[БЕЗ_ЗВУКА]
Почему же до сих
пор не все химические реакции ещё прошли?
Дело в том, что химические реакции протекают с различной скоростью.
Раздел физической химии, занимающийся изучением закономерности
протекания реакций во времени, называется химической кинетикой.
Довольно пордробно с этим разделом вы можете познакомиться в нашем курсе
физической химии от Новосибирского государственного университета.
А мы лишь рассмотрим основные понятия химической кинетики.
Итак, скорость химической реакции — это изменение числа частиц исходного
вещества или продукта реакции в единицу времени.
Реакции бывают гомогенными и гетерогенными.
Гомогенные реакции характеризуются отсутствием поверхности раздела между
реагентами, поэтому их взаимодействие протекает по всему объёму системы.
Скорость таких реакций определяется как изменение концентрации вещества в единицу
времени.
А вот гетерогенные реакции характеризуются наличием поверхности раздела между
реагентами, где и протекает их взаимодействие: это реакция, например,
между твёрдым веществом и газообразным или между газообразным и жидким.
В этом случае скорость химической реакции выражают как изменение числа молей
вещества на единицу поверхности в единицу времени.
Очень важным понятием для химической реакции является молекулярность.
Молекулярность — это число частиц, участвующих в элементарном акте реакции.
Химическая реакция протекает тогда, когда сталкиваются частицы реагирующих частиц.
Если сталкивается одна частица, то есть она сама с собой превращается,
то протекает мономолекулярная реакция.
Если сталкиваются две частицы, для того чтобы протекала химическая реакция,
то такая реакция будет бимолекулярной.
Если для протекания химической реакции необходимо столкновение трёх частиц,
то такая реакция называется тримолекулярной.
Столкновение более чем трёх частиц одновременно является невероятным
событием.
Поэтому тримолекулярные реакции — это последний, предельный случай,
когда они протекают, четырёхмолекулярных реакций не бывает.
Реакции, которые состоят из одинаковых элементарных актов превращения или
взаимодействия реагирующих частиц, называются простыми, или элементарными,
или одностадийными.
Для простых реакций химическое уравнение полностью отражает, какие частицы и в
каком соотношении непосредственно участвуют в элементарном акте реакции,
то есть в элементарном столкновении.
Например, в мономолекулярной реакции разложения йода участвует одна молекула
йода, при этом образуются два атома йода.
Или в реакции атома водорода с молекулой Cl₂, в результате которой образуются HCl и
атом хлора, уравнение полностью отражает то, как протекает эта химическая реакция.
Это означает, что такая реакция является бимолекулярной.
Для протекания реакции требуется столкновение двух частиц
— собственно атома водорода и молекулы хлора.
А может ли быть элементарной вот такая реакция?
Конечно же, нет.
Потому что, посмотрите, для её протекания необходимо столкновение 18 частиц.
Это означает, что это сложная реакция — реакция,
включающая несколько разных процессов, или стадий взаимодействия реагирующих частиц,
каждый из которых является простой,
или элементарной реакцией, мы будем называть сложными реакциями.
Для сложной реакции химическое уравнение не учитывает,
какие частицы и в каких соотношениях участвуют
в отдельных стадиях этой сложной реакции, и характеризует лишь процесс в целом.
То есть уравнение является суммарным, или общим уравнением.
К сложным реакциям мы также не можем применить такое понятие,
как молекулярность.
В этом случае можно говорить лишь о молекулярности отдельных стадий сложных
реакций.
С точки зрения маршрута, или механизма таких реакций, сложные реакции
бывают последовательными, когда вещество A превращается в вещество B, оно,
в свою очередь, превращается в вещество C, а то, в свою очередь, — в вещество D.
Бывают параллельные реакции, когда реагируют, например,
вещества A и B, превращаясь параллельно в C, D и E.
Это три разных реакции, они протекают в одной системе параллельно.
Или другой пример, вещество A может параллельно реагировать с веществом B или
D с образованием различных продуктов.
Это также параллельные реакции, протекающие в одной системе.
Бывают и более сложный случай последовательно‐параллельных реакций.
Например, вещество A в начале превращается в B и C, которые, в свою очередь,
параллельно превращаются в D и E.
Это случай последовательно‐параллельных процессов.
Реакции, в уравнении которых сумма стехиометрических коэффициентов,
относящихся к реагирующим веществам, не превышает трёх, также могут быть сложными.
Приведу пример: взаимодействие этилена, C₂H₄, с хлороводородом, HCl, с
образованием C₂H₅Cl — это сложная реакция, эта реакция протекает в три стадии.
Последовательность протекания химических реакций,
или описание маршрута называется механизмом химических реакций.
Механизмы — это очень важная информация о том, как протекает химическая реакция.
Зная механизм химической реакции, можно влиять на её скорость.
А от чего же зависит скорость химических реакций?
Скорость гомогенных химических реакций зависит от природы,
состава и вида частиц реагирующих веществ, концентрации веществ,
температуры, наличия катализатора или ингибитора.
А скорость гетерогенных химических реакций, кроме этого, зависит также и от
поверхности соприкосновения реагирующих веществ между собой или с катализатором.
Действительно, измельчение твёрдых веществ приводит к тому,
что они начинают вступать в химические реакции быстрее из‐за того,
что увеличивается поверхность соприкосновения.
Итак, вернёмся к другим факторам,
от которых зависит скорость химической реакции.
Скорость зависит от природы реагирующих веществ.
Реакции между молекулами обычно протекают сравнительно медленно, поскольку требуется
разрыв ковалентных химических связей, а вот между ионами или между радикалами,
то есть частицами, обладающими неспаренными электронами,
достаточно быстро, поскольку разрыв химических связей уже не требуется.
Скорость реакции зависит от концентрации реагирующих веществ.
Впервые этот закон был сформулирован в 1867 году Гульдбергом и Вааге,
это закон действующих масс.
Он гласит, что скорость химической реакции при постоянной температуре пропорциональна
произведению концентраций реагирующих веществ, возведённым в некоторые степени.
Эти степени для простых, элементарных реакций являются стехиометрическими
коэффициентами в уравнениях химической реакции,
а для сложных реакций их необходимо определить экспериментально.
Эти степени называются порядком реакции по реагентам.
А сумма этих степеней называется суммарным,
или общим порядком химической реакции.
Для элементарных реакций, как я уже отметил, порядки по реагентам равны
стехиометрическим коэффициентам, однако это не так для сложных реакций, Так,
например, разложение пентоксида азота, N₂O₅, несмотря на то,
что мы можем записать уравнение этой реакции и увидеть,
что перед N₂O₅ будет стоять коэффициент 2, всё‐таки не является бимолекулярной,
эта реакция протекает по уравнению первого порядка.
Зависит скорость химической реакции и от температуры.
При повышении температуры на каждые 10 градусов скорость реакции возрастает
примерно в 2–4 раза.
Это правило впервые было сформулировано первым
Нобелевским лауреатом по химии Вант‐Гоффом.
Однако, как впоследствии выяснилось,
оно не совсем точно работает для всех химических реакций.
Более точную зависимость сформулировал Аррениус.
Он сформулировал её, введя такое понятие, как «энергия активации» — это энергия,
которую необходимо сообщить системе, для того чтобы реагирующие вещества,
исходные вещества превратились в активированный комплекс,
который впоследствии уже превращается в продукты реакции.
Понятие об активированном комплексе позволило разработать основные положения
такой важной науки, как катализ.
Что же происходит при образовании активированного комплекса?
Вещества сближаются, и это состояние отвечает максимальной энергии,
которую необходимо сообщить системе, чтобы протекала химическая реакция.
Итак, уравнение Аррениуса выглядит, как k = k₀ * e в степени −E активации / RT.
Здесь k₀ — это предэкспоненциальный множитель,
который практически не зависит от температуры,
а вся зависимость от температуры находится в экспоненциальном множителе.
