физ колоид срс рус. Тема Химическая кинетика

• Название: Тема Химическая кинетика
• Дата: 23.10.2021
• Размер: 93.37 Kb.
• Имя файла: физ колоид срс рус.docx
• Тип: Документы; #254003

Южно-Казахстанский государственный педагогический университет

СРС

Тема: Химическая кинетика

Исполняет: Турсынбек Алтынай

Группа: 1504-19

Принято: Баймахановой Г.

Химическая кинетика

Содержание

1История

2Фактора, влияющие на скорость реакции

2.1Природа реагентов

2.2Физическое состояние

2.3Площадь поверхности твердого тела

2.4Концентрация

2.5Температура

2.6Катализаторы

2.7Давление

2.8Поглощение света

3Экспериментальные методы

3.1Быстрая реакция

4Равновесие

5Свободная энергия

6Приложения и модели

6.1Численные методы

7Ссылок


Химическая кинетика, также известная каккинетика реакций, - это разделфизической химии, который занимается пониманием скорости химических реакций. Это следует противопоставить термодинамике, которая имеет дело с направлением, в котором происходит процесс, но сама по себе ничего не говорит о его скорости. Химическая кинетика включает в себя исследования того, как условия эксперимента влияют на скоростьхимической реакциии дают информацию о механизмереакцииипереходных состояниях, а также построениематематических моделей, которые также могут описывать характеристики химической реакции.



История

В 1864 годуПитер ВаагеиКатон Гульдбергстали пионерами в развитии химической кинетики, сформулировавзакон массового действия, который гласит, что скорость химической реакции пропорциональна количеству реагирующих веществ.^[1][2][3]

Ван т Хоффизучал химическую динамику и в 1884 году опубликовал свои знаменитые "Химические этюды о динамике".^[4]В 1901 году он был удостоен первой Нобелевской премии по химии "в знак признания выдающихся заслуг, которые он оказал, открыв законы химической динамики и осмотического давления в растворах".^[5]После ван т Хоффа химическая кинетика занимается экспериментальным определениемскоростей реакций, из которыхвыводятся законы скоростииконстанты скорости. Относительно простыезаконы скоростисуществуют дляреакций нулевого порядка(для которых скорости реакции не зависят от концентрации),реакций первого порядкаи реакцийвторого порядкаи могут быть выведены для других. Элементарные реакцииследуютзакону массового действия, но закон скоростипошаговых реакцийдолжен быть получен путем объединения законов скорости различных элементарных шагов и может стать довольно сложным. В последовательных реакцияхстадия определения скоростичасто определяет кинетику. В последовательных реакциях первого порядкастационарноеприближение может упростить законскорости. Энергияactivationenergyактивации реакции экспериментально определяется с помощью уравненияАррениусаиЭйринга equation. Основными факторами, влияющими наскорость реакции, являются:физическое состояниереагентов,концентрации реагентов,температура, при которой происходит реакция, и наличие или отсутствие каких-либокатализаторовв реакции.

Горбань и Яблонский предположили, что историю химической динамики можно разделить на три эпохи.^[6] Первая-это волна ван-т-Хоффа, ищущая общие законы химических реакций и связывающая кинетику с термодинамикой. Вторую можно назватьволной Семенова-Хиншелвудас акцентом на механизмы реакции, особенно дляцепных реакций. Третий связан сАриси подробное математическое описание сетей химических реакций.

Факторы, влияющие на скорость реакции
Природа реагентов

Скорость реакции варьируется в зависимости от того, какие вещества вступают в реакцию. Реакции кислоты/основания, образованиесолейиионный обменобычно являются быстрыми реакциями. Когда между молекулами образуется ковалентная связь и образуются большие молекулы, реакции, как правило, протекают медленнее.

Природа и прочность связей в молекулах реагентов в значительной степени влияют на скорость их превращения в продукты.
Физическое состояние

The Физическое состояние(твердое,жидкоеилигазообразное) реагента также является важным фактором скорости изменения. Когда реагенты находятся в той жефазе, что и вводном растворе, тепловое движение приводит их в контакт. Однако, когда они находятся в отдельных фазах, реакция ограничивается границей раздела между реагентами. Реакция может происходить только в зоне их контакта; в случае жидкости и газа-на поверхности жидкости. Для завершения реакции может потребоваться энергичное встряхивание и перемешивание. Это означает, что чем тоньше разделен твердый или жидкий реагент, тем больше площадь егоповерхностина единицуобъемаи чем больше он контактирует с другим реагентом, тем быстрее протекает реакция. Чтобы провести аналогию, например, когда кто — то разводит огонь, он использует щепки и мелкие ветки-не сразу начинают с больших поленьев. В органической химииреакции на водеявляются исключением из правила, согласно которому гомогенные реакции протекают быстрее, чем гетерогенные реакции ( это те реакции, в которых растворенный и растворитель не смешиваются должным образом)
Площадь поверхности твердого тела

В твердом теле в реакцию могут быть вовлечены только те частицы, которые находятся на поверхности. Дробление твердого тела на более мелкие части означает, что на поверхности присутствует больше частиц, и частота столкновений между ними и частицами реагента увеличивается, и поэтому реакция протекает быстрее. Например,шербет (порошок)представляет собой смесь очень тонкого порошкаяблочной кислоты(слабой органической кислоты) игидрокарбоната натрия. При контакте сослюнойво рту эти химические вещества быстро растворяются и вступают в реакцию, выделяяуглекислыйгаз и обеспечивая ощущение шипучести. Кроме того,fireworksпроизводители фейерверков изменяют площадь поверхности твердых реагентов, чтобы контролировать скорость окисления топлива в фейерверкахoxidised, используя это для создания разнообразных эффектов. Например, тонко разделеннаяалюминий, заключенный в оболочку, сильно взрывается. Если используются более крупные куски алюминия, реакция протекает медленнее, и видны искры, когда выбрасываются куски горящего металла.
Концентрация

Основная статья:Уравнение скорости

Реакции обусловлены столкновениями видов реагентов. Частота, с которой сталкиваются молекулы или ионы, зависит от ихконцентрации. Чем плотнее молекулы, тем больше вероятность того, что они столкнутся и вступят в реакцию друг с другом. Таким образом, увеличение концентраций реагентов обычно приведет к соответствующему увеличению скорости реакции, в то время как снижение концентраций обычно будет иметь обратный эффект. Например,горениебудет происходить быстрее в чистом кислороде, чем в воздухе (21% кислорода).

Уравнениескоростипоказывает подробную зависимость скорости реакции от концентраций реагентов и других присутствующих веществ. Математические формы зависят от механизмареакции. Фактическое уравнение скорости для данной реакции определяется экспериментально и предоставляет информацию о механизме реакции. Математическое выражение уравнения скорости часто задается

{\свойства стиль отображения значение в={\фрац {\mathrm {Д} т}{\mathrm {Д} т}}=к\прод _{я}когда{я}^{, если{я}}}здесь{\свойства стиль отображения значение К}являетсяконстанта скорости реакции,{\свойства стиль отображения значение когда{я}}- молярная концентрация реагентаяи{\свойства стиль отображения значение, если{я}} - частичный порядок реакции для данного реагента.

The Частичный порядокреагента может быть определен только экспериментально и часто не указывается егостехиометрическим коэффициентом.
Температура

Основная статья:Уравнение Аррениуса

Температураобычно оказывает существенное влияние наскорость химической реакции.

Молекулы при более высокой температуре обладают большейтепловой энергией. Хотя частота столкновений выше при более высоких температурах, одно это вносит лишь очень небольшую долю в увеличение скорости реакции. Гораздо более важным является тот факт, что доля молекул реагентов, обладающих достаточной энергией для реакции (энергия, превышающаяэнергию активации:E> >E_a), значительно выше и подробно объясняетсяраспределением молекулярных энергий по Максвеллу–Больцману.

Влияние температуры на константы скорости реакции, как правило, подчиняетсяуравнению Аррениуса{\свойства стиль отображения значение к=AE^{-у, {\РМ {а}}/(РТ)}} , где A -предэкспоненциальный множитель , или коэффициент, Е_Аявляется энергия активации, R-этомолярная газовая постояннаяи Т -абсолютная температура.^[7]

При данной температуре химическая скорость реакции зависит от значения коэффициента А, величины энергии активации и концентрации реагентов. Обычно быстрые реакции требуют относительно небольших энергий активации.

"Эмпирическое правило", согласно которому скорость химических реакций удваивается при каждом повышении температуры на 10 °C, является распространенным заблуждением. Это, возможно, было обобщено из частного случая биологических систем, гдеα(температурный коэффициент)часто составляет от 1,5 до 2,5.

Кинетику быстрых реакций можно изучить сtemperaturejumpпомощью метода скачка температуры. Это включает в себя использование резкого повышения температуры и наблюдение завременем релаксации привозвращении к равновесию. Особенно полезной формой устройства для скачка температуры являетсяударная труба, которая может быстро повысить температуру газа более чем на 1000 градусов.


Катализаторы

Основная статья:Катализ



Общая диаграмма потенциальной энергии, показывающая действие катализатора в гипотетической эндотермической химической реакции. Присутствие катализатора открывает новый путь реакции (показан красным цветом) с более низкой энергией активации. Конечный результат и общая термодинамика одинаковы.

A Катализатор- это вещество, которое изменяет скорость химической реакции, но после этого остаетсяхимическинеизменным. Катализатор увеличивает скорость реакции, обеспечивая новыймеханизм реакции с более низкой энергией активации. Вавтокатализепродукт реакции сам по себе является катализатором этой реакции, приводящей кположительной обратнойсвязи. Белки, которые действуют в качестве катализаторов биохимических реакций, называютсяферментами. Кинетика Михаэлиса–Ментена" КинетикаМихаэлиса–Ментена описываетскорость ферментативно-опосредованных реакций. Катализатор не влияет на положение равновесия, так как катализатор одинаково ускоряет обратную и прямую реакции.

В некоторых органических молекулах конкретные заместители могут влиять на скорость реакции вУчастие в соседней группе" участие groupparticipationв соседней группе.^{[требуется цитата]}
Давление

Увеличение давления в газовой реакции приведет к увеличению числа столкновений между реагентами, увеличивая скорость реакции. Это происходит потому, что активностьгаза прямо пропорциональна парциальному давлению газа. Это похоже на эффект увеличения концентрации раствора.

В дополнение к этому прямолинейному эффекту массовогодействия коэффициенты скорости

сами могут меняться под давлением. Коэффициенты скорости и продукты многих высокотемпературных газофазных реакций изменяются при добавлении в смесь инертного газа; изменения этого эффекта называютсявыпадениемихимической активацией. Эти явления обусловлены экзотермическими или эндотермическими реакциями, происходящими быстрее, чем перенос тепла, в результате чего реагирующие молекулы имеют нетепловое распределение энергии (небольцмановское распределение). Увеличение давления увеличивает скорость передачи тепла между реагирующими молекулами и остальной частью системы, уменьшая этот эффект.

На коэффициенты скорости конденсированной фазы также может влиять давление, хотя для измеримого эффекта требуется довольно высокое давление, поскольку ионы и молекулы не очень сжимаемы. Этот эффект часто изучают с помощьюалмазных наковален.

Кинетику реакции также можно изучить сpressurejumpпомощью подхода скачка давления. Это включает в себя быстрое изменение давления и наблюдение завременем релаксации привозвращении к равновесию.
Поглощение света

Энергия активации химической реакции может быть обеспечена, когда одна молекула реагента поглощает свет подходящейдлины волныи переходит ввозбужденное состояние. Изучение реакций, инициируемых светом, - этофотохимия, одним из ярких примеров которой являетсяфотосинтез.

Экспериментальные методы



Система кинетики реакций модели 260 с разделением по Спинко измеряла точные константы скорости молекулярных реакций.

Экспериментальное определениереакционных процессов включает измерение того, как концентрации реагентов или продуктов изменяются с течением времени. Например, концентрацию реагента можно измеритьспектрофотометрическимметодом на длине волны, при которой ни один другой реагент или продукт в системе не поглощает свет.

Для реакций, которые занимают не менее нескольких минут, можно начать наблюдения после того, как реагенты были смешаны при интересующей температуре.
Быстрая реакция

Для более быстрых реакций время, необходимое для смешивания реагентов и доведения их до заданной температуры, может быть сопоставимым или превышать периодполураспадареакции.^[8]Специальные методы для запуска быстрых реакций без стадии медленного перемешивания включают

StoppedflowМетоды остановленного потока, которые могут сократить время смешивания до порядка миллисекунды^[8][9][10] Методы с остановленным потоком имеют ограничения, например, нам необходимо учитывать время, необходимое для смешивания газов или растворов, и они не подходят, если период полураспада составляет менее одной сотой секунды.

ChemicalrelaxationМетоды химической релаксации, такие какскачок температурыискачок давления, при которых предварительно смешанная система, первоначально находящаяся в равновесии, возмущается быстрым нагревом или сбросом давления, так что она больше не находится в равновесии, и наблюдается возвращение релаксации к равновесию.^{[8][11][12][13]}Например, этот метод был использован для изучениянейтрализации H₃O⁺H3o+ + OH⁻ с периодом полураспада 1 мкс или менее в обычных условиях.^[8][13]

Вспышечный фотолиз, при котором лазерный импульс производит сильно возбужденные частицы, такие каксвободные радикалы, реакции которых затем изучаются.^{[10][14][15][16]}
Равновесие

В то время как химическая кинетика связана со скоростью химической реакции,термодинамикаопределяет степень протекания реакций. Вобратимой реакциихимическое равновесие достигается, когда скорости прямой и обратной реакций равны (принципдинамического равновесия) и концентрации реагентов и продуктов больше не изменяются. Это продемонстрировано, например, процессомХабера–Бодля объединения азота и водорода с получением аммиака. Химические часовыереакции, такие какРеакция Белоусова–Жаботинского" РеакцияБелоусова–Жаботинского демонстрирует, что концентрации компонентов могут колебаться в течение длительного времени, прежде чем окончательно достичь равновесия.

Свободная энергия

В общих чертах, изменениесвободной энергии (ΔG)реакции определяет, произойдет ли химическое изменение, но кинетика описывает, насколько быстро протекает реакция. Реакция может быть оченьэкзотермическойи иметь очень положительноеentropyизменение энтропии, но на практике этого не произойдет, если реакция будет слишком медленной. Если реагент может производить два продукта, то в целом образуется термодинамически наиболее стабильный продукт, за исключением особых обстоятельств, когда считается, что реакция находится подконтролем кинетической реакции. ПринципКертина–Хэмметтаприменяется при определении соотношения продуктов для двух быстро взаимодействующих реагентов, каждый из которых переходит в отдельный продукт. Из соотношений свободной энергии можно делать прогнозы относительно констант скорости реакции для реакцииfree-energyrelationships.

The Кинетический изотопный эффект-это разница в скорости химической реакции, когда атом в одном из реагентов заменяется одним из егоизотопов.

Химическая кинетика предоставляет информацию овремени пребыванияитеплопередачевхимическом реакторевхимической технологииираспределении молярной массывхимии полимеров. Он также предоставляет информацию вобласти коррозионной инженерии.
Приложения и модели

Математические модели, описывающие кинетику химических реакций, предоставляют химикам и инженерам-химикам инструменты для лучшего понимания и описания химических процессов, таких как разложение пищевых продуктов, рост микроорганизмов, разложение стратосферного озона и химия биологических систем. Эти модели также могут быть использованы при проектировании или модификации химических реакторов для оптимизации выхода продукта, более эффективного разделения продуктов и устранения вредных для окружающей среды побочных продуктов.Например, при проведении каталитического крекингатяжелых углеводородов в бензин и легкий газ можно использовать кинетические модели для определения температуры и давления, при которых произойдет наибольший выход тяжелых углеводородов в бензин.

Химическая кинетика часто проверяется и исследуется с помощью моделирования в специализированных пакетах в зависимости отрешения обыкновенных дифференциальных уравнений(решение ОДУ) иподгонки кривой.^[17]
Численные методы

В некоторых случаях уравнения неразрешимы аналитически, но могут быть решены численными методами, если заданы значения данных. Для этого есть два разных способа: либо с помощью программных программ, либо с помощью математических методов, таких как метод Эйлера. Примерами программного обеспечения для химической кинетики являются i) Tenua,Java-приложение, которое численно моделирует химические реакции и позволяет сравнивать результаты моделирования с реальными данными, ii)Pythonкодирование на Python для расчетов и оценок и iii) Kintecusпрограммный компилятор Kintecus для моделирования, регрессии, подгонки и оптимизации реакций.

-Численное интегрирование: для реакции 1-го порядка A - >B>

Дифференциальное уравнение реагента А имеет вид:

{\стиль отображения d[A]/dt=-k[A]\qquad \qquad }Это также может быть выражено следующим образом:

{\стиль отображения d[A]/dt=f(t,[A])\qquad \qquad}, который совпадает с{\стилем отображения y'=f(y,x)\qquad \qquad }

Для решения дифференциальных уравнений методами Эйлера и Рунге-Кутты нам нужны начальные значения.

Метод Эйлера→ простой, но неточный.

В любой точке{\стиль отображения y'=f(y,x)\qquad \qquad } совпадает с;

{\стиль отображения y'=dy/dx\qquad \qquad }

Мы можем аппроксимировать дифференциалы как дискретные увеличения:

{\стиль отображения y'=dy/dx\qquad \qquad }≃ ∆ y / ∆x = [y (x + ∆x)-y (x)]/∆x

Неизвестной частью уравнения является y(x+Δx), которую можно найти, если у нас есть данные начальных значений.

Методы Рунге-Кутты→ это более точно, чем метод Эйлера.

В этом методе требуется начальное условие: y=y0 при x=x0. Предложение состоит в том, чтобы найти значение y, когда x=x0 + h, где h-заданная константа.

Аналитически можно показать, что ординат в этот момент к кривой через (x0, y0) задается формулой Рунге-Кутты третьего порядка.

В одинарных уравнениях первого порядка метод Рунге-Кутты использует математическую модель, которая представляет взаимосвязь между температурой и скоростью реакции. Стоит рассчитать скорость реакции при разных температурах для разных концентраций. Полученное уравнение выглядит следующим образом: {\стиль отображения dr/dt=R/T+r\Дельта H^{\circ }/RT^{2}}

Стохастические методы→ вероятности дифференциальных законов скорости и кинетических констант.

В равновесной реакции с направленными и обратными константами скорости легче перейти от А к В, чем от В к А.

Что касается вероятностных вычислений, то каждый раз он выбирает случайное число для сравнения с пороговым значением, чтобы узнать, идет ли реакция от А до В или наоборот.

В некоторых случаях уравнения неразрешимы аналитически, но могут быть решены численными методами, если заданы значения данных. Для этого есть два разных способа: либо с помощью программных программ, либо с помощью математических методов, таких как метод Эйлера. Примерами программного обеспечения для химической кинетики являются i) Tenua,Java-приложение, которое численно моделирует химические реакции и позволяет сравнивать результаты моделирования с реальными данными, ii)Pythonкодирование на Python для расчетов и оценок и iii) Kintecusпрограммный компилятор Kintecus для моделирования, регрессии, подгонки и оптимизации реакций.

-Численное интегрирование: для реакции 1-го порядка A - >B>

Дифференциальное уравнение реагента А имеет вид:

{\стиль отображения d[A]/dt=-k[A]\qquad \qquad }

Это также может быть выражено следующим образом:

{\стиль отображения d[A]/dt=f(t,[A])\qquad \qquad} , который совпадает с{\стилем отображения y'=f(y,x)\qquad \qquad }

Для решения дифференциальных уравнений методами Эйлера и Рунге-Кутты нам нужны начальные значения.

Метод Эйлера→ простой, но неточный.

В любой точке{\стиль отображения y'=f(y,x)\qquad \qquad } совпадает с;

{\стиль отображения y'=dy/dx\qquad \qquad }

Мы можем аппроксимировать дифференциалы как дискретные увеличения:

{\стиль отображения y'=dy/dx\qquad \qquad } ≃ ∆ y / ∆x = [y (x + ∆x)-y (x)]/∆x

Неизвестной частью уравнения является y(x+Δx), которую можно найти, если у нас есть данные начальных значений.

Методы Рунге-Кутты→ это более точно, чем метод Эйлера.

В этом методе требуется начальное условие: y=y0 при x=x0. Предложение состоит в том, чтобы найти значение y, когда x=x0 + h, где h-заданная константа.

Аналитически можно показать, что ординат в этот момент к кривой через (x0, y0) задается формулой Рунге-Кутты третьего порядка.

В одинарных уравнениях первого порядка метод Рунге-Кутты использует математическую модель, которая представляет взаимосвязь между температурой и скоростью реакции. Стоит рассчитать скорость реакции при разных температурах для разных концентраций. Полученное уравнение выглядит следующим образом: {\стиль отображения dr/dt=R/T+r\Дельта H^{\circ }/RT^{2}}

Стохастические методы→ вероятности дифференциальных законов скорости и кинетических констант.

В равновесной реакции с направленными и обратными константами скорости легче перейти от А к В, чем от В к А.

Что касается вероятностных вычислений, то каждый раз он выбирает случайное число для сравнения с пороговым значением, чтобы узнать, идет ли реакция от А до В или наоборот.
Ссылки

^ C. М. Гульдберг и П. Вааге,"Исследования, касающиеся сродства"Для Хандлингера и i Виденскабса-Сельскабета и iХристиании(1864), 35

^ П. Вааге, "Эксперименты по определению закона сродства" ,Forhandlingeri Виденскабс-Сельскабет iи Христиания, (1864) 92.

^ C. М. Гульдберг, "О законах химического сродства",Форхандлингер и i Виденскабс-Сельскабет и iХристиания(1864) 111

^Хофф, Дж. Х. вант (Якобус Хенрикус вант); Коэн, Эрнст; Эван, Томас (1896-01-01).Исследования в области химической динамики. Амстердам : Ф. Мюллер; Лондон : Уильямс и Норгейт.

^Нобелевская премия по химии 1901года, Нобелевские премии и лауреаты, официальный сайт.

^ А. Н. Горбань, Г. С. ЯблонскийТри волны химической динамики,Математическое моделирование природных явлений10(5) (2015), стр. 1-5.

^Лэйдлер, К. Дж . Химическая кинетика(3-е изд., Харпер и Роу, 1987) стр. 42ISBN0-06-043862-2

^Перейдите по ссылке:^{abcdЛэйдлер}, К. Дж^ . Химическая кинетика(3-е изд., Харпер и Роу, 1987) стр. 33-39ISBN0-06-043862-2

^Эспенсон, Дж. Х.Химическая кинетика и механизмы реакции(2-е изд., McGraw-Hill 2002), стр. 254-256ISBN0-07-288362-6

^Перейти к:^abАткинс П. и де Пола Дж.,Физическая химия(8-е изд., У. Х. Фриман, 2006) стр. 793ISBN0-7167-8759-8

^Эспенсон, Дж. Х.Химическая кинетика и механизмы реакции(2-е изд., McGraw-Hill 2002), стр. 256-8ISBN0-07-288362-6

^Штайнфельд Дж. И., Франциско Дж. С. и Хазе У. Л. Химическая кинетика и динамика(2-е изд., Прентис-Холл, 1999) стр. 140-3ISBN0-13-737123-3

^Перейти к:^abАткинс П. и де Пола Дж.,Физическая химия(8-е изд., У. Х. Фриман, 2006) стр. 805-7ISBN0-7167-8759-8

^Лейдлер, К. Дж. Химическая кинетика(3-е изд., Харпер и Роу, 1987) стр. 359-360ISBN0-06-043862-2

^Эспенсон, Дж. Х.Химическая кинетика и механизмы реакции(2-е изд., McGraw-Hill 2002), стр. 264-6ISBN0-07-288362-6

^Штайнфельд Дж. И., Франциско Дж. С. и Хазе У. Л. Химическая кинетика и динамика(2-е изд., Прентис-Холл, 1999) стр. 94-97ISBN0-13-737123-3

^"Химическая кинетика: Простое связывание: F + G⇋B"(PDF). Цивилизованное программное обеспечение, Inc. Получено 2015-09-01.