Функциональная зависимость скорости химической реакции от концентрации компонентов реакционной смеси называется кинетическим уравнением реакции.

Основные понятия химической кинетики

Химическая термодинамика позволяет решить вопрос о направлении протекания химических реакций и оценить предельно достижимые (равновесные) состояния реакционной системы. Однако она не может ответить на вопросы, имеющие чрезвычайно важное практическое значение в химической технологии: как быстро пройдет химическое превращение, за какой промежуток времени будет получено то или иное количество продукта реакции.

Решающее значение при выборе условий проведения химико-технологических процессов имеют вопросы скорости химических превращений, изучаемые химической кинетикой.

Кинетический метод исследования имеет значение в двух аспектах:

● теоретическом (обоснование механизма реакций и решения вопросов, связанных с реакционной способностью веществ);

● практическом (для расчета и моделирования химических реакторов и оптимизации, протекающих в них процессов).

Знание механизма необходимо для определения лимитирующей стадии, для установления главных и побочных путей и выбора способа управления процессом для повышения его производительности и селективности. Знание

механизма – это важнейший элемент создания интенсивных, высокоселективных и энергосберегающих технологий.

Скоростью химической реакцииW_i по компоненту i называется изменение его количества, происходящее за единицу времени в единице объема V (для гомогенных реакций) или на единице поверхности раздела фаз S (для гетерогенных реакций).

Скорость гомогенных реакций, моль/(объем ∙ время),

dn_i

W_i = ────, (3.1)

Vd

где W_i – скорость i реакции, моль/(л ∙ с) или кмоль/(м³∙ ч);

n_i – количество вещества, моль;

V – объем реагирующей смеси, л или м³;

− время (продолжительность реакции), с или ч.

Скорость химической реакции может быть определена по любому компоненту, участвующему в реакции; она всегда положительна, поэтому знак (положительный или отрицательный) перед производными dn_i / d должен определяться тем, является ли вещество i исходным реагентом (отношение dn_i / d отрицательное) или продуктом (отношение dn_i / d положительное).

При V =const = 1л формулу (3.1) можно переписать в следующем виде, моль/(объем∙время):

dС_i

W_i = ────, (3.2)

d

где С_i – концентрация вещества i, моль/л, кмоль/м³.

Скорость гетерогенных реакций, моль/(площадь поверхности ∙ время),

dn_i

W_i = ────, (3.3)

Sd

где S - площадь поверхности раздела фаз, м².

Если площадь поверхности раздела фаз трудно определить, например, в гетерогенно-каталитических реакциях, скорость превращения относят к единице массы или объема катализатора и определяют:

в моль/(масса∙катализатора время)

dn_i

W_i = ─────, (3.4)

т_катd

где т_кат – масса катализатора, кг;

или в моль/(объем катализатора∙время)

dn_i

W_i = ────, (3.5)

V_катd

где V_кат – объем катализатора, м³.

Если реакция протекает в проточной схеме в стационарных установках, скорость ее измеряется как производная молярных потоков(F_i моль/продолжительность) по реакционному объему или массе катализатора:

в моль/ (объем катализатора∙продолжительность)

dF_i

W_i = ────, (3.6)

V_катd

в моль/(масса катализатора∙продолжительность)

dF_i

W_i = ───── (3.7)

т_катd

В общем случае скорость реакции зависит от внешних условий: давления Р, температуры Т и т. д. При заданных постоянных внешних условиях скорость реакции является фукцией концентрации реагентов:

W_i = f (C_A, C_B, …, Ci) (3.8)

Функциональная зависимость скорости химической реакции от концентрации компонентов реакционной смеси называется кинетическим уравнением реакции.