Загальні поняття і визначення

Якщо реакція протікає шляхом прямого перетворення молекул вихідних речовин в молекули продуктів реакції, то така реакція називається елементарної. Більшість хімічних реакцій не є елементарними, а включають кілька елементарних стадій хімічного перетворення.

Сукупність елементарних стадій, що забезпечують протікання даного хімічного перетворення, називається механізмом складної хімічної реакції.

Хімічні реакції можуть протікати в системах, що складаються з однієї або декількох фаз.

Хімічна реакція, що протікає в межах однієї фази, називається гомогенною. Реакційним простором в цьому випадку є рідка або газоподібна системи.

Хімічна реакція, що протікає на кордоні розділу двох фаз, називається гетерогенною, а реакційний простір є поверхня розділу фаз.

В даному посібнику розглядаються основи теорії гомогенних хімічних реакцій в закритих системах при постійному обсязі в ізотермічних умовах.

Швидкість хімічної реакції

Швидкістю хімічної реакції v з даного i -му речовини називається зміна кількості цієї речовини ni (в молях) в одиницю часу  і в одиниці реакційного простору V:

де V - об'єм (реакційний простір).

Це визначення швидкості утворення компонента є найбільш загальним і справедливо для будь-яких складних реакцій і для будь-якого реагенту в будь-яких умовах.

Якщо обсяг системи під час реакції не змінюється, то його можна внести під знак диференціала, при цьому

Тоді замість (1) отримаємо

де ci - концентрація розглянутого i -го речовини в даний момент часу. Таким чином, для гомогенного хімічного процесу, що йде при постійному обсязі, швидкістю процесу по деякому i -му речовини називається зміна концентрації i-го речовини в одиницю часу. Розмірність швидкості в цьому випадку дорівнює моль / (лс) або моль / (лмін).

При розгляді кінетики хімічних реакцій в закритій системі зазвичай вивчають на досвіді залежність концентрації будь-якого компонента (i -го речовини) від часу і зображують цю залежність у вигляді графіка ci = f (), який називають кінетичної кривої (див. Рис. 1 ).

Якщо в системі протікає хімічна реакція

де a, b, c, d - стехіометричні коефіцієнти, то зміна концентрації одного з вихідних речовин (наприклад, A) і одного з продуктів (наприклад, C) від часу можна зобразити графічно наступним чином:

кінетичні криві

Розрізняють середню швидкість:

і справжню швидкість:

До кінетичним кривим проведені дотичні, тангенси кутів яких дорівнюють

(Рис. 1). Видно, що швидкість реакції знижується в міру протікання реакції, тобто зі зменшенням концентрації реагенту в реакційному просторі.

Швидкість реакції завжди позитивна. Однак при протіканні реакції в часі концентрації вихідних речовин зменшуються, а продуктів реакції - зростають (рис. 1). В результаті співвідношення і похідна

можуть бути позитивними або негативними залежно від того, вивчають швидкість реакції зі зміни концентрації одного з продуктів реакції (знак «+») або одного з вихідних речовин (знак «-»).

У загальному випадку швидкість реакції, що протікає за рівнянням (3), може бути представлена ​​наступним виразом:

Так, наприклад, для реакції

Формально це можна записати як

де -1, -1 і 2 - це стехіометричні коефіцієнти з урахуванням правила знаків, сформульованого вище (для вихідних речовин стехіометричні коефіцієнти приймаються негативними). Швидкість реакції залежить від ряду факторів (концентрації, тиску, температури, каталізатора і т.д.).

Основним законом хімічної кінетики є закон дії мас (ЗДМ), встановлений Гульдбергом і Вааге в 1867 році, що виражає залежність швидкості реакції від концентрації реагуючих речовин: при постійній температурі швидкість односторонньої хімічної реакції пропорційна добутку концентрацій реагуючих речовин, взятих у відповідних ступенях.

Відповідно до ЗДМ для реакції (3) можна записати рівняння

Залежність швидкості реакції від концентрації називається кінетичним рівнянням.

Коефіцієнт пропорційності К в рівнянні (9) називається константою швидкості хімічного процесу. За фізичним змістом До дорівнює самій швидкості, коли концентрація кожного з реагуючих речовин дорівнює одиниці. Константа швидкості залежить від всіх чинників, які впливають на швидкість реакції, за винятком концентрації реагуючих речовин і часу. Чисельне значення До залежить також від вибору одиниць вимірювання часу і концентрації. Розмірність її визначається тим кінетичним рівнянням, за яким ведеться її розрахунок, тобто залежить від значень показників ступенів концентрацій реагентів.