Дифференциальные и интегральные уравнения реакций 0, 1, 2 порядков.

Лекция 7 Кинетика химических реакций. Основные понятия

Предмет химической кинетики и ее значение в фармации. Реакции изолированные и сложные, гомогенные и гетерогенные. Скорость реакции, методы ее измерения. Зависимость скорости реакции от различных факторов. Закон действующих масс. Молекулярность и порядок реакции. Уравнения кинетики реакций первого порядка и второго порядка. Период полупревращения. Определение порядка реакции.

Химическая кинетика- это учение о скоростях и механизмах химических реакций. В соответствии с этим определением целью исследования в химической кинетике является:

1) экспериментальное определение скорости реакции и установление её зависимости от таких параметров, как концентрация реагирующих веществ, температура, присутствие катализатора;

2) установление механизма реакции, то есть числа стадий, из которых она состоит, и природы образующихся на каждой из этих стадий промежуточных веществ.

Этим кинетика отличается от термодинамики, которая, не вдаваясь в механизм процесса, исследует влияние на него различных факторов и на этой основе делает вывод о принципиальной возможности или невозможности процесса, но ничего не говорит о его скорости.

Ни в одно уравнение термодинамики не входит время. Поэтому, получая с помощью термодинамических методов заключение о том, при каких условиях данная реакция пойдёт в нужном направлении, каковы будут при этом характеристики равновесия (и в первую очередь теоретический равновесный выход продуктов), исследователь не имеет никакой информации о времени, которое требуется для достижения равновесия.

Время протекания одних химических реакций может измеряться годами и даже тысячелетиями, других - при тех же условиях - минутами или секундами, третьих - долями секунды (реакции, идущие с «взрывной» скоростью). Выяснение того, какова будет скорость реакции при данных условиях и есть ли возможность влияния на эту скорость чрезвычайно важны для практических целей, как в лаборатории, так и в химическом и в фармацевтическом производстве. Если необходимые реакции, например, синтез лекарственного вещества, протекают слишком медленно, их стремятся ускорить. Если же нежелательные реакции, например, разложение лекарственных веществ, коррозия оборудования, инструментов и т. п., протекают слишком быстро, то их необходимо замедлять. Ускорение или замедление реакций может быть достигнуто различными спо­собами: изменением концентрации реагентов, изменением параметров реакции (температура, концентрация реагентов и др.), применением катализа­то­ров или ингибиторов, а также одновременным воздействием всех или некоторых из перечисленных факторов.

Знание провизором-технологом законов химической кинетики позволяет добиваться наиболее высокой производительности аппаратов при получении синтетических лекарственных веществ, а также установления и продления сроков годности лекарственных препаратов.

В биологии и медицине законы химической кинетики дают возможность проникнуть в мир биохимических реакций, идущих в живом организме, разобраться во всех тонкостях их протекания, как на тканевом, так и на клеточном уровне. Именно кинетические методы были использованы для выяснения деталей таких сложных процессов, как, например, биосинтез белка, цикл трикарбоновых кислот и многие другие.

Лекарственные вещества, введённые в организм, претерпевают в нём различные химические превращения, преобразуясь в результате метаболизма в соединения с различной фармакологической и биологической ролями. Проникновение лекарственных веществ в организм и их поведение в нём, а также выявление промежуточных продуктов, оказывающих фармакологический эффект, изучается специальными медицинскими дисциплинами - фармакологией, фармакокинетикой и фармакодинамикой, широко использующими кинетические методы исследования.

С точки зрения химической кинетики реакции могут быть классифицированы по таким признакам:

- по механизму различают реакции простые, в которых имеет место только одно превращение, и сложные. К сложным относятся параллельные, со­пряжённые, последовательные, цепные, обратимые реакции, т. е. такие, ме­ханизм которых включает более одной стадии и различные промежуточные вещества.

- по условиям протекания реакции подразделяются на гомогенные (когда все вещества, участвующие в реакции - и исходные, и продукты, - находятся в одном фазовом состоянии - в газовой фазе или в растворе) и гетерогенные (когда химическое превращение идёт на поверхности раздела различных фаз).

- по молекулярности ( или иначе,по числу молекул или других частиц - атомов, ионов, радикалов, - одновременно взаимодействующих друг с другом и подвергающихся химическому превращению в одном элементарном акте) простые реакции и стадии сложных реакций подразделяются на мономолекулярные, бимолекулярные и тримолекулярные.

В мономолекулярных превращению в элементарном акте подвергается одна молекула. Это значит, что мономолекулярными являются реакции разложения (например, H₂O₂ ®H₂O + O) или изомеризации. В бимолекулярных реакциях превращению в элементарном акте подвергаются две молекулы, например, C₂H₄ + H₂O ® C₂H₅OH. Большинство химических реакций или стадий являются бимолекулярными. В тримолекулярных реакциях в элементарном акте участвуют три молекулы, например, 2NO + Cl₂ ® 2NOCl. Тримолекулярные реакции встречаются очень редко. Все известные тримолекулярные реакции идут в газовой фазе с участием NO или CO.

Реакции более высокой молекулярности неизвестны.

- по порядку.

Порядком реакции по данному веществу называется показатель степени при концентрации этого вещества в кинетическом уравнении для данной реакции

v = k C ^a_A C ^b_B.

Например, реакция 2NO + О₂ ® 2NO₂, для которой

v = k С ²_NO C _O2,

является реакцией второго порядка по NO и рекцией первого порядка по O₂. Сумма показателей степени при концентрациях всех исходных веществ называется общим или суммарным порядком реакции. Как правило, его значение не превышает 3.

Различают реакции первого, второго, третьего, а также дробного и нулевого порядка.

Для простых реакций порядок - целочисленная величина, совпадающая с молекулярностью. Но, по большей части, порядок и молекулярность не совпадают друг с другом. Например, скорость бимолекулярной реакции инверсии сахарозы

С₁₂Н₂₂О₁₁ + Н₂О ® С₆Н₁₂О₆ + С₆Н₁₂О₆

сахароза глюкоза фруктоза

при достаточно высокой концентрации воды не зависит от концентрации Н₂О и уравнение закона действующих масс для неё должно быть записано так:

v = k С _{сахарозы}

Порядок её, как по сахарозе, так и суммарный, является первым. Эта реакция может быть названа псевдомономолекулярной или реакцией псевдопервого порядка.

Несовпадение порядка с молекулярностью наблюдается и в случае газофазных реакций, когда химическое превращение лимитируется физическим процессом передачи энергии от молекулы к молекуле при столкновении. Так, мономолекулярный распад ряда соединений при низком давлении является реакцией 2 порядка (псевдобимолекулярная реакция).

Для сложных реакций порядок может быть выражен дробным числом, что связано с различным порядком каждой отдельной стадии. Встречаются реакции, скорость которых не зависит от концентрации реагентов и постоянна во времени (например, реакции, идущие на границе соприкосновения двух несмешивающихся или ограниченно растворимых жидкостей). Такие реакции называются реакциями нулевого порядка.

Из сказанного следует, что порядок реакции не может быть предсказан по уравнению реакции, а в каждом отдельном случае должен определяться экспериментально по зависимости скорости реакции от концентрации данного вещества при постоянной концентрации всех остальных веществ.

Порядок реакции является одной из важнейших кинетических характеристик.

 

12Следующая ⇒

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: