Основы химической кинетики. Химическое равновесие

Химическая кинетика - раздел химии, изучающий скорости химических процессов, а также зависимость их от различных факторов.

Теоретическое значение кинетики состоит в том, что она позволяет проникнуть в сущность механизма химического взаимодействия. Прикладное значение кинетики определяется тем, что для практического использования какой - либо реакции необходимо управлять ею, т.е. знать скорость ее протекания в данных условиях и способы изменения этой скорости.

С точки зрения течения во времени любой химический процесс можно представить в виде следующей записи:

Реагенты (исходные вещества)  переходное состояние  продукты реакции

Реагенты (исходные вещества) - вещества, вступающие в процесс химического взаимодействия.

Продукты реакции - вещества, образующиеся в процессе химического превращения и не претерпевающие в ходе этого процесса дальнейших химических изменений.

Необратимые реакции - реакции, протекающие при данных условиях только в одном направлении (обозначают знаком  или =).

Обратимые реакции - реакции, протекающие при данных условиях одновременно в двух противоположных направлениях (обозначают знаком  или =).

Скорость химических реакций

Химические реакции могут совершаться медленно, в течение целых геологических периодов, как, например, выветривание горных пород, которое представляет собой превращения алюмосиликатов:

или очень быстро, в микросекунды или их доли, как, например, горение черного пороха:

3C + S + 2KNO₃ = N₂ + 3CO₂ + K₂S

В связи с этим любое химическое взаимодействие можно, как всякий другой процесс, характеризовать скоростью, которая служит количественной мерой интенсивности его протекания.

Скоростью химической реакции называется число элементарных актов реакции, происходящих в единицу времени в единице реакционного пространства.

Для гомогенных процессов реакционным пространством является объем реакционного сосуда, а для гетерогенных - поверхность, на которой протекает реакция. Например, гетерогенными являются системы типа:

г + т; г + ж; ж + т; г + ж + т;

Скорость химической реакции определяют изменением количества любого участника реакции в единицу времени в единице реакционного пространства. В связи с тем, что в реакции принимают участие в качестве реагентов и продуктов реакции несколько веществ, можно говорить не о скорости химического процесса вообще, а о скорости реакции по некоторому веществу.

Изменение () количества этого вещества следует выражать числом моль (n) этого вещества, прореагировавшего за промежуток времени от ₁ до ₂ () в единице объема (V):

Так как отношение = с, т.е. равно концентрации вещества, то для гомофазных реакций, идущих при постоянном объеме (V = const), выражение переходит в

, где  - средняя скорость реакции.

Скорость реакции всегда определяется как величина положительная. В связи с тем, что в ходе реакции концентрации реагентов уменьшаются, а концентрации продуктов возрастают, для величины скорости реакции можно записать два равноценных выражения:

(5.3)

Рис. 5. 1. Изменение концентрации реагента (а) и продукта реакции (б) от времени.

Чтобы получить истинную (мгновенную) скорость процесса в данный момент времени , надо от конечных приращений () перейти к бесконечно малым (d):

где  - истинная скорость реакции.

Таким образом, для гомофазного химического процесса, идущего при постоянном объеме, скорость процесса по некоторому веществу измеряется изменением концентрации этого вещества в единицу времени.

Обычно размерность скорости  |моль/лс|. Для гетерогенных систем скорость реакции относится к единице площади поверхности, на которой протекает реакция, поэтому  |моль/лсм²|.