Кинетический подход

Химическая кинетикаизучает скорость химических реакций и условия, при которых эти реакции происходят. Химическая кинетика стала развиваться в конце 19 века, а наивысшее развитие получила с развитием квантовой механики и атомной физики в 50–60-е годы. Она оказала решающее влияние на развитие химии, в том числе химии катализа, биохимии и т.д. Это одно из самых перспективных и основных направлений развития современной химии.

Наибольшее число нобелевских премий по химии у тех, кто работает в области химической кинетики.

Энергетика химических реакций позволяет узнать, возможна ли принципиально реакция, но она ничего не говорит о скорости ее протекания. Скорость одной и той же реакции может быть различна. Например, окисление сахара, находящегося в мешке в сухой комнате происходит медленно, но тот же сахар в организме за несколько часов окисляется до конечных продуктов.

Скоростью химической реакцииназывается изменение количества вещества в единицу времени в единице реакционного пространства. Скорость реакции возрастает с увеличением концентрации реагирующих веществ и температуры. В ходе реакции снижается концентрация реагирующих веществ, поэтому ее скорость тоже понижается.

Изменение скорости реакции в зависимости от температуры подчиняется правилу Вант-Гоффа: повышение температуры на 10 градусов увеличивает скорость большинства реакций в 2-4 раза. Скорость данной реакции при данной температуре можно рассчитать по уравнению Аррениуса: k=k0 e(-Ea/RT), где R– универсальная газовая постоянная, Т – абсолютная температура.

Предэкспоненциальный множитель в этом уравнении отражает частоту столкновения молекул и ориентацию частиц. Еаэнергия активации или энергия активированного комплекса. Дело в том, что если сразу разорвать существующие связи, то это потребовало бы очень большой энергии, и реакции шли бы очень медленно. В ходе реакции система проходит через состояние активированного комплекса, в этом состоянии старые связи уже ослаблены, но еще не разорваны, а новые связи уже намечены, но еще не образовались. Этот комплекс существует очень недолгое время – порядка 10-13 секунды.

Энергия образования активированного комплекса больше, чем энергия в исходном и конечном состояниях, поэтому нужна дополнительная энергия. Энергия, необходимая для перехода вещества в состояние активированного комплекса называется энергией активации.

Некоторые вещества способны понижать энергию активации. Такие вещества называются катализаторами. Катализаторы не расходуются в ходе реакции, но увеличивают скорость ее протекания. Действие катализаторов основано на том, что энергия активированного комплекса, в состав которого входит катализатор и одно из реагирующих веществ, меньше, чем энергия активации комплекса реагирующих веществ. Комплекс катализатора с одним из реагентов вступает в реакцию со вторым реагентом, при этом катализатор высвобождается.

Образование активированного комплекса – не единственный механизм протекания реакции. В 1908 г. Н.А. Шилов предложил идею цепного механизма. Цепная реакция начинается со стадии инициирования, на которой образуются активные частицы – свободные радикалы. Свободные радикалы - это осколки молекул, имеющие неспаренные электроны. Они обозначаются символами элементов с точкой, например Cl˙, O˙. Инициирование происходит в результате воздействия света, тепла, радиоактивного излучения. Возникновение радикала называется зарождением цепи: Cl2→2Cl˙. Дальше происходит рост цепи: радикалы взаимодействуют с молекулами и образуют продукты реакции: Сl˙ + H2→ HCl+H; H˙ + Cl2→ HCl+Cl˙. Третья стадия цепной реакции – обрыв цепи, во время которой образуются нейтральные молекулы: Сl˙ + H˙→ HCl.

Но есть еще один важный момент – оказывается, радикалы взаимодействуют со стенками сосудов, в которых проходит реакция, и взаимодействуют со всеми примесями, которые имеют место быть в этой среде. Внесение той или иной примеси, или особая форма сосудов, или особый материал сосудов позволяют эту реакцию сделать либо управляемой, либо неуправляемой. Вот например, соединение фосфора с водородом может произойти со взрывом или как постоянное горение, а может вообще не произойти.

Это зависит как раз от того, каково давление окружающей среды и каковы стенки сосуда. Если стенки сосуда состоят из керамики, то все радикалы поглощаются пористой керамикой и в итоге реакции может не быть. А если сосуд металлический, то при повышенном давлении произойдет цепная реакция со взрывом.

Существуют несколько разновидностей взрыва, но можно выделить два основных – это быстрые или медленные взрывы, или горение. Причем взрывы могут происходить как с участием кислорода атмосферы, так и с участием кислорода, заключенного в веществе. В химии взрыва большое значение имеют управляемые цепные реакции. Следует отметить, что цепные реакции являются ответственными за все биологические процессы. Фактически человек – это реактор управляемых цепных реакций, но только с участием биохимических катализаторов.

Приведенная в качестве примера реакция образования хлороводорода протекает под действием света.