title-icon
Яндекс.Метрика
» » Скорость гомогенных реакций

Скорость гомогенных реакций

К этому типу относятся реакции, протекающие в водных растворах или газах (в однородной среде). Например: NiSO4 + Na2CO3 = NiCO4 + Na2SO4 или 2SО2 + O2 = 2SО3.
В общем случае скорость химических реакций при постоянной температуре прямо пропорциональна концентрации участников реакции, взятых в степени, равной коэффициенту перед формулой данного вещества в уравнении реакции. В первом примере имеем коэффициенты, равные единице, и поэтому уравнение запишется просто: v1 = k1c1c2.
Во втором примере скорость реакции зависит уже от квадрата концентрации сернистого газа: v2 = k2с12с2.
В обоих случаях в уравнение входит коэффициент k — это константа скорости или скорость реакции в момент, когда концентрации участников равны единице. По числу участников принято определять реакции как одномолекулярные (мономолекулярные), двухмолекулярные (бимолекулярные), трехмолекулярные (тримолекулярные). Последние встречаются редко.
Реакции с участием более трех молекул неизвестны. Если по уравнению реакции в ней участвуют три или более молекул, то это значит, что она проходит по стадиям и уравнение отражает только конечный результат. Общая скорость реакции в этом случае определяется скоростью самой медленной стадии. Отсюда возникает понятие о порядке реакции (первого, второго, третьего), который определяется не молекулярностью, а уравнением скорости.
Скорость реакции рассчитывают по количеству израсходованного вещества в единицу времени (секунда для быстрых реакций, час и даже год для медленных) по формулам вида
Скорость гомогенных реакций

Таким образом, мы определим среднюю скорость за промежуток времени т2—т1. На самом деле скорость все время изменялась — уменьшалась, так как уменьшались концентрации, от которых она зависит. На рис. 5 показано соотношение истинной V и средней v скоростей. В момент t1+At (здесь At — прирост времени < t2-t1) истинная скорость больше средней, при подходе к моменту t2 истинная скорость меньше средней. Истинную скорость можно получить, если промежутки времени будут очень малы. He прибегая к методам высшей математики, мы можем найти истинную скорость, построив кривую, соответствующую ломаной линии из прямых отрезков и подобрав для нее уравнение.
Для реакций первого порядка получено следующее уравнение:

Здесь C0 — начальная концентрация при t = 0; х — уменьшение концентрации к моменту t; С — концентрация в момент t. Укажем на интересные особенности реакций 1-го порядка.
а. Так как левая часть уравнения представляет собой отношение концентраций, то получаем, что равные доли вещества реагируют за равные промежутки времени. Если у нас исходная концентрация была 100 г/л и за 20 мин реакция прошла на 20%, то и при исходной концентрации 10 г/л за 20 мин прореагирует 20%, так как отношения 80 : 100 и 8 : 10 равны. Однако для практики результат очень существенно отличается. В первом случае (С = 100 г/л) мы получим 20 г продукции, а во втором (С = 10 г/л) только 2 г. Следовательно, если это не вызывает других затруднений (рост потерь, замедление фильтрации, ухудшение разделения металлов) целесообразно работать с повышенными концентрациями. Это интенсифицирует процесс.

б. Время, необходимое для проведения реакции на 50%, известное под названием «период полураспада», находим следующим образом. lg (0,5С : С) = —0,4343Kt — постоянная величина для данной температуры и реакции. Вычисляя, получим lg 0,5 = —0,4343Kt или Kt = 0,693 и t = 0,093 : К. Определим теперь в общем виде отношение времени, затраченного на проведение реакции на 50%, к времени, необходимому для ее завершения на 99%: t1 = 0,693 : К; t2 = lg (0,01 : 0,5) : —0,4343 К, отсюда t2:t1 = 6.
Следовательно, на завершение реакции потребовалось в 6 раз больше времени, чем на получение того же количества продукции из более концентрированного раствора. Отсюда вытекает такой прием интенсификации производства, как оборачивание части раствора. Его применяют в металлургии алюминия, цинка и некоторых других случаях. Время для полного завершения реакций, как следует из выражения lg (С : C0) = —Kt, должно быть бесконечно большим.
в. Еще две особенности реакций 1-го порядка. Во-первых, величина константы не зависит от способа выражения концентрации, так как размерность концентрации сокращается. Размерность константы — 1/время. Во-вторых, на графике (рис. 6), в котором по вертикали отложено время, а по горизонтали — соответствующие lg С/С0, получается прямая с наклоном 2,3 : К. На рис. 6 tg а = 2,3 : К = (4300 : 0,97) = 4430 и К = 5,3*10в-5.

Для реакций второго порядка зависимость скорости реакции от концентрации в общем виде выражается уравнением v = KC2 или k (с0—с)2, где k — константа скорости, с0 — начальная концентрация и с — убыль концентрации к моменту t. Следовательно, в данном случае скорость процесса сильно зависит от концентрации, и если другие приемы ускорения хода реакции в применяемом процессе не удается использовать, то повышение концентрации будет эффективным средством интенсификации процесса. При этом наибольшая скорость достигается, когда концентрации реагирующих веществ равны или примерно равны, Типичная для такого случая зависимость выражается для любого момента времени уравнением kt = с : с0 (с0 — с).
Константа реакции второго порядка зависит от способа выражения концентрации. Еe размерность: объем/время*масса. Период полураспада у реакции второго порядка зависит от концентрации: t = 1 : с0k.

title-icon Подобные новости