Способи збільшення швидкості хімічних реакцій

Для досягнення хімічної рівноваги при протіканні оборотних реакцій потрібен певний період часу, що залежить від природи речовин, що складають реакційну систему. Для характеристики використовується величина - швидкість хімічної реакції.
Швидкість реакції - це величина, що показує як змінюється концентрація одного з речовин в одиницю часу.
Щоб прискорити досягнення стану рівноваги, потрібно збільшити швидкість реакції. Основними способами збільшення швидкості реакції є підвищення температури, зміна концентрації, введення каталізатора.
1.Вліяніе температури. Хімічні реакції, що протікають в гомогенних системах (суміші газів, рідкі розчини), здійснюється за рахунок зіткнення часток. Однак, не всяке зіткнення частинок реагентів веде до утворення продуктів. Тільки частки, що володіють підвищеною енергією - активні частинки, здатні здійснити акт хімічної реакції. З підвищенням температури збільшується кінетична енергія частинок і число активних частинок зростає, отже,

хімічні реакції при високих температурах протікають швидше, ніж при низьких температурах

Зростання хімічні реакції при високих температурах протікають швидше, ніж при низьких температурах швидкості реакції при нагріванні в першому наближенні підпорядковується наступним правилом:

при підвищенні температури на 10 0 С швидкість хімічної реакції зростає в два - чотири рази.

Залежність швидкості реакції від температури визначається правилом Вант - Гоффа:

Правило Вант - Гоффа є наближеним і може бути застосовано лише для орієнтовної оцінки впливу температури на швидкість реакції.
2.Вліяніе каталізатора. Каталізатори - це речовини, які підвищують швидкість хімічної реакції. Вони вступають у взаємодію з реагентами з утворенням проміжного хімічної сполуки і звільняється в кінці реакції.
Вплив, який чиниться каталізаторами на хімічні реакції, називається катализом. По агрегатному стані, в якому знаходяться каталізатор і реагуючі речовини, слід розрізняти:
гомогенний каталіз (каталізатор утворює з реагують речовинами гомогенну систему, наприклад, газову суміш;
гетерогенний каталіз (каталізатор і реагуючі речовини знаходяться в різних фазах; каталіз йде на поверхні розділу фаз).
3.Вліяніе концентрації реагуючих речовин При підвищенні концентрації хоча б одного з реагуючих речовин швидкість хімічної реакції зростає відповідно до кінетичним рівнянням.
Розглянемо загальне рівняння реакції: aA + bB = cC + dD. Для даної реакції кінетичне рівняння набуває вигляду:

З кінетичного рівняння неважко встановити сенс коефіцієнта пропорційності k. званий константою швидкості реакції. Вона чисельно дорівнює швидкості реакції, коли концентрація кожного з реагуючих речовин становлять 1 моль / л. Константа швидкості залежить від природи реагуючих речовин, але не залежить від їх концентрацій.

Гомогенні процеси. тобто процеси, що протікають в однорідному середовищі (рідкі або газоподібні суміші, які не мають поверхонь розділу, що відокремлюють частини системи один від одного), порівняно рідко зустрічаються в промисловості. Чисто гомогенну систему отримати важко, так як будь-яка речовина містить домішки. Для багатьох промислових процесів повітря вважається гомогенної середовищем, а для процесу окислення аміаку той же повітря через наявність в ньому пилу, вологи вважається гетерогенної середовищем. Вихідна сировина завжди має домішки. Тому лише умовно можна прийняти за гомогенні ті виробничі процеси, які протікають в газовій або рідкій фазі. В гомогенних системах реакції проходять швидше, ніж в гетерогенних. Здійснення і управління гомогенними процесами, що протікають в гомогенної середовищі, значно полегшується. Апаратура теж простіше. Тому багато промислових гетерогенні процеси включають в якості етапу гомогенний хімічний процес в газовій або рідкій фазі. Для гомогенізації системи при проведенні хімічної реакції в однорідному середовищі в промисловості використовують різні способи:

1) Поглинання газів, конденсація парів, розчинення або плавлення твердих матеріалів приводить до отримання рідкого середовища, в якій швидше протікають реакції.

2) Випаровування рідин або виділення з них в газову фазу потрібних компонентів та проведення реакції в газовій фазі.

Гомогенні процеси в газовій фазі широко застосовуються в технології органічних речовин. Для здійснення цих процесів органічна речовина випаровується, і потім його пари обробляються тим чи іншим газоподібним компонентом: хлором, оксидами азоту, сірчистим ангідридом і т.п. Значне застосування отримав Парофазний піроліз, в якому хімічні реакції розкладання здійснюються в паровій фазі, хоча процес в цілому відноситься до гетерогенним, оскільки хімічним реакціям в паровій фазі передує випаровування вуглеводнів. З великого числа процесів, що йдуть в рідкій фазі, можна віднести до гомогенним процеси нейтралізації лугу в технології мінеральних солей без утворення твердої солі.

Гомогенні процеси, як правило, йдуть в кінетичної області, тобто загальна швидкість процесу визначається швидкістю хімічної реакції, тому закономірності, встановлені для реакцій, застосовні і до процесам, що відбуваються в газовій і рідкому середовищі. З точки зору кінетики, хімічні реакції можна класифікувати по молекулярної, т. Е за кількістю молекул, що беруть одночасна участь в елементарному акті хімічного перетворення, і по порядку реакції. Порядок реакції дорівнює сумі показників ступенів при концентраціях реагуючих речовин в кінетичному рівнянні реакції. Найчастіше порядок реакції не збігається з її молекулярна. За молекулярної реакції поділяються на моно -, бі і тримолекулярного і по порядку - першого, другого і дробового порядку.

1. одномолекулярного (мономолекулярні) реакції. До них відносяться:

- реакції внутрішньо молекулярних перегрупувань А → Д, наприклад, ізомеризація, інверсія;

- реакції розкладання А → Д + Д '.

У вигляді прикладу можна вказати крекінг етану

2. Двумолекулярние (бімолекулярні), в яких елементарний акт здійснюється в результаті зустрічі двох однойменних (2А) або різнойменних (А + В) молекул вихідних речовин. Бімолекулярні реакції в свою чергу можна поділити на:

- реакції приєднання А + А → АА, А + В → АВ і розкладання 2А → Д + Д '

- реакції заміщення або обміну А + ВВ '→ АВ + В'

- реакції подвійного обміну АА '+ ВВ' → АВ + А'В '

До бімолекулярного реакцій приєднання відносяться приєднання атома або радикала до молекули непредельного з'єднання і асоціація насичених молекул. наприклад,

До реакцій заміщення або обміну належить велика кількість реакцій атомів і радикалів з різними молекулами. Типова реакція подвійного обміну в розчині

3.Трехмолекулярние, де зустрічаються і вступають в хімічну взаємодію три молекули, можуть бути реакції приєднання, обмінного типу і реакції рекомбінації.

3А → Д, 2А + В → Д + Д '... А + А' + В → Д + Д '....

Так протікає взаємодія хлорного заліза і хлористого олова в водному розчині

Кожному з перерахованих типів реакцій відповідає своє кінетичне рівняння, що зв'язує концентрації реагентів згодом. Вплив концентрацій реагуючих речовин визначається законом дії мас, який є основним законом хімічної кінетики. Залежність швидкості хімічної реакції від температури сильно змінюється при зростанні порядку реакції. З ростом концентрації вихідних речовин швидкість реакції до досягнення рівноважного виходу збільшується тим сильніше, чим вище порядок реакції. Швидкість реакції найбільш сильно залежить від концентрацій тих реагуючих речовин, які входять в найбільшій кількості в рівняння хімічних реакцій. При цьому швидкість багатомолекулярних реакцій з підвищенням концентрацій буде зростати швидше, ніж швидкість реакцій більш нижчих порядків. Для підвищення концентрацій реагентів в гомогенних системах застосовуються такі методи:

- для газів: виділення з газової суміші в більш концентрованому вигляді, стиснення або скраплення, розчинення газів для проведення реакції в розчині;

- для рідин: випарювання, виморожування, що дозволяє отримати розчин більш насичений реагентами, або ж додаткове введення реагенту в розчин.

Тиск впливає на збільшення швидкості як прямий, так і зворотної реакції пропорційно числу реагують молекул. Таким чином, тиск впливає в основному через збільшення концентрацій реагентів, що практично відноситься до реакцій, що йдуть в газовому середовищі, особливо зі зменшенням обсягу. Тиск на швидкість реакцій в розчинах впливає дуже мало. Перемішування прискорює процеси, що протікають в дифузійної області внаслідок заміни повільної молекулярної дифузії швидким конвективним переносом реагентів в зону реакції.