Студопедия  
Главная страница | Контакты | Случайная страница

АвтомобилиАстрономияБиологияГеографияДом и садДругие языкиДругоеИнформатика
ИсторияКультураЛитератураЛогикаМатематикаМедицинаМеталлургияМеханика
ОбразованиеОхрана трудаПедагогикаПолитикаПравоПсихологияРелигияРиторика
СоциологияСпортСтроительствоТехнологияТуризмФизикаФилософияФинансы
ХимияЧерчениеЭкологияЭкономикаЭлектроника

Механизм химической реакции. Простые и сложные реакции.

Читайте также:
  1. II. Механизм формирования общественного мнения.
  2. III. Механизм развития эпидемического процесса.
  3. IV. Сложные силлогизмы, или полисиллогизмы
  4. VI. МЕХАНИЗМЫ РЕАЛИЗАЦИИ ОСНОВ
  5. VI. МЕХАНИЗМЫ РЕАЛИЗАЦИИ ОСНОВ
  6. VI. МЕХАНИЗМЫ РЕАЛИЗАЦИИ ОСНОВ
  7. VII. МЕХАНИЗМЫ РЕАЛИЗАЦИИ ОСНОВ
  8. А. использование механизмов организованного принуждения
  9. Адаптация. Ее роль в норме и патологии. Общие принципы и механизмы адаптации.
  10. Алкогольное поражение сердца: механизмы развития и основные проявления.

В химической реакции не всегда происходит непосредственное превращение исходных молекул в молекулы продуктов реакции. В боль­шинстве случаев реакция протекает в несколько стадий. Сово­купность стадий, из которых состоит химическая реакция, назы­вают механизмом химической реакции. При изучении химических превращений в первую очередь следует устанавливать механизм химической реакции, поскольку именно он обусловливает кон­кретный вид кинетического уравнения.

Стехиометрическое уравнение химической реакции, как известно, показывает, в каких количественных соотношениях вещества всту­пают во взаимодействие. Однако фактически реакция редко проте­кает по схеме, описываемой стехиометрическим уравнением. Напри­мер, реакция взаимодействия водорода и брома записывается стехио­метрическим уравнением:

Н2 +Br2 = 2HBr (8.19)

В действительности же реакция протекает по более сложной схе­ме:

Br2 = 2 Br

Br + Н2 = HBr + Н

Н + Br2 = HBr + Br (8.20)

Н + HBr = Н2 + Br

2 Br = Br2

Таким образом, стехиометрическое уравнение (8.19) отражает суммарный эффект ряда реакций (8.20). Следовательно, о меха­низме реакции нельзя судить только по ее стехиометрическому урав­нению. Практически механизм реакции устанавливается опытным путем. С этой целью формулируют наиболее вероятные гипотезы механизма изучаемой реакции и выбирают ту из них, которая лучше всего соответствует опытным данным, полученным для указанной реакции.

Наиболее простым является механизм реакции, которая протека­ет в одну стадию. Химические реакции, протекающие в одну стадию, т. е. осуществляющиеся путем прямого перехода реагирующих ча­стиц в продукты реакции, называются элементарными реакциями. Каждая элементарная реакция складывается из большого числа одинаковых повторяющихся превращений исходных частиц – эле­ментарных актов химического превращения. Реакции, в элемен­тарном акте которых участвуют одна, две или три частицы, назы­ваются соответственно мономолекулярными, бимолекулярными и тримолекулярными. Реакции более высокой молекулярности практически не встречаются.

Для элементарных реакций стехиометрические уравнения всег­да выражают истинный механизм химического превращения и, следовательно, определяют кинетические уравнения в виде степен­ной зависимости. Для элементарных реакций порядок реакции и ее молекулярность совпадают.

При отсутствии прямой связи между стехиометрическими и кинетическими уравнениями реакции являются неэлементарными, их стехиометрические уравнения не отвечают истинному механизму химического превращения. Примером неэлементарной реакции служит взаимодействие водорода и брома. По виду стехиометрического урав­нения (8.19) такую реакцию можно было бы считать элементарной, но ее стехиометрическое уравнение не описывает истинный меха­низм реакции, о чем свидетельствует экспериментально установлен­ное для этого превращения следующее кинетическое уравнение:

(8.21)

где: k1 и k2 – константы скоростей элементарных реакций, охваты­вающие все пять элементарных стадий. Очевидно, уравнение (8.21), которое достаточно точно описывает опытные данные, нельзя полу­чить непосредственным применением закона действующих масс к стехиометрическому уравнению реакции (8.19). В рассмотренной реакции, как и во всех других одностадийных неэлементарных реакциях стехиомет­рическое уравнение отражает суммарный эффект ряда элементарных реакций.

По количеству стехиометрических уравнений, необходимых для описания химического превращения, различают простые и сложные реакции. Если одного стехиометрического уравнения достаточно, чтобы описать протекание данной реакции, то ее относят к простым реакциям. Если же для описания наблюдаемого течения реакции необходимо несколько стехиометрических и кинетических уравне­ний, то ее относят к сложным реакциям. Сложные реакции разделя­ют на последовательные, параллельные и смешанные.

Приведем примеры простых элементарных реакций и соответ­ствующие им кинетические уравнения:

 

Большинство химических реакций являются сложными, т. е. такими, которые протекают в несколько стадий и при этом могут иметь прямое и обратное направления. Составление кинетических уравнений сложных процессов основано на независимом протека­нии элементарных реакций. Согласно этому принципу, величина константы скорости химической реакции не зависит от того, протекают ли в данной системе одновременно и другие элементарные реакции.

В сложном химическом процессе одно и то же вещество может принимать участие в качестве исходного или конечного компонента на различных стадиях. Поэтому при составлении кинетических урав­нений сложной реакции ее представляют состоящей из нескольких независимо протекающих элементарных реакций и для описания каждой из них используют кинетические закономерности элементар­ного акта химического превращения.

Полное изменение концентрации i -го компонента сложной ре­акции будет алгебраической суммой скоростей его образования или расходования на всех элементарных стадиях, где участвует в реак­ции этот компонент. Сложные реакции математически описыва­ются системами дифференциальных кинетических уравнений, коли­чество которых определяется числом реагирующих веществ. При­ведем примеры сложных химических реакций и соответствующие им кинетические уравнения:

последовательная реакция

параллельная реакция

смешанная реакция

Здесь k1, k2, k3 – константы скорости реакции соответствующих стадий.

Аналитическое решение кинетических уравнений даже простых реакций требует громоздких вычислений, а в ряде случаев вообще невозможно. В литературе приводятся точные решения кинетических уравнений некоторых сложных реакций, стехиометрические коэф­фициенты которых равны единице (см. таблицу 8.1). Для сложных реакций, описываемых системами кинетических дифференциальных уравне­ний (как правило, нелинейных), найти решение аналитическим спо­собом крайне затруднительно.

При изучении реакций, кинетические уравнения которых не поддаются аналитическому решению, исследователи вынуждены бы­ли применять методы приближенного численного интегрирования. Однако эти методы громоздки и требуют большого объема вычи­слительной работы. По указанным причинам нередко приходилось вообще отказываться от аналитического решения задачи и поль­зоваться лишь эмпирическими данными.

В настоящее время при изучении кинетики химических реакций (особенно сложных) используют компьютеры и современное программное обеспечение, которые позволяют получать решения кинетических уравнений путем моделирования про­цесса химического превращения. Созданы современные методики планирования эксперимента, позволяющие сократить количество трудоемких и длительных экспериментов, что значитель­но облегчает и ускоряет работу исследователя. Но главное преимущество состоит в том, что на ЭВМ можно решать и те задачи, для которых точное аналитическое решение невозможно, а приближенное слиш­ком трудоемко, и связано с большими затратами времени.

Таблица 8.1.




Дата добавления: 2014-12-15; просмотров: 59 | Поможем написать вашу работу | Нарушение авторских прав




lektsii.net - Лекции.Нет - 2014-2024 год. (0.008 сек.) Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав