Химическая кинетика гетерогенных процессов Лекция 1 Шагалов Владимир Владимирович Аннотация Курс для подготовки специалистов по направлению 240501 «Химическая технология материалов современной энергетики». Цель изучаемой дисциплины: фундаментальное изучение основных моделей гетерогенного химического реагирования, знание основных закономерностей, определяющих скорость протекания химических процессов, выявление основных факторов, влияющих на скорость химических превращений и применение полученной информации для оптимизации технологических процессов. 2 Шагалов Владимир Владимирович Формальная кинетика Общие понятия Химическая кинетика наука, изучающая закономерности протекания химических процессов во времени. На основании основного раздел постулата химической химической кинетики, в кинетики, котором рассматривается метод нахождения зависимости скорости химической реакции от концентрации реагирующих веществ, формальной кинетики. получил название 3 Шагалов Владимир Владимирович Формальная кинетика Химическая реакция превращение одного или нескольких исходных веществ в отличающиеся от них по химическому составу или строению вещества. При химических превращениях происходит перераспределение электронов и ядер и образуются новые химические вещества. 4 Шагалов Владимир Владимирович Формальная кинетика Классификация химических реакций - Число исходных компонентов - Состав исходных компонентов - Агрегатное состояние реагентов и продуктов - Число фаз - Природа переносимых частиц - Возможность протекания реакций - Знак теплового эффекта - Др. 5 Шагалов Владимир Владимирович Формальная кинетика Агрегатное состояние реагентов и продуктов: Гомогенные гомофазные реакции Гетерогенные гомофазные реакции Гомогенные гетерофазные реакции Гетерогенные гетерофазные реакции 6 Шагалов Владимир Владимирович Формальная кинетика Агрегатное состояние реагентов и продуктов: Гомогенные гомофазные реакции - исходные реагенты и продукты реакции находятся в одной фазе. 7 Шагалов Владимир Владимирович Формальная кинетика Агрегатное состояние реагентов и продуктов: Гетерогенные гомофазные реакции - реагенты и продукты находятся в пределах одной фазы, однако реакция протекает на границе раздела фаз. 8 Шагалов Владимир Владимирович Формальная кинетика Агрегатное состояние реагентов и продуктов: Гомогенные гетерофазные реакции - реагенты и продукты находятся в пределах нескольких фаз, однако реакция протекает в одной фазе 9 Шагалов Владимир Владимирович Формальная кинетика Агрегатное состояние реагентов и продуктов: Гетерогенные гетерофазные реакции - в этом случае реагенты находятся в разном фазовом состоянии, продукты реакции также могут находиться в любом фазовом состоянии 10 Шагалов Владимир Владимирович Формальная кинетика Фаза термодинамически однородная по свойствам часть термодинамической системы, отделенная от других фаз поверхностями раздела, на которых скачком изменяются некоторые свойства системы. В однокомпонентной системе разные фазы могут быть представлены различными агрегатными состояниями или разными полиморфными модификациями вещества 11 Шагалов Владимир Владимирович Формальная кинетика Скорость химической реакции* какое количество молекул данного вида реагирует в единицу времени aA + бБ + … → вВ + гГ + … 12 Шагалов Владимир Владимирович Формальная кинетика Скорость химической реакции число молекул или молей данного вещества, реагирующих в единицу времени в единице объема aA + бБ + … → вВ + гГ + … 13 Шагалов Владимир Владимирович Формальная кинетика Классификация химических гетерогенных реакций по скорости: - Реакции с постоянной скоростью - Реакции, скорость которых уменьшается со временем - Реакции со скоростью, увеличивающейся с течением времени 14 Шагалов Владимир Владимирович Формальная кинетика реагируют только те молекулы, которые сталкиваются. aA + бБ + … → вВ + гГ + … Вероятность найти в некотором малом объеме в данный момент а молекул вещества A , б молекул вещества Б и т.д. пропорциональна 𝐶Аа 𝐶Бб следовательно, число столкновений в единице объема за единицу времени пропорционально этой величине ω = 𝑘1 𝐶Аа 𝐶Бб 15 Шагалов Владимир Владимирович Формальная кинетика ω = 𝑘1 𝐶Аа 𝐶Бб Основной постулат химической кинетики 16 Шагалов Владимир Владимирович Формальная кинетика Физический смысл константы скорости w = k1 Константа скорости химической реакции есть скорость этой реакции при условии, что концентрации реагирующих веществ постоянны и равны единице. Константу скорости иногда называют удельной скоростью химической реакции 17 Шагалов Владимир Владимирович Формальная кинетика Количественно скорость химической реакции w выражается числом единиц массы одного из продуктов или реагентов, которые образуются или прореагируют в единицу времени в единице объема системы V 1 𝑑𝑛 ω=− 𝑉 𝑑τ Если V - const 𝑑 𝑛 𝑉 𝑑𝐶 ω= =− 𝑑τ 𝑑τ 18 Шагалов Владимир Владимирович Формальная кинетика Скорость гетерогенных химических реакций относят не к единице объема, а к единице поверхности реагирования в единице объема или к пропорциональным ей величинам, таким как: объем аппарата, объем газа при постоянном объеме аппарата 𝑑𝐶 ω = − = 𝑘 ∙ 𝑓(𝐶1 , 𝐶2 … 𝑃1 𝑃2 ) – гомогенные 𝑑τ реакции; 𝑑𝐶 ω = − = 𝑘 ∙ 𝐹 ∙ 𝑓(𝐶1 , 𝐶2 … 𝑃1 𝑃2 ) 𝑑τ гетерогенные реакции – 19 Шагалов Владимир Владимирович Формальная кинетика Обратимые и необратимые реакции Обратимыми в химической кинетике называют такие реакции, которые одновременно и независимо протекают в двух направлениях прямом и обратном, но с различными скоростями. Для обратимых реакций характерно, что через некоторое время после их начала скорости прямой и обратной реакций становятся равными и наступает состояние химического равновесия. 20 Шагалов Владимир Владимирович Формальная кинетика Обратимые и необратимые реакции Обратимая реакция в термодинамическом смысле - скорость прямого процесса бесконечно мало отличаться от скорости обратного процесса 21 Шагалов Владимир Владимирович Формальная кинетика Константа равновесия – ω= а б 𝑘𝐶А 𝐶Б ω = 𝑘𝐶Вв 𝐶Гг Если 𝜔 =𝜔 22 Шагалов Владимир Владимирович Формальная кинетика Если 𝜔 =𝜔 𝐶Вв 𝐶Гг ⋯ 𝐶Аа 𝐶Бб ⋯ = 𝑘 𝑘 =𝐾 ЗДМ Константа равновесия позволяет найти равновесный состав реакционной смеси при данных условиях 23 Шагалов Владимир Владимирович