Загрузил scrillas

ВАЖНОЕ

реклама
Химическая кинетика или кинетика химических реакций – радел физической химии,
изучающий закономерности протекания химических реакций во времени, зависимости этих
закономерностей от внешних условий, а также механизмы химических превращений.
Иными
словами,
химическая кинетика занимается
определением
скоростей химических реакций и изучением их механизма. Изучение химической кинетики
позволяет предсказывать и контролировать скорость химических реакций, что имеет
большое значение в промышленности, медицине и других областях.
Скорость химической реакции – это число элементарных актов химической реакции,
происходящих в единицу времени в единице объема (для гомогенных реакций) или на
единице поверхности (для гетерогенных реакций). Скорость реакции зависит от природы
реагирующих веществ, температуры, концентрации, среды, в которой протекает реакция,
от присутствия катализатора и его концентрации.
Под порядком химической реакции понимают показатель степени концентрации
компонента, участвующего в реакции, в кинетическом уравнении для скорости химической
реакции. Существует частный порядок реакции по данному веществу, и существует общий
порядок реакции, представляющий собой сумму частных порядков реакции.
Так как скорость реакции в каждый момент времени при постоянной температуре
пропорциональна произведению концентраций реагирующих веществ в некоторых
степенях, то для реакции следующего вида
скорость можно выразить в виде следующего уравнения:
где k - константа скорости химической реакции;
,
- частные порядки реакции по компонентам A и B соответственно.
Сумма показателей степени
- общий порядок реакции. Порядок
реакции по компонентам может быть как целым, так и дробным, как положительными, так
и отрицательными, что объясняется сложным механизмом протекания реакции.
Если реакция является элементарной, т. е. протекает в одну стадию, механизм которой
соответствует уравнению реакции, то величины
и
совпадают со
стехиометрическими коэффициентами. Для характеристики элементарных реакций
используют понятие молекулярности.
Молекулярностью химической реакции называется число молекул, участвующих в
элементарном акте химической реакции. По числу молекул, принимающих участие в
элементарном акте, различают мономолекулярные, бимолекулярные и тримолекулярные
реакции. Четырехмолекулярные реакции встречаются очень редко. Молекулярность и
порядок реакции применяются при анализе механизма химической реакции.
Для элементарной реакции (или стадии) первого порядка скорость равна,
а также пропорциональна концентрации в первой степени:
Приравняем правые части этих уравнений:
Разделив переменные в уравнении (5), получим
Интегрирование выражения (6) дает:
Тогда для концентрации реагирующего вещества в любой момент времени получим:
Это уравнение показывает, что убыль концентрации в процессе происходит не линейно, а
по экспоненте (рис.1).
Рисунок 1. Изменение концентрации исходного вещества от времени в реакции
первого порядка
Определив экспериментально величины концентрации и времени, можно рассчитать
константу скорости данной реакции:
Константа скорости реакции первого порядка имеет размерность t-1, т.е. 1/с и не зависит от
единиц измерения концентрации. Она показывает долю, которую составляют молекулы,
вступившие в реакцию за единицу времени, от общего числа молекул реагента в системе.
Таким образом, в реакциях первого порядка за одинаковые промежутки времени
расходуются одинаковы доли взятого количества исходного вещества. концентрация
реагирующего вещества убывает со временем.
При подстановке в уравнения (9) и (10)
получаем выражение периода полураспада
:
Из соотношения (11) следует, что время полураспада не зависит от количества исходного
вещества и обратно пропорционально константе скорости реакции.
Определение скорости химических реакций первого порядка с помощью метода
наименьших квадратов может быть выполнено следующим образом:
Предположим, у нас есть экспериментальные данные о концентрациях реагента с течением
времени. Для удобства, обозначим концентрацию реагента как [A] и время как t.
Скорость химической реакции первого порядка может быть представлена как:
где v - скорость реакции, k - скоростная константа, [A] - концентрация реагента.
Теперь, чтобы определить скоростную константу k с использованием метода наименьших
квадратов, мы можем построить график логарифма концентрации реагента [A] в
зависимости от времени t:
где [A]₀ - начальная концентрация реагента.
Поскольку у нас есть различные значения [A] и соответствующие им значения t, мы можем
подставить их в эту уравнение и воспользоваться методом наименьших квадратов для
нахождения наилучшей прямой, которая минимизирует сумму квадратов расстояний между
экспериментальными данными и этой прямой.
Далее, можно рассчитать значение скоростной константы k из углового коэффициента этой
прямой.
Примерное определение скорости химической реакции первого порядка с использованием
метода наименьших квадратов представляется следующим образом:
1. Проведение эксперимента, измерение концентрации реагента в зависимости от
времени для различных начальных концентраций реагента.
2. Построение графика ln([A]) в зависимости от времени t, где [A] - концентрация
реагента и t - время.
3. Использование метода наименьших квадратов для поиска наилучшей прямой,
которая минимизирует сумму квадратов расстояний между экспериментальными
данными и этой прямой.
4. Расчёты значения скоростной константы k из углового коэффициента этой прямой.
Таким образом, определение скорости химической реакции первого порядка с помощью
метода наименьших квадратов предполагает анализ экспериментальных данных и
построение графика, а затем для определения скоростной константы k.
Пожалуйста,
не
забудьте
правильно
оформить
цитату:
Кидяева А.С., Соколова А.И., Кулиш Н.В. ИЗУЧЕНИЕ СКОРОСТИ ХИМИЧЕСКИХ
РЕАКЦИЙ ПЕРВОГО ПОРЯДКА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ МАТЕМАТИЧЕСКИХ
МЕТОДОВ // Студенческий: электрон. научн. журн. 2024. № 1(255). URL:
https://sibac.info/journal/student/255/315036 (дата обращения: 29.01.2024).
Скачать