Загрузил Вероника Безденежных

кинетика 1 лекция

реклама
Основные понятия
химической кинетики
• Химическая кинетика – это учение о химическом
процессе, его механизме и закономерностях протекания
во времени. Химическая кинетика трактует качественные и
количественные изменения в ходе химического процесса,
происходящие во времени.
Задачи химической кинетики
1) выявление механизма реакции — установление
элементарных стадий процесса и последовательности их
протекания (качественные изменения);
2) количественное описание химической реакции —
установление строгих соотношений, которые могли бы
удовлетворительно предсказывать изменения количеств
исходных реагентов и продуктов по мере протекания
реакции.
• Прямой задачей называется расчет кинетических
закономерностей, т.е. по известным константам
скоростей протекания этапов химической реакции
рассчитываются зависимости концентрации всех
реагентов от времени.
• Обратной задачей называется определение
кинетических параметров стадий химических
реакций, т.е. из измеренных экспериментально
зависимостей концентрации всех реагентов от
времени рассчитываются такие кинетические
параметры как порядок стадии, значение
константы
скорости
реакции
и
т.д.
Основные понятия формальной
кинетики
• Элементарная стадия реакции – это отдельный акт
(стадия) химического превращения одной или
нескольких частиц, при протекании которого
преодолевается
один
(и
только
один)
энергетический барьер.
• Молекулярность – число частиц, участвующих в
одном элементарном акте химической реакции.
Различают моно-, би- и тримолекулярные реакции.
Основные понятия формальной
кинетики
• Простая реакция – это реакция, состоящая из
однотипных элементарных стадий. Различие
между простой и элементарной реакцией
состоит в том, что простая реакция иногда
может состоять из нескольких элементарных.
• Сложная реакция – это реакция, которая
складывается из нескольких разнотипных
элементарных стадий. В ходе сложной реакции
часто образуются промежуточные вещества,
которые
подвергаются
дальнейшему
превращению.
Основные понятия формальной
кинетики
• Механизм химической реакции — это детальное описание
отдельных элементарных стадий реакции, а также
совокупность всех элементарных стадий, из которых
складывается процесс превращения исходных веществ в
конечные продукты.
• Кинетическая
схема
реакции
—
совокупность
предполагаемых элементарных стадий, из которых
складывается суммарный химический процесс.
• Период полураспада — это время, в течение которого
прореагирует половина начального количества вещества.
Основные понятия формальной
кинетики
• Закон действующих масс — скорость реакции
пропорциональна
произведению
концентраций
реагентов
в
степенях
их
стехиометрических
коэффициентов в уравнении реакции.
• Скорость элементарной реакции
—
число
однотипных
элементарных
актов
химического
превращения, совершающихся в единицу времени в
единице объема или на единице поверхности
реакционного пространства R.
• Скорость образования i-го компонента или скорость
реакции по данному i-му веществу —
изменение
количества этого вещества ni (в молях) в единицу
времени и в единице реакционного пространства R
Основные понятия формальной
кинетики
• Константа скорости реакции (удельная
скорость реакции) — коэффициент
пропорциональности в кинетическом уравнении.
Константа скорости реакции зависит от
температуры, от природы реагирующих веществ,
но не зависит от их концентрации.
• Порядок химической реакции – это сумма
показателей степеней у концентрации в уравнении
скорости элементарной химической реакции. При
этом значения n1, n2, n3 могут быть не равны
стехиометрическим коэффициентам в уравнении
реакции. Они могут принимать значения 0, 1, 2 и т.
д., быть дробными и, даже, отрицательными.
Реакции нулевого порядка
Реакции нулевого порядка – такие реакции,
скорость
которых
не
зависит
от
концентрации реагента.
В общем виде реакция нулевого порядка
имеет вид: А → продукты.
Уравнение скорости реакции имеет вид:
r= −dC/dt = kC0= k.
Реакции нулевого порядка
• Проинтегрируем выражение, разделив
переменные:
• Получим: С0−С= kt или С=С0− kt
• Как видно из результата интегрирования
концентрация реагирующего вещества
линейно убывает со временем:
Реакции нулевого порядка
• Размерность константы скорости для
реакции нулевого порядка:
[концентрация* время].
• Время полупревращения для реакции
нулевого порядка определяется
соотношением: t1/2 = C0/2k
Реакции первого порядка
• Для
реакции
первого
порядка
степень
превращения
не
зависит
от
начального
количества вещества.
• Константа скорости имеет размерность, обратную
времени реакции [время]-1.
• Время полупревращения для реакции первого
порядка определяется соотношением: t1/2 = ln 2/k
• В общем виде реакция нулевого порядка имеет вид:
А → В. Уравнение скорости реакции имеет вид:
r = - d[A]/dt = d[В]/dt = k [A].
Реакции первого порядка
Проинтегрируем переменные и разделим
переменные:
Реакции второго порядка
• Выражение для скорости реакции для
элементарной реакции второго порядка,
когда в элементарном акте реагируют две
одинаковые частицы, имеет вид: 2А →
продукты или А1 + А2 → продукты.
Уравнение скорости реакции имеет вид:
r = k’C2
Реакции второго порядка
• Проинтегрируем уравнение и разделим
переменные:
Реакции второго порядка
Выражение для скорости реакции для
элементарной реакции второго порядка,
когда в элементарном акте реагируют две
различные частицы, причем начальные
концентрации не одинаковы, имеет вид:
А1 + А2 → продукты
Уравнение скорости реакции имеет вид:
r = kС1C2
Реакции второго порядка
Скорость элементарной реакции выражается
через скорости образования веществ A1 и A2:
Получаем кинетическое уравнение:
Реакции второго порядка
Очевидно х=С01-С1=С02-С2, откуда С1=С01-х и
С2=С02-х, и кинетическое уравнение примет
вид:
Проинтегрируем уравнение и разделим переменные:
Реакции второго порядка
• Получаем решение кинетического уравнения:
Реакции второго порядка
• Размерность константы скорости реакции второго
порядка равна: [1/время* концентрация]
• Значение константы скорости для реакций второго
порядка зависит от времени и концентрации.
Поэтому для реакций второго порядка (и выше)
нельзя при расчетах заменять концентрацию на
пропорциональные ей величины.
• Период полураспада для реакции второго порядка
обратно пропорционален начальной концентрации
реагента.
Реакции третьего порядка
• К таким реакциям относятся реакции, в элементарном
акте которых принимают участие три молекулы:
А+В+С → продукты. Размерность константы скорости
реакции третьего порядка: [1/время* концентрация2]
• Для данной реакции, согласно закона действия масс,
можно записать:
• Если концентрации реагирующих веществ одинаковы,
то разделяя переменные и интегрируя, получим
Кинетические уравнения
односторонних реакций
Задача 1
Чему равен общий порядок простых
реакций:
• а) 2NO + Cl2 →2NOCl;
• б) Cl + H2 → HСl + H?
Задача 1 (решение)
а) на основе метода формальной кинетики
скорость данной реакции равна: r = kc2NO cCl2
Общий порядок данной реакции равен 3;
порядок по компоненту NO — второй, по
компоненту Cl2 — первый.
б) на основе метода формальной кинетики
скорость данной реакции равна: r = kc2Н2 cCl2
Общий порядок данной реакции равен 3;
порядок по компоненту NO — второй, по
компоненту Cl2 — первый.
Задача 2
Скорость образования NO в реакции
2NOBr (г) → 2NO(г) + Br2(г) равна
1,6*10-4моль*л-1*с-1.
Чему равна скорость реакции и
скорость расходования NOBr?
Задача 2 (решение)
По определению, скорость реакции равна:
моль/(л.с).
Из этого же определения следует, что
скорость расходования NOBr равна
скорости образования NO с обратным
знаком:
моль/(л. с).
Задача 3
Реакция термического распада метана в присутствии
водорода
CH4(г)→C(тв)+2Н2(г)
описывается
экспериментальным кинетическим уравнением
-d(CCH4 )/dt = k*(CCH4 )2/(CH2 )3
Определите порядок реакции по метану и по
водороду, а также общий порядок реакции.
Является ли эта реакция простой?
Задача 3 (решение)
Частный порядок реакции равен степени у
концентрации реагента в кинетическом
уравнение. Поэтому порядок по метану
равен 2, по водороду – минус 3. Общий
порядок реакции равен -1.
Задача 4
Гидролиз сахарозы идет по уравнению:
C12H22O11 + H2O →глюкоза + фруктоза
Реакция протекает как реакция первого порядка
(n=1). Начальная концентрация сахарозы 0,3М,
через 20 мин степень превращения сахарозы
составит 32%.
Найдите k, r0, r(30мин) и ответьте на вопрос: эта
задача относится к прямой или обратной задаче
кинетики?
Задача 5
• Константа скорости реакции первого порядка
2N2O5(г) → 4NO2(г)+О2(г) при 250С равна
3,38*10-5с-1.
• Чему равен период полураспада N2O5?
• Чему будет равно давление в системе через
10с, если начальное давление было равно
500 Торр?
Тест
1) Как связаны скорость по аммиаку, скорость по
кислороду и общая скорость реакции горения
аммиака 4NH3 + 3O2 = 2NO + 6H2O
2) Какая из перечисленных величин может
принимать только целые значения: а) порядок
реакции, б) скорость реакции, в) молекулярность
реакции?
3) Какие из перечисленных величин могут
принимать а) отрицательные; б)дробные
значения: скорость реакции, порядок реакции,
молекулярность реакции, константа скорости,
стехиометрический коэффициент?
Тест
4) Экспериментально определено, что скорость
химической реакции CO + Cl2 = COCl2 в любой
момент времени протекания реакции равна:
r =k*(CCO )0 *(CCl2 )3/2.
Укажите общий порядок данной реакции.
Можно ли считать, что данная реакция
является элементарной? Зависит ли скорость
протекания этой реакции от концентрации СО?
5) Нарисуйте кинетическую кривую для Br2 ,
образующегося по реакции: 2CH3Br → C2H6 +
Br2
Скачать