ПОИСК Статьи Рисунки Таблицы Почему химическая энергия не высвобождается сама собой из "Химические источники энергии" Почему химические процессы, идущие с образованием энергетически более бедных соединений, протекают не самопроизвольно, а только после соответствующего возбуждения или в присутствии катализаторов Почему при обычных условиях кислород и водород самопроизвольно не образуют воду, а азот и водород — аммиак Ответы на эти вопросы связаны с одной из фундаментальных проблем не только химии, но и всей живой природы. [c.57] Если бы мы рассматривали тела только с энергетической (термодинамической) точки зрения, то пришли бы к заключению, что в природе могут существовать лишь простейшие соединения, которые энергетически наиболее стабильны. В действительности это не так существуют миллионы соединений, большинство из которых энергетически богаты, а следовательно, энергетически нестабильны. Таким образом, одна только энергетическая стабильность еш не объясняет, почему существуют различные химические вещества и вся живая природа. [c.57] Энергетическая стабильность указывает лишь на возможность процесса превращения, но ничего не говорит о том, произойдет ли оно в действительности и какова скорость этого процесса. [c.57] Таким образом, для того чтобы опрокинуть тела 2 и 3. необходимо вначале их активировать , затратив на это некоторую энергию, энергию активации или тдкз. Однако эта энергия нужна нам только временно. После того как мы поднимем центр тяжести на нужную высоту и приведем тело в активированное состояние, энергия активации выделится обратно при опускании центра тяжести до высоты кг или Аз. Только после этого начнет выделяться энергия, обусловленная разностью энергий начального и конечного состояний. Из этого примера мы видим, что кинетическая стабильность состояния зависит не столько от потенциальной энергии тела, соответствующей этому состоянию, сколько ОТ величины энергии активации. [c.59] при обычном химическом способе получения соляной кислоты энергия активации черпается из термической энергии молекул (термическая активация). Такие химические превращения называются термическими реакциями. [c.63] Эксперимент показывает, что это не единственный источник энергии активации. Активация может происходить также под воздействием света, при радиоактивном облучении, электрическом разряде и т. д. [c.63] Зная изменение свободной энергии при химических превращениях элементов и соединений (см. гл. II, 7), мы можем установить, какие процессы могут начаться без искусственного и длительного подведения энергии из внешнего источника и какова будет величина энергии, освободившейся в ходе этих процессов. Но начнется ли на самом деле этот процесс и если да, то с какой скоростью он будет протекать, — на эти вопросы мы не в состоянии ответить, зная только химическую энергию веществ, участвующих в процессах. Как правило, для начала химического процесса нужна энергия активации, причем даже тогда, когда конечным результатом процесса является большое количество освобожденной энергии. Благодаря энергии активации разрываются химические связи, существующие между атомами в исходном веществе, и атомы могут перегруппироваться в соответствии с химическими превращениями. Освобожденные атомы в результате столкновений могут соединиться друг с другом и образовать структуру, соответствующую продукту реакции. [c.64] Но не каждой реакции обязательно должно предшествовать разложение молекул на свободные атомы. Во многих случаях достаточно ослабить химические связи в молекулах только в той мере, в какой эго требуется, чтобы состоялась перегруппировка атомов при столкновениях с партнерами по реакции . Существуют реакции, энергия активации которых меньше, чем это требуется для полного разложения молекулы одного из веществ, участвующих в реакции. В таких случаях достаточно ослабления молекулы, то есть увеличения средних расстояний между ее атомами, которое происходит главным образом вследствие увеличения энергии колебаний этих атомов. [c.64] Энергия активации Е , необходимая для возбуждения реакции, как уже отмечалось, не участвует в окончательном энергетическом балансе всего процесса (рис. 5). Разность химических энергий исходного и конечного продуктов в схематически представленной на рис. 5 реакции равна ( это и есть теплота, выделяющаяся в результате реа кцйи. [c.65] В большинстве случаев за основу берется концентрация в 1 моль/л, при этом скорость реакции называется константой скорости реакции к. [c.66] В научных исследованиях открытие каких-либо эмпирических соотношений всегда очень важно, но, это лишь первый шаг на пути более глубокого познания действительности. За установлением каких-либо опытных фактов должна следовать разработка теории, которая объяснила бы сущность явлений. Эмпирическая формула является пробным камнем правильности теории выводы, которые следуют из теории (в данном случае вытекающее из теории соотношение между к и Т), должны находиться в хорошем согласии с этой формулой, в противном случае теория ошибочна. [c.66] В зависимости от величины Ь скорость реакции может возрасти, например, в сто тысяч раз при повышении температуры на 100° С. Эта температурная зависимость справедлива для многих реакций, которые поэтому называются термическими реакциями . Задача теоретического исследования — выяснить, какие факты или взаимосвязи определяют численные значения а и 6 в эмпирической формуле. [c.67] С точки зрения теории наиболее простыми являются реакции между газами. В качестве примера можно взять рассмотренную выше реакцию образования соляной кислоты из газообразных хлора и водорода. Согласно теории термических газовых реакций, последние происходят лишь при столкновении молекул, способных к реакции. [c.67] Кинетическая теория газов позволяет вычислить с достаточным приближением число столкновений в газе при данных условиях. В газовой смеси, состоящей из Hg и СЬ (в молярном соотношении 1 1), при комнатной температуре и давлении в 1 атм в I см каждая молекула сталкивается со своим партнером по реакции 10 раз в 1 с. Несмотря на это, при комнатной температуре и в темноте хлор и водород не вступают между собой в реакцию. Подобные расчеты числа столкновений можно провести также и для тех веществ, реакции между которыми идут с хорошо измеряемой скоростью. При этом во многих случаях оказывается, что не каждое столкновение способных к реакции молекул происходит успешно , то есть приводит к химическому превращению. [c.67] На основании опыта установлено, что энергия активации химических реакций, протекающих с хорошо измеряемой средней скоростью, вычисленная по формуле (1.8), составляет 15—30 ккал/моль. Реакции, нуждающиеся в меньшей энергии активации, идут так быстро, а требующие больщей энергии активации — так медленно, что их скорости могут быть измерены только специальными приборами. [c.69] энергию активации термических реакций можно определить численно. Если же сравнить энергию активации с энергией, необходимой для разложения (диссоциации) молекул, принимающих участие в данном процессе, то оказывается, что во многих случаях энергии активации недостаточно для разложения молекул одного из партнеров по реакции. Следовательно, активация часто ведет лишь к ослаблению молекулярных связей. [c.69] Известно, что многочисленные химические реакции могут быть в значительной степени ускорены, только благодаря присутствию определенных веществ, которые сами в результате реакции не претерпевают превращений. Этот факт на первый взгляд можно отнести к поразительным явлениям природы. Например, в смеси кислорода и водорода (так называемом гремучем газе) при комнатной температуре в течение десятилетий не наступает никаких самопроизвольных изменений. Но если привести эту газовую смесь в соприкосновение с мелкораздробленной платиной, то водород и кислород (предполагается, что оба газа находятся в соответствующих количествах) мгновенно взрываются с образованием воды. При этом платина остается совершенно неизмененной. С данным количеством платины можно повторять такой процесс много раз, и любым малым количеством платины можно превращать в воду любое большое количество гремучего газа, о явление называется катализом, а действующее вещество — катализатором. [c.70] Катализаторы —это вещества, которые ускоряют химические процессы, не изменяясь при этом сами. Существует очень большое количество таких веществ, и они играют исключительно важную роль в регулировании процессов, происходящих в неживой и особенно живой природе. После открытия Берцелиусом этих веществ в 1836 году в течение долгого времени оставалось загадкой, каким образом они осуществляют свое ускоряющее действие, не участвуя сами в химическом процессе. Дальнейшие тщательные исследования механизма химических процессов показали, что катализаторы все же временно очень активно участвуют в химическом процессе,но по окончании своего воздействия снова возвращаются в первоначальное состояние. Таким образом, они изменяются на короткое время и поэтому могут вновь содействовать превращению молекул. [c.70] Катализаторы снижают энергию активации, необходимую для разрыва или ослабления химических связей реагирующих молекул. Связи, которые должны быть разорваны при химических превращениях и которые могут быть разорваны или ослаблены только при столкновениях молекул в термических реакциях, очевидно, ослабляются или разрываются уже при взаимодействии катализатора с реагирующим веществом. [c.71] Вернуться к основной статье