Химическая кинетика или кинетика химических реакций – радел физической химии, изучающий закономерности протекания химических реакций во времени, зависимости этих закономерностей от внешних условий, а также механизмы химических превращений. Иными словами, химическая кинетика занимается определением скоростей химических реакций и изучением их механизма. Изучение химической кинетики позволяет предсказывать и контролировать скорость химических реакций, что имеет большое значение в промышленности, медицине и других областях. Скорость химической реакции – это число элементарных актов химической реакции, происходящих в единицу времени в единице объема (для гомогенных реакций) или на единице поверхности (для гетерогенных реакций). Скорость реакции зависит от природы реагирующих веществ, температуры, концентрации, среды, в которой протекает реакция, от присутствия катализатора и его концентрации. Под порядком химической реакции понимают показатель степени концентрации компонента, участвующего в реакции, в кинетическом уравнении для скорости химической реакции. Существует частный порядок реакции по данному веществу, и существует общий порядок реакции, представляющий собой сумму частных порядков реакции. Так как скорость реакции в каждый момент времени при постоянной температуре пропорциональна произведению концентраций реагирующих веществ в некоторых степенях, то для реакции следующего вида скорость можно выразить в виде следующего уравнения: где k - константа скорости химической реакции; , - частные порядки реакции по компонентам A и B соответственно. Сумма показателей степени - общий порядок реакции. Порядок реакции по компонентам может быть как целым, так и дробным, как положительными, так и отрицательными, что объясняется сложным механизмом протекания реакции. Если реакция является элементарной, т. е. протекает в одну стадию, механизм которой соответствует уравнению реакции, то величины и совпадают со стехиометрическими коэффициентами. Для характеристики элементарных реакций используют понятие молекулярности. Молекулярностью химической реакции называется число молекул, участвующих в элементарном акте химической реакции. По числу молекул, принимающих участие в элементарном акте, различают мономолекулярные, бимолекулярные и тримолекулярные реакции. Четырехмолекулярные реакции встречаются очень редко. Молекулярность и порядок реакции применяются при анализе механизма химической реакции. Для элементарной реакции (или стадии) первого порядка скорость равна, а также пропорциональна концентрации в первой степени: Приравняем правые части этих уравнений: Разделив переменные в уравнении (5), получим Интегрирование выражения (6) дает: Тогда для концентрации реагирующего вещества в любой момент времени получим: Это уравнение показывает, что убыль концентрации в процессе происходит не линейно, а по экспоненте (рис.1). Рисунок 1. Изменение концентрации исходного вещества от времени в реакции первого порядка Определив экспериментально величины концентрации и времени, можно рассчитать константу скорости данной реакции: Константа скорости реакции первого порядка имеет размерность t-1, т.е. 1/с и не зависит от единиц измерения концентрации. Она показывает долю, которую составляют молекулы, вступившие в реакцию за единицу времени, от общего числа молекул реагента в системе. Таким образом, в реакциях первого порядка за одинаковые промежутки времени расходуются одинаковы доли взятого количества исходного вещества. концентрация реагирующего вещества убывает со временем. При подстановке в уравнения (9) и (10) получаем выражение периода полураспада : Из соотношения (11) следует, что время полураспада не зависит от количества исходного вещества и обратно пропорционально константе скорости реакции. Определение скорости химических реакций первого порядка с помощью метода наименьших квадратов может быть выполнено следующим образом: Предположим, у нас есть экспериментальные данные о концентрациях реагента с течением времени. Для удобства, обозначим концентрацию реагента как [A] и время как t. Скорость химической реакции первого порядка может быть представлена как: где v - скорость реакции, k - скоростная константа, [A] - концентрация реагента. Теперь, чтобы определить скоростную константу k с использованием метода наименьших квадратов, мы можем построить график логарифма концентрации реагента [A] в зависимости от времени t: где [A]₀ - начальная концентрация реагента. Поскольку у нас есть различные значения [A] и соответствующие им значения t, мы можем подставить их в эту уравнение и воспользоваться методом наименьших квадратов для нахождения наилучшей прямой, которая минимизирует сумму квадратов расстояний между экспериментальными данными и этой прямой. Далее, можно рассчитать значение скоростной константы k из углового коэффициента этой прямой. Примерное определение скорости химической реакции первого порядка с использованием метода наименьших квадратов представляется следующим образом: 1. Проведение эксперимента, измерение концентрации реагента в зависимости от времени для различных начальных концентраций реагента. 2. Построение графика ln([A]) в зависимости от времени t, где [A] - концентрация реагента и t - время. 3. Использование метода наименьших квадратов для поиска наилучшей прямой, которая минимизирует сумму квадратов расстояний между экспериментальными данными и этой прямой. 4. Расчёты значения скоростной константы k из углового коэффициента этой прямой. Таким образом, определение скорости химической реакции первого порядка с помощью метода наименьших квадратов предполагает анализ экспериментальных данных и построение графика, а затем для определения скоростной константы k. Пожалуйста, не забудьте правильно оформить цитату: Кидяева А.С., Соколова А.И., Кулиш Н.В. ИЗУЧЕНИЕ СКОРОСТИ ХИМИЧЕСКИХ РЕАКЦИЙ ПЕРВОГО ПОРЯДКА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ МАТЕМАТИЧЕСКИХ МЕТОДОВ // Студенческий: электрон. научн. журн. 2024. № 1(255). URL: https://sibac.info/journal/student/255/315036 (дата обращения: 29.01.2024).
