Основы химической кинетики. Формальная кинетика. Возможные варианты превращения н-бутана при высокой температуре

ОСНОВЫ ХИМИЧЕСКОЙ КИНЕТИКИ

1.  Формальная кинетика

Предметом химической кинетики являются основные закономерности протекания реакций во времени. Важнейшими характеристиками реакций являются скорость и механизм процесса. Последовательность элементарных стадий при превращении исходных реагентов в продукты называется механизмом реакции. Знание кинетики необходимо для описания механизма и разработки кинетической (математической) модели, наиболее полно описывающей суммарный процесс.

Следует отметить органичную связь кинетики и механизма реакции. Так, при детальном исследовании кинетики часто вскрывается истинный механизм реакции. Например, при исследовании кинетики синтеза метанола было установлено, что этот синтез на оксидных катализаторах протекает в результате гидрирования не монооксида углерода, а диоксида углерода с образованием воды. На этой основе были разработаны новые схемы синтеза с повышенной активностью и стабильностью катализатора.  При исследовании кинетики каталитического крекинга было установлено, что селективность по бензину существенно ухудшается при наличии никеля в катализаторе. Таким образом, очистка исходного сырья от органических соединений никеля позволила существенно улучшить селективность и стабильность каталитического крекинга.

Обычно в результате химической реакции происходит перегруппировка атомов, из которых состоят молекулы реагентов, без изменения природы самих атомов. Как правило, процессы, представляющие практический интерес, являются весьма сложными (рис. 1) Например, н-бутан при высокой температуре может изомеризоваться в изобутан, дегидрироваться в бутен и далее в бутадиен, крекироваться с образованием газов С₁-С₃, кокса и т.п.

смолы ¬ бутадиен¬ бутен  ¬ н-бутан  ®    изобутан

¯    ¯                 ¯¯

кокс          С₁-С₃    этан + этилен

Рис. 1. Возможные варианты превращения н-бутана при высокой температуре

Каждый из возможных вариантов превращения реагента называется маршрутом. В случае нескольких маршрутов вводится понятие селективности по продукту. В рассмотренном примере можно говорить о селективности по изобутану, бутену и др. продуктам.

1.1   Классификация химических реакций. Предмет кинетики

Как известно, химическая реакция это процесс превращения веществ, приводящий к изменению их состава (Н₂ + О₂ → Н₂О), структуры (н-пентан → изопентан) или заряда частиц (Fe³⁺ + Hg⁰→ Fe²⁺ +Hg⁺), без изменения природы атомов. В дальнейшем мы будем пользоваться следующей классификацией химических реакций. По направлению реакции подразделяют на необратимые, обратимые, последовательные и параллельные (аналогия с биллиардными шарами). В зависимости от числа молекул, реагирующих в элементарном акте, различают реакции мономолекулярные (например, крекинг, изомеризация), бимолекулярные (гидролиз) и тримолекулярные (гидрирование оксида азота). По условиям протекания реакции подразделяют на изотермические (Т – постоянна), изобарические (Р - постоянно), изохорические (при постоянном объеме), адиабатические, стационарные и с программируемой температурой или концентрацией. Два последних условия соответствуют нестационарным процессам, т.е. процессам в которых скорость реакции изменяется во времени. По фазовому состоянию различают гомогенные (протекают в одной фазе) и гетерогенные реакции (протекают в двух и более фазах). Наконец, все перечисленные реакции могут быть каталитическими или некаталитическими.

Таким образом, мы стоим перед проблемой, как описать различные химические реакции, для того чтобы организовать их оптимальное протекание: быстро и в нужном направлении (т.е. управление химическим процессом). Этот круг проблем относится к предмету кинетики.

1.2 Основные определения и постулаты кинетики

Теперь рассмотрим основные определения и постулаты кинетики. Определим элементарный акт химической реакции как превращение, которое происходит в течение времени, меньше, чем период между двумя столкновениями частиц. Это означает, что реагирующая система проходит через один