Кинетика гомогенных химических реакций

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

Методические указания

Ф ТПУ 7.1-21/01

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

УТВЕРЖДАЮ:

Декан факультета______ ХТФ ____

__________________Погребенков В.М.

«____»__________ 2007

МОДЕЛИРОВАНИЕ КИНЕТИКИ ГОМОГЕННЫХ ХИМИЧЕСКИХ РЕАКЦИЙ

Методические указания к выполнению лабораторной работы по дисциплине «Применение ЭВМ в химической технологии» для студентов направления 240100 химико-технологического факультета

Томск 2007

УДК 681.5

«Моделирование кинетики гомогенных химических реакций».

Составитель: О.Е.Мойзес

Рецензент, к.х.н. Н.В.Ушева

Методические указания рассмотрены и рекомендованы методическим семинаром кафедры химической технологии топлива

" ___ " __________2007 года

Зав.кафедрой А.В. Кравцов

Цель работы

1. Ознакомиться с методами построения кинетических моделей гомогенных химических реакций.

2. Построить кинетическую модель заданной химической реакции.

3. Рассчитать изменение концентраций в ходе химической реакции.

4. Исследовать влияние температуры на выход продуктов и степень превращения.

5. Дать рекомендации по условиям проведения реакций с целью получения максимального выхода целевых продуктов.

Кинетика гомогенных химических реакций

Скорость химической реакции есть изменение числа молей реагентов в результате химического взаимодействия в единицу времени в единице объема (для гомогенных реакций) или на единице поверхности (для гетерогенных процессов) [2]:

(1)

где W - скорость химической реакции, ;

V-объем, м³;

N- число молей;

t- время, с.

Согласно уравнению (1), вводя концентрацию , получим

(2)

где С- концентрация, моль/м³,

или

(3)

Для реакций, идущих при постоянном объеме, второе слагаемое в уравнении (3) равно нулю и, следовательно,

(4)

Одним из основных законов химической кинетики, определяющим количественные закономерности скоростей элементарных реакций, является закон действующих масс.

Согласно кинетическому закону действующих масс скорость элементарной реакции при заданной температуре пропорциональна произведению концентраций реагирующих веществ в степени, показывающей число вступающих во взаимодействие частиц (стехиометрических коэффициентов) [1,2]:

, (5)

где W- скорость химической реакции; - константа скорости;

- концентрации исходных веществ; -стехиометрические коэффициенты в уравнении химической реакции.

Уравнение (5) справедливо для элементарных реакций. Для сложных реакций показатели степени в уравнении (5) называются порядками реакции и могут принимать не только целочисленные значения.

Константа скорости химической реакции является функцией температуры, и зависимость от температуры выражается законом Аррениуса:

, (6)

где - предэкспоненциальный множитель; E - энергия активации, ;

Т – температура, К; R - газовая постоянная, .

Константы скорости реакций различного порядка имеют разную размерность. Константа скорости реакций первого порядка (мономолекулярных) имеет размерность с^-1, константа скорости второго порядка (бимолекулярных) – л/(моль*с).

На основании уравнений (4) и (5) можно записать:

= (6а)

Уравнение, отражающее изменение концентрации какого-либо вещества во времени в ходе химического превращения называется кинетическим уравнением.

Кинетические уравнения связывают скорость реакции с параметрами, от которых она зависит. Наиболее важными из этих параметров являются концентрация, температура, давление, активность катализатора.

Рассмотрим гомогенную реакцию,

, (7)

где n_A, n_B, n_C, n_D -стехиометрические коэффициенты.

Согласно закону действующих масс (5) скорость этой реакции запишется следующим образом:

(8)

Между скоростями реакции по отдельным компонентам (обозначим их W_A, W_B, W_C, W_D) и общей скоростью реакции W существует зависимость

. (9)

Отсюда вытекают следующие выражения:

;

(10)

.

Чтобы применить закон действующих масс для сложной химической реакции, необходимо представить ее в виде элементарных стадий и применить этот закон к каждой стадии отдельно.