Химическая кинетика

1. Химическая кинетика


Химическая кинетика – раздел физической химии, в котором изучаются закономерности протекания во времени химических реакций и их механизмы. Функциональная связь, выражающая эти закономерности, называется кинетическим уравнением. Кинетические уравнения могут представлять эту связь в неявном виде (дифференциальная форма) и в явном виде (интегральная форма).
Механизмом реакций можно считать совокупность одностадийных необратимых процессов превращения исходных веществ в конечные продукты. Такие одностадийные процессы часто называют элементарными. В элементарных процессах могут принимать участие как стабильные исходные и промежуточные вещества, так и нестабильные частицы (ионы, радикалы, комплексы), образующиеся в ходе реакции.
Надо отметить, что причисление той или иной реакции (процесса) к элементарным достаточно условно и часто зависит от экспериментальных возможностей исследователя.
Хорошо известна запись участников одностадийной реакции. Слева записываются реагенты со своими стехиометрическими коэффициентами, а справа – продукты со своими стехиометрическими коэффициентами. Таким образом указывается количественная связь между всеми основными компонентами реакционной смеси. Так можно записывать не только элементарные, но и простые реакции. Простые реакции отличаются от элементарных тем, что в реакционной смеси могут присутствовать вещества, количество которых несоизмеримо мало по сравнению с основными компонентами реакционной смеси. Их вклад в материальный баланс реакционной массы ничтожен.
Все остальные реакции представляют собой комбинации простых и называются сложными.
Во всех реакциях мы будем вещества обозначать через j, а стадии реакции через i.
Сложные реакции как сочетание простых реакций подразделяются на параллельные, когда из одних и тех же исходных веществ одновременно образуются различные продукты, например:

_1АА + _1YY _1BB

_2АА + _2YY _2ZZ;
последовательные, когда продукты одной реакции служат исходными веществами для другой, например:

_1АА + _1YY _1BB

_2BB _2ZZ;

и последовательно-параллельные, сочетающие стадии обоих типов, например:

_1АА + _1YY _1BB

_2АА + _2ВВ _2ZZ.

Реагирующие вещества могут находиться в различных агрегатных состояниях и образовывать при этом несколько фаз. В связи с этим реакции делят на гомо- и гетерофазные. В гомофазных реакциях все компоненты реакционной смеси (исходные вещества, промежуточные и конечные продукты), кроме катализаторов, находятся в одной фазе. Компоненты гетерофазных реакций образуют две и более фаз.

Чаще используют деление реакций на гомогенные, протекающие в одной фазе, и гетерогенные, протекающие на границе раздела фаз. Мы будем рассматривать количественные закономерности протекания реакций в гомогенных системах.
Химическая кинетика служит двум целям:

• 
  это мощный инструмент исследования механизма химических реакций. Она позволяет выбрать вероятную последовательность элементарных стадий по изменению состава реакционной массы во времени. Химическая кинетика позволяет отвергнуть недостоверные механизмы реакций;
  
• 
  для химика-технолога химическая кинетика – это важнейший рабочий инструмент, который позволяет выбрать тип и рассчитать размеры химических аппаратов при заданной производительности, например, по целевому продукту. Она используется также при оптимизации химико-технологических процессов.
  

Очевидно, решение этих задач требует строгого количественного подхода в кинетических исследованиях.
Принято различать две задачи химической кинетики:

• 
  обратная задача – по экспериментальным данным, полученным по определенному плану, определить вид и параметры кинетических уравнений;
  
• 
  прямая задача – используя найденные кинетические уравнения, определить в любой момент времени состав реакционной смеси или, что то же самое, найти время, за которое концентрация какого-либо из реагентов или продуктов реакции достигнет определенного (заданного) значения.