Химиялық кинетика және катализ

Пән: Химия
Жұмыс түрі: Материал
Тегін: Антиплагиат
Көлемі: 8 бет
Таңдаулыға:

Жоспар:

1. Химиялық кинетика негізгі қағидаларымен түсініктері.

2. Реакциялардың кинетикалық жіктелуі.

3. Қайтымды және қайтымсыз реакциялар.

4. Активтелген комплекс теориясы.

Негізгі қағидалар мен түсініктер

Химиялық реакцияларды уақытқа байлатысты жүру заңдылықтарын зерттейтін физикалық химияның бөлімі (тарауы) химиялық кинетика деп аталады. Ол химиялық процестердің жылдамдықтары (химиялық реакциялардың кинетикасы) мен фазалардың өзгеру жылдамдықтарын (гетерогендік процестердің кинетикасы) қарастырады.

Реакциялардың жылдамдықтары көптеген факторларға байланысты. Атап айтқанда: реакцияларға түсетін заттардың табиғаты, олардың концентрациясы, температурасы, қысымы, катализатордың қатысуы, ал фазалардың өзгеру жағдайындағы басқа да факторлары (фазалардың бөлу беттерінің шамасы мен масса және жылу алмасу жағдайлары) . Міне, осы факторлардың химиялық жылдамдыққа әсер етуі мен реакция механизімдерін түсіндіру химиялық кинетиканың негізгі мәселесі болып табылады.

Химиялық реакциялардың кинетикасы - екі негізгі бөлімнен тұрады: біріншісі - формалдық кинетика: ол реакцияның механизмін қарастырмай, реакция жылдамдығын тек формалдық -математикалық түрде сипаттайды, ал екіншісі - химиялық әрекеттесудің механизмі туралы ілім.

Химиялық кинетика реакция компоненттерінің бір және бірнеше фазалардан тұратынына байланысты гомогендік реакциялардың кинетикасы және гетерогендік реакциялардың кинетикасы болып екіге бөлінеді.

Гетерогендік жүйелерде процесс тізбектелініп, бірнеше сатыдан тұруы мүмкін. Әдетте ол 4 - 5 сатыдан немесе кем дегендей мынадай екі сатыдан тұруы керек: фазалардың бөлу бетінде реакцияға түсетін заттардың диффузиясы және беттегі химиялық реакция.

Егер процесс тізбектелген бірнеше сатымен жүретін болса, онда процестің жалпы жылдамдығы ең баяу жүретін сатының жылдамдығымен анықталады да, ол баяу саты процестің анықтаушы немесе лимиттеуші сатысы деп аталады. Егер жалпы жылдамдық беттегі жүретін химиялық әрекеттесу жылдамдығымен анықталса, саты реакцияға кинетикалық аймақта, егер анықтаушы саты реакцияға түсетін заттарды диффузия арқылы реакция зонасына жеткізетін болса, онда реакция диффузиялық аймақта жүреді деп қарастырады. Реакция және диффузия жылдамдықтары шамалас болса, онда процесс аралық аймақта жүретін болады.

Химиялық кинетиканың негізгі шамаларының бірі реакция жылдамдығы.

Химиялық реакцияның жылдамдығы уақыт бірлігінде реакцияға түсетін заттардың концентрацияларының өзгеруімен сипатталады. Реакция жылдамдығы уақыттың функциясы болғандықтан, әдетте орташа жылдамдығы жылдамдық және шын жылдамдық деген шамалар қолданылады.

Орташа жылдамдық мына теңдеумен анықталады.

Vор=±(C - C ) /(t - t )

мұндағы t-уақыт, C- реагенттің концентрациясы.

Шын жылдамдық, яғни қарастырылып отырған кездегі жылдамдық концентрацияның уақыт бойынша туындысымен анықталады:

V=± dC/dt

Бұдан былай біз көбіне шен жылдамдықты пайдаланамыз.

Химиялық реакциялардың жылдадықтары әр түрлі болады. Мысалы, қопарылыс реакцияларындағы немесе ерітінділеріндегі иондар арасындағы реакциялар жылдамдығы өте жоғары болады да, реакциялар әп - сәтте - ақ жүріп бітеді. Ал баяу тотығу реакцияларындағы немесе радиоактивтік ыдырау реакцияларындағы жылдамдықтардың өте баяу болатыны соншалықты, ондай реакциялардың өнімдерін байкауға бірнеше жылдай уақыт кетеді.

Химиялық реакциялардың жылдамдықтары туралы ілімді дамытуда Я. Вант-Гофф, С. Аррениус, Н. А. Меншуткин, Н. А. Шилов, Н. Н. Семенов т. б. ғалымдардың еңбектері зор болды.

Реакциялардың кинетикалық жіктелуі.

Реакцияларды химиялық әрекеттесудің элементарлық актісіне қатысатын молекулалардың санымен, яғни реакция молекулалығымен жіктеуге болады. Мұндай жіктеу бір сатымен жүретін, механизмі қарпайым реакцияларға қолданылыды. Реакция молекулалығы бойынша реакциялар мономолекулалық (бір молекулалық), бимолекулалық (екі молекулалық) және тримолекулалық (үш молекулалық) болып бөлінеді. Мономолекулалық реакциялардың әрекеттесудің элементарлық актісіне тек бір молекула қатысады. Мысалы, кейбір атомдар ядроларының радиоактивтік ыдырауы газ, не ерітінділердегі кейбір күрделі молекулалардың ыдыраулары мен изомерлік түрленулері және т. б.

Жай молекулалық реакция үшін:

V=± k · C

Мұндағы V- мономолекулалық реакцияның жылдамдығы. C- реакцияға түскен заттың концентрациясы. К- реакция жылдамдығының константасы.

Ал бимолекулалық реакцияларда әрекеттесудің элементарлық актісіне әр түрлі немесе бір түрлі екі молекула қатысады.

Тримолекулалық реакцияларда химиялық әрекеттесудің элементарлық актісінде үш молекула өзара соқтығысады. Мысалы, 2NO+H =H O+H O. Қалыпты қысымда үш молекуланың өзара соқтығысуының мүмкіндігі екі молекуланың өзара соқтығысында қарағанда өте аз. Сол себептен үшмолекулалық реакциялар өте аз кездеседі. Әзірге тек осындай реакциялардың тек 4 - 5 - і ғана белгілі.

Реакцияның әрекеттесуінің элементарлық актісінде төрт молекуланың өзара бірден соқтығысуы іс жүзінде болмайды. Сол себептен реакция молекулалығы үштен аспайды.

Жалпы алғанда жай молекулалық реакциялар үшін жылдамдықтың теңдеуі былай жазылады:

V=k ·C · C · C

Мұндағы С, С және С - реакцияға түсетін заттардың концентрациялары, теңдеудің әр түрлі варианттары да болуы мүмкін.

Қайтымды және қайтымсыз реакциялар.

Көптеген химиялық реакциялар екі жаққа бірдей жүреді. Әдетте тепе-теңдікке қарай жүретін реакцияның жылдамдығы кері жүретін реакция жылдамдығынан артық болады. Ал тепе-теңдік жағдайда екі реакцияның да жылдамдықтары бірдей болып, процестің жалпы жылдамдығы нолге тең болады. Бұдан химиялық реакциялар екі жаққа бірдей жүреді, яғни олар қайтымды деген тұжырымға келеміз.

Алайда, белгілі бір кинетикалық жағдай (мысалы, алғашқы концентрация, температура және қысымның белгілі бір мәндерінде) тепе-теңдікті алғашқы заттарды концентрация елемейтіндей, аз мөлшерде болатындай етіп өзгертуге болады. Мұндай реакцияларды кинетикалық біржақты ревкциялар, немесе қайтымсыз реакциялар деп атайды. Бұларға реакция өнімдерінің біреуі немесе бірнешеуі әрекеттесу аймағынан шығып қалатын (тұнбаға түсу, аз диссоцияланатын зат түзілу және газ күйінде бөліну) және көп жылу бөле жүретін реакциялар жатады. Процестің кинетикасын қарастырғанда тек тура жүретін реакцияның ғана емес, кері жүретін реакцияның да жылдамдығын ескеруді қажет ететін реакцияларды кинетикалық екі жақты немесе қайтымды реакциялар деп аталады.

Активтелген комплекс (кешен) теориясы.

1995жылы Г. Эйринг, М. Поляни және М. Эванс стериялық фактор (көбейткіш) мен активтендіру энергиясын реакцияға түсетін заттардың қасиеттері бойынша есептеуге болатын теория ұсынды. Бұл теория - аралық жағдай теориясы деп аталады.

Элементарлық химиялық реакция жүрген кезде реакцияға түсетін заттар өздерінің негізгі энергетикалық жағыдайынан қозған жағыдайға көшеді. Мұндай көшу кезінде реакцияға түсуші бөлшектердің конфигурациясы және олар енетін жалпы системаның потенциалдық энергиясы өзгереді. Мысалы, мына реакция үшін:

A+BC-AB+C

... жалғасы

Сіз бұл жұмысты біздің қосымшамыз арқылы толығымен тегін көре аласыз.