Химическая кинетика гетерогенных процессов Лекция 1

Химическая кинетика
гетерогенных
процессов
Лекция 1
Шагалов Владимир Владимирович
Аннотация
Курс
для
подготовки
специалистов
по
направлению 240501 «Химическая технология
материалов современной энергетики».
Цель
изучаемой
дисциплины:
фундаментальное изучение основных моделей
гетерогенного химического реагирования, знание
основных
закономерностей,
определяющих
скорость протекания химических процессов,
выявление основных факторов, влияющих на
скорость химических превращений и применение
полученной информации для оптимизации
технологических процессов.
2
Шагалов Владимир Владимирович
Формальная кинетика
Общие понятия
Химическая кинетика наука, изучающая закономерности протекания
химических процессов во времени. На основании
основного
раздел
постулата
химической
химической
кинетики,
в
кинетики,
котором
рассматривается метод нахождения зависимости
скорости химической реакции от концентрации
реагирующих
веществ,
формальной кинетики.
получил
название
3
Шагалов Владимир Владимирович
Формальная кинетика
Химическая реакция превращение одного или нескольких исходных
веществ в отличающиеся от них по химическому
составу или строению вещества. При химических
превращениях происходит перераспределение
электронов
и
ядер
и
образуются
новые
химические вещества.
4
Шагалов Владимир Владимирович
Формальная кинетика
Классификация химических реакций - Число исходных компонентов
- Состав исходных компонентов
- Агрегатное состояние реагентов и продуктов
- Число фаз
- Природа переносимых частиц
- Возможность протекания реакций
- Знак теплового эффекта
- Др.
5
Шагалов Владимир Владимирович
Формальная кинетика
Агрегатное состояние реагентов и продуктов:
Гомогенные гомофазные реакции
Гетерогенные гомофазные реакции
Гомогенные гетерофазные реакции
Гетерогенные гетерофазные реакции
6
Шагалов Владимир Владимирович
Формальная кинетика
Агрегатное состояние реагентов и продуктов:
Гомогенные гомофазные реакции - исходные
реагенты и продукты реакции находятся в одной
фазе.
7
Шагалов Владимир Владимирович
Формальная кинетика
Агрегатное состояние реагентов и продуктов:
Гетерогенные гомофазные реакции - реагенты и
продукты находятся в пределах одной фазы,
однако реакция протекает на границе раздела
фаз.
8
Шагалов Владимир Владимирович
Формальная кинетика
Агрегатное состояние реагентов и продуктов:
Гомогенные гетерофазные реакции - реагенты и
продукты находятся в пределах нескольких фаз,
однако реакция протекает в одной фазе
9
Шагалов Владимир Владимирович
Формальная кинетика
Агрегатное состояние реагентов и продуктов:
Гетерогенные гетерофазные реакции - в этом
случае реагенты находятся в разном фазовом
состоянии,
продукты
реакции
также
могут
находиться в любом фазовом состоянии
10
Шагалов Владимир Владимирович
Формальная кинетика
Фаза термодинамически
однородная
по
свойствам
часть термодинамической системы, отделенная
от
других
фаз
поверхностями
раздела,
на
которых скачком изменяются некоторые свойства
системы. В однокомпонентной системе разные
фазы могут быть представлены различными
агрегатными
состояниями
или
разными
полиморфными модификациями вещества
11
Шагалов Владимир Владимирович
Формальная кинетика
Скорость химической реакции* какое
количество
молекул
данного
вида
реагирует в единицу времени
aA + бБ + … → вВ + гГ + …
12
Шагалов Владимир Владимирович
Формальная кинетика
Скорость химической реакции число молекул или молей данного вещества,
реагирующих в единицу времени в единице
объема
aA + бБ + … → вВ + гГ + …
13
Шагалов Владимир Владимирович
Формальная кинетика
Классификация химических гетерогенных
реакций по скорости:
- Реакции с постоянной скоростью
- Реакции, скорость которых уменьшается со
временем
- Реакции со скоростью, увеличивающейся с
течением времени
14
Шагалов Владимир Владимирович
Формальная кинетика
реагируют только те молекулы, которые
сталкиваются.
aA + бБ + … → вВ + гГ + …
Вероятность найти в некотором малом объеме в
данный момент а молекул вещества A , б молекул
вещества Б и т.д. пропорциональна 𝐶Аа 𝐶Бб
следовательно, число столкновений в единице
объема за единицу времени пропорционально
этой величине
ω = 𝑘1 𝐶Аа 𝐶Бб
15
Шагалов Владимир Владимирович
Формальная кинетика
ω = 𝑘1 𝐶Аа 𝐶Бб
Основной постулат химической кинетики
16
Шагалов Владимир Владимирович
Формальная кинетика
Физический смысл константы скорости
w = k1
Константа скорости химической реакции
есть скорость этой реакции при условии, что
концентрации реагирующих веществ постоянны и
равны единице.
Константу
скорости
иногда
называют
удельной скоростью химической реакции
17
Шагалов Владимир Владимирович
Формальная кинетика
Количественно скорость химической реакции w
выражается числом единиц массы одного из
продуктов или реагентов, которые образуются или
прореагируют в единицу времени  в единице объема
системы V
1 𝑑𝑛
ω=−
𝑉 𝑑τ
Если V - const
𝑑 𝑛 𝑉
𝑑𝐶
ω=
=−
𝑑τ
𝑑τ
18
Шагалов Владимир Владимирович
Формальная кинетика
Скорость гетерогенных химических реакций
относят не к единице объема, а к единице
поверхности реагирования в единице объема или к
пропорциональным ей величинам, таким как: объем
аппарата, объем газа при постоянном объеме
аппарата
𝑑𝐶
ω = − = 𝑘 ∙ 𝑓(𝐶1 , 𝐶2 … 𝑃1 𝑃2 ) – гомогенные
𝑑τ
реакции;
𝑑𝐶
ω = − = 𝑘 ∙ 𝐹 ∙ 𝑓(𝐶1 , 𝐶2 … 𝑃1 𝑃2 )
𝑑τ
гетерогенные реакции
–
19
Шагалов Владимир Владимирович
Формальная кинетика
Обратимые и необратимые реакции
Обратимыми
в
химической
кинетике
называют такие реакции, которые одновременно и
независимо протекают в двух направлениях прямом и обратном, но с различными скоростями.
Для обратимых реакций характерно, что через
некоторое время после их начала скорости
прямой и обратной реакций становятся равными и
наступает состояние химического равновесия.
20
Шагалов Владимир Владимирович
Формальная кинетика
Обратимые и необратимые реакции
Обратимая
реакция
в
термодинамическом
смысле - скорость прямого процесса бесконечно
мало отличаться от скорости обратного процесса
21
Шагалов Владимир Владимирович
Формальная кинетика
Константа равновесия –
ω=
а б
𝑘𝐶А 𝐶Б
ω = 𝑘𝐶Вв 𝐶Гг
Если 𝜔
=𝜔
22
Шагалов Владимир Владимирович
Формальная кинетика
Если 𝜔
=𝜔
𝐶Вв 𝐶Гг ⋯
𝐶Аа 𝐶Бб ⋯
=
𝑘
𝑘
=𝐾
ЗДМ
Константа
равновесия
позволяет найти равновесный состав
реакционной смеси при данных
условиях
23
Шагалов Владимир Владимирович