Что такое химическая кинетика?
Следует отметить, что химическая кинетика и термодинамика – связанные вещи. Кинетика определяет скорость реакции, а термодинамика – направление реакции.
Бывают случаи, когда химические вещества находятся в термодинамическом равновесии и реакции не происходит – даже если кинетика указывает на то, что пути протекания реакций существуют.
Что такое свободная энергия Гиббса или химическая потенциальная энергия?
Всё в природе обладает потенциальной энергией. Когда тело падает, его гравитационная потенциальная энергия преобразуется в кинетическую энергию.
Точно так же происходит и в химии. Свободная энергия Гиббса, также известная как химическая потенциальная энергия, указывает на то, превратятся ли одни химические соединения в другие.
Каждая химическая смесь имеет различную свободную энергию Гиббса в зависимости от ее температуры, давления и состава. Знание потенциальной энергии для каждого компонента в химической реакции позволяет инженерам определить, будут ли они реагировать и как.
Если потенциальная энергия продуктов больше, чем реагентов, то существует барьер для протекания этой реакции. Если потенциальная энергия продуктов меньше, чем реагентов, то реакция произойдет.
Точно так же, как яблоко падает с дерева на землю, так и химия хочет переместить реакцию в точку, минимизирующую потенциальную энергию.
Поэтому, когда инженеру необходимо «подтолкнуть» равновесную реакцию к получению определенного продукта, ему необходимо произвести манипуляции с химическим потенциалом смеси, изменяя ее температуру, внешнее давление и концентрацию компонентов.
Что такое закон скорости и как он соотносится с порядком реакции?
Законы скорости и порядки реакции описывают элементарные химические реакции.
Обратимые реакции могут происходить так:
- Одна молекула распадается на новые компоненты.
- Две молекулы/атомы соединяются, образуя новые соединения.
- Две молекулы/атомы соединяются под влиянием третьего компонента, образуя новые соединения.
Мономолекулярные реакции, в которых молекула распадается, имеют порядок реакции, равный единице. Реакции, требующие соединения двух молекул/атомов, имеют порядок, равный двум, и так далее.
Для неэлементарных реакций порядок реакции может быть определен эмпирически.
zA + yB + … + aZ = Продукты реакции
Скорость = k ∙ [A]z ∙ [B]y ∙ … ∙ [Z]a
Скорость зависит от константы (k), концентрации реагентов ([A], [B] и [Z]) и порядка реакции (z, y и a). Значение k может быть определено путем определенных вычислений или эмпирически.
К счастью, инженеры могут определить скорость неизвестных реакций на основе значений скорости для уже известных реакций. Таким образом, изучая и классифицируя элементарные реакции, ученые разработали правила скорости для оценки других реакций.
Также существуют факторы, которые могут повлиять на скорость реакции:
- Температура.
- Давление.
- Свет (для фотолитических реакций).
- Электромагнитные поля (для плазменных или электрохимических реакций).
- Состояние химического вещества: твердое, жидкое или газообразное.
- Присутствие катализаторов.
- Молекулярный размер и структура.
- Площадь контактных поверхностей.
- Размер частиц.
Что такое неэлементарные реакции?
Часто учебники по химии определяют глобальную реакцию так же, как и элементарные реакции:
zA + yB + … + aZ = Продукты реакции
В действительности эта реакция может иметь тысячи промежуточных реакций, протекающих поэтапно. Общая реакция – когда все элементарные реакции идут к завершению – может быть затем упрощена до компонентов A, B, C, D и далее.
Некоторые из этих реакций могут не зависеть от давления или температуры. Другие могут быть довольно сложными, требующими трех или более соединений, прежде чем они вступят в реакцию. Третьи могут быть ускорены путем введения катализатора, чтобы заставить систему предпочесть определенные пути реакции.
Тем не менее, каждая из этих промежуточных реакций может по-разному влиять на скорость общей реакции. Однако, когда у вас есть сотни соединений и тысячи реакций, процесс становится слишком сложен для оценки и управления.
Традиционно инженеры были вынуждены определять скорость сложных реакций экспериментально. Однако, в наши дни можно легко использовать численное моделирование для их изучения, чтобы найти оптимальную температуру, технологию процесса или давление, а также сдвинуть систему в сторону.
В каких случаях необходимо уделять повышенное внимание химической кинетике и термодинамике процессов?
Давайте рассмотрим реальный пример – сокращение вредных выбросов двигателя.
Преобразование топлива в углекислый газ, воду и прочие составляющие происходит каждый день. Однако, нельзя игнорировать парниковые и вредные эффекты конечных продуктов реакции.
Моделируя процесс с учетом кинетики и термодинамики химических реакций, инженеры могут контролировать, как горит топливо, чтобы уменьшить выброс определенных загрязняющих веществ.
Главная задача — контролировать температуру, давление и воздушные смеси в двигателе так, чтобы доминировали процессы, которые вырабатывают больше энергии с наименьшим количеством загрязняющих веществ.
Проблема заключается в том, что бензин не является монолитным химическим соединением. Это многокомпонентная смесь, состав которой может варьироваться в концентрациях в зависимости от местоположения, сезона и производственных процессов. Поэтому инженерам нужно спроектировать двигатель, чтобы он работал на самых разных видах топлива.
В процессе сгорания топлива в камере сгорания двигателя задействованы тысячи реакций. Поэтому лучший способ оценки уровня вредных выбросов – использование численного моделирования.