3. Кінетика хіміко-технологічних процесів

Кінетика хімічних реакцій – це вчення про швидкість їх протікання і залежності від різних факторів (концентрації реагуючих речовин, температури, наявності каталізаторів і т.д.).

Під швидкістю хімічної реакції розуміють зміну концентрацій реагуючих речовин в одиницю часу.

По ступеню однорідності середовища, у якому здійснюються хімічні процеси, розрізняють реакції в гомогенні і у гетерогенних системах.

Гомогенна система – це система, термодинамічні властивості якої у всіх точках однакові.

Гетерогенна система складається з ряду гомогенних систем, які в цьому випадку називаються фазами. Фази відділені одна від одної реальними, мимовільними фізичними поверхнями розділу фаз, на границях яких деякі властивості змінюються стрибкоподібно. Гетерогенними називаються реакції, що протікають на поверхні розділу фаз або в об’ємі однієї фази гетерогенної системи.

І в тому і в іншому випадку для здійснення реакції необхідне безперервне підведення реагуючих речовин до поверхні розділу фаз, здійснюване дифузією.

Простими називають реакції, у яких взаємодія вихідних часток здійснюється в одну стадію при їхньому безпосередньому їх зіткненні. При цьому реакція, не обмежена в часі, закінчується повною витратою принаймні однієї з вихідних речовин. Таким чином, до простих реакцій відносять необоротні реакції, що йдуть в одному напрямку до кінця:

2А+В = А₂В (3.1)

Встановлено, що швидкість взаємодії в простих реакціях при постійній температурі прямо пропорційна добутку концентрацій реагуючих речовин у ступені рівній стехіометричному коефіцієнту даних речовин у рівнянні реакції.

Відповідно до визначення швидкість V реакції (3.1) при їхніх концентраціях Сскладе:

V = k^.C_A^2.C_B. (3.2)

Коефіцієнт пропорційності k при постійній температурі є величиною постійною і називається константою швидкості реакції. Вона чисельно рівна швидкості реакції при концентрації кожного з вихідних речовин рівній одиниці.

У загальному випадку швидкість складних хімічних реакцій αA + βB → γD рівна:

(3.3)

де k – константа швидкості реакції, що залежить тільки від температури;

С_А, С_В – поточна концентрація речовин А и В;

 и  – порядок реакції по реагуючій речовині.

Порядок реакції по реагуючій речовині в загальному випадку може не збігатися з його стехіометричним коефіцієнтом у рівнянні реакції. У реальних хімічних процесах порядок реакції дорівнює сумі показників ступенів рівняння, що виражає залежність швидкості реакції від концентрації реагуючих речовин. Відомі реакції нульового, першого, другого і третього порядків (реакції більш високого порядку не зустрічаються). Однак частіше їх порядок виражається дробовим числом. Як правило, порядок реакції по речовині нижче, чим стехіометричний коефіцієнт цієї речовини, і завжди визначається експериментально.

У першім наближенні залежність швидкості реакції від температури визначається правилом Вант-Гоффа. Відповідно до нього при підвищенні температури на кожні 10⁰С швидкість більшості хімічних реакцій збільшується в 2-4 рази. Правило Вант-Гоффа застосовують лише для орієнтовної оцінки впливу температури на швидкість реакції.

Температура впливає на швидкість реакції через зміну її константи швидкості. Сувора залежність останньої від температури виражається рівнянням Арреніуса:

(3.4)

де Е – енергія активації, кДж/кмоль;

R– універсальна газова постійна. R = 8,314 Дж/(моль^.К);

k₀ – передекспоненційний множник.

Якщо при Т₁ константа швидкості реакції рівна k₁, а температурі Т₂ відповідає константа k₂, то енергію активації процесу можна виразити в такий спосіб:

(3.5)