Реферат: Элементарное введение в химическую кинетику

Основных разделов современного курса физической химии для студентов-химиков чаще всего принято выделять строение вещества, включая квантовую химию и электронную теорию химической связи - теорию валентности, химическую термодинамику и химическую кинетику.

Строение вещества изучает физические принципы организации и превращений материи на уровне химических явлений. Общие законы взаимодействия микрочастиц изучает квантовая механика, а её раздел, изучающий свойства электронно-ядерных систем - атомов и молекул, называется квантовой химией. Помимо чистой теории взаимодействия частиц в неё вошла непрерывно расширяющаяся интернациональная библиотека современных алгоритмов и компьютерных программ расчёта электронного строения молекул - прежде всего на основе теории МО ЛКАО. В этом качестве она стала настолько неотделима от современной информатики и вычислительной техники, что получила название компьютерной химии.

Немыслимые ещё совсем недавно возможности, предоставляемые современными электронными средствами коммуникации, в первую очередь сетью ИНТЕРНЕТ, породили иллюзию общедоступности электронно-вычислительной “виртуальной химии” (якобы для любого пользователя). Однако как только такой исследователь получает в руки огромные массивы численных результатов квантово-химического расчёта электронно-ядерной структуры молекулы, он нередко чувствует себя весьма неуютно. Выясняется, что настоящие проблемы лишь начинаются. Для корректной научной интерпретации полученной теоретической информации далее требуется разносторонняя подготовка, сочетающая строгие количественные методы теоретической физики с преимущественно качественными, специфическими образами химии.

Химическая термодинамика изучает общие условия установления термодинамического равновесия в системе реагирующих веществ. В феноменологической термодинамике превращения материи рассматриваются на основе формального анализа макроскопических параметров, энергии, энтропии и различных функций состояния, построенных на их основе. В статистической термодинамике макроскопические характеристики и термодинамические функции состояния вещества выводятся непосредственно из свойств микромеханических движений атомно-молекулярных структур. Обе теории неразрывно связаны и взаимно дополняют друг друга.

Химическая кинетика изучает закономерности химических превращений веществ во времени уже непосредственно в процессе перехода реагирующей системы к термодинамическому равновесию, исследуя скорости образования продуктов и исчезновения реагентов в системе, а также механизмы элементарных актов. Изучая химическую реакцию на уровне взаимодействия отдельных частиц, она превращается в химическую физику.

Вообще же говоря, все эти деления и границы наук весьма условны.

Основы формальной кинетики. Понятия и определения.

Вещества - участники реакции подразделяют на реагенты и продукты.

В любой момент времени они строго связаны материальным балансом.

Цель кинетического описания химической реакции состоит в количественном прогнозе концентраций всех реагентов и продуктов в любой момент времени от начала превращения до установления равновесия в системе. Основа материального баланса - стехиометрическое уравнение.

Ему строго подчиняются все приращения количеств реагентов и продуктов, и на его основе определяется материальный баланс веществ на любой глубине превращения. Количества веществ принято измерять в молях (ni). При необходимости через них выражают иные массовые характеристики системы.

2) Материальный баланс реагентов и продуктов на любой глубине превращения учитывается в виде термодинамической координаты реакции (синонимы: степень завершённости, глубина превращения - по IUPAC):

(1.1)

3) Через координату реакции z вводятся понятия скорости реакции v или r (от англ. rate). Принято различать:

скорость реакции в реакционной системе v,

скорость реакции, отнесённую к единице объёма реакционной системы Отсюда вытекают некоторые важные определения.

4) Скорость химической реакции в исследуемой системе это первая производная координаты реакции по времени

. (1.2)

5) При изменении объёма реакционной системы эта формула обретает вид:

. (1.3)

6) Скорость химической реакции, отнесённая к единице объёма, - переменная уже более универсальная. Обычно её и называют скоростью реакции:

. (1.4)

7) Скорость реакции, отнесённую к единице объёма, можно представить также в виде:

. (1.5)

8) Скорость реакции, протекающей в статическом реакторе (), удобно выразить через мольные концентрации (ci), и формула (1.3) принимает вид:

. (1.6)

9) Типичные концентрационные функции исчерпания продукта и накопления реагента (кинетические кривые) имеют вид монотонно изменяющихся зависимостей, которые асимптотически приближаются к некоторому определённому пределу. Содержание каждого реагента в системе уменьшается, и содержание каждого продукта увеличивается. В статическом реакторе это выражается в том, что с течением времени концентрации реагентов увеличиваются, а концентрации продуктов уменьшаются. Графики кривых расходования и накопления приводятся на рис.1.

10) При протекании некоторых сложных реакций концентрации отдельных веществ-участников реакции могут изменяться и более сложным образом, в том числе и с признаками периодических изменений системы во времени, например, так, как показано на рисунке справа. Кинетика таких процессов является результатом наложения нескольких простых стадий.

Кривая

расходования Кривая

--> ЧИТАТЬ ПОЛНОСТЬЮ <--