2.
Таким чином, рівняння швидкості масопередачі для гомогенного процесу може бути представлене у вигляді
(4)Рівняння швидкості масопередачі гетерогенних процесів
(5)де
- коефіцієнт масопередачі;F - поверхня розділу фаз;
∆C - рушійна сила процесу.
Коефіцієнт масопередачі - це кількість речовини в кілограмах, передана з однієї фази в іншу через поверхню розділу фаз, рівну 1 м2, при рушійній силі процесу, яка дорівнює 1 кг/м3, протягом 1 год. При цьому розмірність коефіцієнта масопередачі буде м/год. Коефіцієнт масопередачі в гетерогенному процесі складна величина, що залежить не тільки від хімічних властивостей реагуючих речовин, але і від їхніх фізичних властивостей, швидкостей потоків, ступеня перемішування, а в ряді випадків від конструктивного оформлення реактора.
Часто швидкість процесу V виражають зміною кількості dNи вихідної речовини або його концентрації dCи, кількості або концентрації продукту dNпі dCп, а також ступеня перетворення β за час dτ:
Є розходження в характері зміни швидкостей процесів у залежності від режиму роботи реактора. У реакторах з періодичним завантаженням нової порції реагентів і відводом продуктів реакції концентрації реагентів і швидкість процесу зменшуються в міру його здійснення. По довжині безперервнодіючого проточного реактора ідеального витиснення спостерігається аналогічна залежність. Що стосується реакторів повного змішування, то концентрації в них реагуючих речовин і продуктів підтримуються майже постійними від зони завантаження до зони вивантаження маси з апарата.
Реальний процес хімічних взаємодій є підсумком протікання рівнобіжних і послідовних простих реакцій, кожна з яких йде зі швидкістю, обумовленою особливостями умов процесу в системі.
По числу молекул, що беруть участь в елементарному акті хімічного перетворення, розрізняють реакції мономолекулярні, бімолекулярні і тримолекулярні. Оскільки імовірність одночасного зіткнення трьох часток мала, тримолекулярні реакції зустрічаються рідко.
Однобічна хімічно необоротна елементарна реакція першого порядку може бути представлена рівнянням
А → Продукти реакції
Швидкість реакції першого порядку дорівнює:
(6)де
- коефіцієнт швидкості процесу, (константа швидкості реакції);С - поточна концентрація речовини А.
Інтегруючи рівняння (6), одержимо
(7)де С0 і С - початкова і поточна концентрації речовини А.
Рівняння (7) можна представити у вигляді
(8)де Сх- зміна концентрації речовини А за час τ;
- ступінь перетворення.Якщо 
, то
(9)