Сущность метода квазистационарных концентраций

Термодинамика и кинетика сложных химических реакций. Фазовые превращения в двухкомпонентной системе "BaO-TiO2". Классификация химических реакций. Диаграммы состояния двухкомпонентных равновесных систем. Методы Вант Гоффа и подбора кинетического уравнения.
Краткое сожержание материала:

Размещено на

Содержание

Введение

1. Термодинамика и кинетика сложных химических реакций. Метод квазистационарных концентраций

1.1 Основные понятия химической кинетики

1.1.1 Определение порядка реакции

1.1.2 Метод изолирования Оствальда

1.1.3 Метод подбора кинетического уравнения

1.1.4 Графический метод

1.1.5 Метод Вант Гоффа

1.2 Классификация химических реакций

1.3 Сложные реакции

1.4 Метод квазистационарных концентраций

2. Фазовые превращения в двухкомпонентной системе «BaO-Ti»

2.1 Фазовое равновесие

2.2 Диаграммы состояния двухкомпонентных равновесных систем

2.3 Диаграмма состояния системы BaO-Ti

Заключение

Список использованной литературы



Введение

Химическая кинетика - наука о скоростях и механизмах химических реакций.

В отличие от термодинамики, химическая кинетика изучает протекание химических реакций во времени. Химическая кинетика решает следующие задачи, перечисленные в порядке сложности их решения:

1.Установление экспериментальным путем зависимости между скоростью химической реакции и условиями ее проведения, т. е. концентрацией реагентов и продуктов, концентрацией катализатора (если он есть в системе), температурой, давлением и т. д.

На основе этого дается количественное описание хода химической реакции во времени в виде математических формул, называемых кинетическими уравнениями. Знание этих уравнений позволяет оптимизировать химический процесс.

2. Установление механизма химической реакции, т. е. выяснение элементарных стадий, из которых она состоит, идентификация активных промежуточных частиц, ответственных за осуществление этих стадий. Знание механизмов позволяет сознательно управлять процессом.

3. Установление связи между строением химических соединений и их реакционной способностью. Знание такой связи позволяет предсказывать химические свойства веществ, целенаправленно искать новые химические реакции, новые вещества с ожидаемым комплексом свойств. Большая роль в решении этой задачи отводится теоретическим методам расчета констант скорости элементарных реакций и теоретическим методам расчета кинетики сложных реакций как совокупности элементарных реакций разных типов.

В сжатой форме эти три основные задачи химической кинетики можно сформулировать так: изучение химических превращений, предсказание их и управление ими [1].



1. Термодинамика и кинетика сложных химических реакций. Метод квазистационарных концентраций

1.1 Основные понятия химической кинетики

Химическая кинетика -- раздел физической химии, в котором изучаются закономерности протекания во времени химических реакций и их механизм [1].

Химическая кинетика - наука о скоростях и механизмах химических реакций [2].

Химическая кинетика как наука решает три основных вопроса:

• описание поведения системы при протекании химического превращения во времени (феноменологическая кинетика),

• расчет константы скорости и энергии активации простой реакции (теоретическая кинетика, химическая физика)

• описание поведения реагирующей системы в условиях тепло - и массопереноса (макрокинетика) [3].

Скорость химической реакции - это число актов превращения в единице объема в единицу времени [2].

Под скоростью реакции обычно понимают изменение количества вещества, вступающего в реакцию или образующегося в результате реакции, в единицу времени в единице объема:

где n -- число молей (или молекул).

Довольно часто скорость химической реакции пропорциональна произведению текущих концентраций реагирующих веществ, возведенных в некоторые степени [1]:

(1.1)

Множитель k в уравнении (1.1) называют константой скорости. Константа скорости численно равна скорости реакции при концентрации всех реагирующих веществ, равной единице; k не зависит от концентрации реагирующих веществ, но зависит от температуры [2].

Величины ,,… принято называть порядками реакции по веществам . Сумму порядков по всем реагирующим веществам называют общим порядком или просто порядком реакции и обозначают буквой n [1]:

Величину называют молекулярностью процесса [2].

Под понятием молекулярности реакции, будем понимать число молекул каждого из веществ, участвующих в превращении [4].

Понятие «порядок» и «молекулярность» имеют ряд отличий:

o молекулярность имеет вполне определенный физический смысл, а порядок- величина формальная;

o порядок может принимать любые значения, а молекулярность только три (1, 2, 3);

o понятие порядок используется для любых реакций, а молекулярность- только для элементарных актов превращений.

Время полупревращения (период полураспада) - промежуток времени, в течении которого реагирует половина взятого количества вещества [5].



1.1.1 Определение порядка реакции

Порядок реакции определяется зависимостью скорости реакции от концентрации каждого из исходных веществ в условиях постоянства температуры и может быть установлен экспериментально.

Порядок реакции определяют, используя опытные данные об изменении концентрации каждого из исходных веществ со временем. Если в реакции принимает участие несколько веществ, необходимо определить честные порядки по отношению к каждому из этих веществ. Для этой цели обычно используют метод избытка, называемый методом изолирования Оствальда.

1.1.2 Метод изолирования Оствальда

По методу Оствальда для определения порядка реакции в целом, сначала устанавливают порядок по каждому веществу, вступающему в реакцию. Реакцию проводят так, чтобы измерялась концентрация только одного вещества. Это достигается при большом избытке всех остальных веществ. Аналогично устанавливают порядок реакций по другим веществам, находят порядок реакции(суммарный), и составляют ее кинетической уравнение.

1.1.3 Метод подбора кинетического уравнения

Экспериментальные данные зависимости концентрации реагирующего вещества от времени подставляют в различные кинетические уравнения. Если рассчитанные значения константы скорости, например, по уравнению второго порядка, сохраняются постоянными, то порядок исследуемой реакции будет вторым.



1.1.4 Графический метод

Порядок реакции удобно определить графическим методом. Ниже приведена таблица с дифференциальными уравнениями скоростей реакций различных порядков и их решениями:

Таблица 1.1 - Дифференциальные уравнения скоростей реакций различных порядков и их решения

Порядок реакции	Уравнение скорости реакции (кинетическое уравнение)	Решение уравнения
1
2
3

Отложив на оси абсцисс время , а на оси ординат , для изучаемой реакции получают три линии.

Та из них, которая соответствует порядку данной реакции, будет прямой.

1.1.5 Метод Вант Гоффа

В этом методе используется форма кинетического уравнения:

Логарифмируя это уравнение при условии малой степени превращения, получаем:

Из уравнения следует, что между lgV и имеется линейная зависимость, причем тангенс угла наклона равен порядку реакции n.

Порядок реакции n может быть рассчитан на основании двух данных кинетических опытов с начальными концентрациями реагирующих веществ по уравнению [5]:

1.2 Классификация химических реакций

Простыми называются реакции, состоящие только из одной стадии. Сложными называются реакции, состоящие из двух и более стадий.

1. Реакции соединения. При реакциях соединения из нескольких реагирующих веществ относительно простого состава получается одно вещество более сложного состава:

A + B + C = D

2. Реакции разложения

Реакции разложения приводят к образованию нескольких соединений из одного сложного вещества:

А = В + С + D.

Продуктами разложения сложного вещества могут быть как простые, так и сложные вещества.

3. Реакции замещения

При реакциях замещения обычно простое вещество взаимодействует со сложным, образуя другое простое вещество и другое...