4.8. Хімічні та біохімічні перетворення

4.8.1. Хімічна кінетика

Розповсюдженими хімічними реакціями в промисловості є гідроліз, тобто приєднання молекул води до речовини, гідрогені­зація, піроліз, полімеризація, тощо. Наприклад гідроліз крохмалю, що приводить до утворення цукрів відбувається за такою формою.

Гідрогенізація (насичення воднем) жирів:

Сатурація (насичення вуглицевим газом)

Піроліз (розклад без доступу повітря при високих температу­рах) в середовищі водню називають процес розщеплення великих

208

молекул вуглеводнів на простіші. Під час піролізу можливий та­кий перебіг реакцій:

Полімерізація — зєднання однакових молекул в ланцюги. Наприклад, одержання із етилену поліетилену тощо.

Одержання синтетичного спирту гідротацією етилену

Всі ці реакції характеризуються швидкістю перебігу хімічної реакції. Швидкістю хімічної реакції називають число молекул, які реагують в одиницю часу. Для порівнювання швидкостей різних реакцій число молекул відносять до одиниці об'єму. В зв'язку з цим швидкості реакцій визначають як число молекул або молей даної речовини, що реагують в одиницю часу в одиниці об'єму. Якщо в об'ємі V знаходиться п молей речовини А, то концентрація с дорівнює а швидкість реакції записується так

Формально швидкість реакції можна визначити як похідну концентрації реагуючої речовини за часом, взяту зі знаком "мінус", який означає, що в ході реакції концентрація реагентів спадає. Швидкість реакції можна виміряти за накопиченням продукту реакції, а оскільки при перебіганні реакції концентрація продукту збільшується, то похідна — додатня.

і формули швидкості виходить, що

Якщо реакція перебігає в ізохоричних умовах (V = const,

, то швидкість реакції можна записати

Якщо ж при перебігу реакції змінюється об'єм системи, то для розрахунку швидкості реакції необхідно знати явний вид функції для обчислення похідної .

При розгляданні кінетики хімічних процесів, в результаті яких об'єм реагуючої системи

209

практично не змінюється, швидкість реакції типу можна

записати

де С — концентрація продукту.

За цією формулою визначають миттєву швидкість хімічної ре­акції.

Миттєву швидкість реакції при ф=0 називають початковою швидкістю реакції. Визначення швидкостей реакції в початковий та довільний моменти часу виконують за тангенсом кута нахилу в даній точці a (рис. 4.40). В хімічній кінетиці іноді використовують поняття середньої швидкості реакції за інтервал часу . Якщо в момент часу сонцентрація продукту реакції була рівна то середня швидкість реакції за інтервал часу

визначається за виразом

Миттєва швидкість реакції уявляє собою границю значення середньої швидкості при тобто,

При розрахунках середньої швидкості за повний час перебігу реакції використовують формулу

В цьому випадку треба встановити кількісну залежність швид­кості реакції від часу, тобто підібрати таку формулу, яка б правиль­но зобразила б залежність швидкості реакції протягом всього часу.

Закон дії мас є основним законом хімічної кінетики, відповідно з яким в самому загальному випадку можна погоди­тись, що швидкість хімічної реакції прямо пропорціональна кон­центраціям реагуючих (діючих) речовин в деяких степенях

де к— стала, яка зветься константою швидкості реакції; .

m — число речовин, які вступають в реакцію;

210

— концентрація і-го реагенту;

— порядок реакції за даною і-ою речовиною;

П — знак добутку.

Зміна концентрації основної початкової речовини та продук­ту реакції протягом процесу характеризується кривими, які відрізняються при простих і складних реакціях, а також для про­цесів, які перебігають відповідно режиму ідеального витіснення та повного змішування. Для простих процесів, які перебігають за режимом ідеального витіснення без зміни об'єму за схемою

концентрація основної початкової речовини зменшується про-

тягом часу (рис. 4.41) від початкової до нульової для зворотних процесів та до рівноважної для незворотних. Відповідно концентрація продукту збільшується для зворотних процесів від нуля до концентрації

відповідній рівноважній ступені перетворення, тобто для незворотних — до = 1 (крива 1)