ПОИСК Статьи Рисунки Таблицы Как происходят химические реакции из "Как превращаются вещества Выпуск 36" Ответ на этот вопрос следует разбить на две части. Такое деление связано с тем, что слово реакция употребляется в двух смыслах. Реакцией называют простое взаимодействие химических веществ, когда молекулы или другие частицы — реагенты сразу переходят в конечные ведества—продукты. Такая простая реакция называется элементарным актом. Но реакцией называют и куда более сложный процесс, когда переход из состояния реагента в состояние продукта включает большое число элементарных актов, образование веществ, которых ие было в реагентах и нет среди продуктов. Так, в приведенной выше реакции СО с С1з, переходящих в O I2, такими промежуточными веществами являются частицы С1 и СОО. В более сложных примерах число промежуточных веществ может быть значительно больше и включать как активные корот-коживущие частицы типа С1, O I, так и стабильные вещества. Окисление углеводорода в кислоту происходит через промежуточное с )разоваиие обычных веществ спиртов, альдегидов и кетонов. Но каждая сложная реакция складывается из реакций элементарных, как дом из отдельных блоков и кирпичей. С элементарных реакций и надо начать анализ того, как происходит химическая реакция. [c.71] А теперь можно от этих качественных рассмотрений перейти н к математическим выражениям, определяющим скорость реакции. [c.74] В этой формуле Па обозначает концентрацию молекул Л (число молекул в 1 см ), пв — концентрацию В, а коэффициент пропорциональности г получил название фактора соударений. [c.74] Как мы уже знаем, для протекания химической реакции соударение должно быть активным. Доля результативных соударений определяется количеством молекул с энергией, большей или равной пороговой. Распределение молекул по энергиям описывается уравнением Больцмана, а доля достаточно горячих молекул получается его интегрированием, причем результат также оказывается пропорциональным больцман-фактору , Величина получ ла специальное (н естественное) название энергии активадик. Ясно, что Этот фактор также должен входить в конечное выражение. Скорость реакции пропорциональна числу не любых, а только активных соударений. [c.74] Это положение, известное под названием правила Вант-Гоффа, было высказано еще до того, как шведский ученый Сванте Аррениус впервые указал на экспоненциальную зависимость константы скоростн к / 7 (1889 г.). Он же ввел термин энергия активации для величины Уравнение Аррениуса не было плодом теоретического анализа, оно появилось в результате обобщения экспериментальных данных. Но заслуга Аррениуса в том, что, предложив эмпирически подобранное уравнение, он описал н физическую модель реакции — модель активных еоударенин. [c.76] Активационный барьер у химических реакций во многом определяет само существование нашего мира вещей и веществ. Кислородом воздуха, с уменьшением свободной энергии, т. е. самопроизвольно, могут окисляться углеводы — целлюлоза, крахмал, сахар, большинство полимерных веществ, все белковые вещества, все металлы и сплаг.ы н многое другое. Еслн бы реакции протекали безактив -ционно, через короткое время все леса, плоды сельского хозяйства, масла и топливо, пластмассы, мосты, машины, рельсы да и мы сами превратились бы в азот, углекислый газ, воду, ржавчину. Энергия активации — тот фактор, который делает эти реакции при обычной температуре столь медленными, что мы нх и не замечаем. [c.76] Как видим, оба представления константы скоростн эквивалентны, но отличаются видом предэкспонента (множитель также причисляется к предэкспоненту как не зависящий от температуры). Энергия активации Е в отличие от свободной энергии активации отражает не само значение константы скорости, а ее температурную зависимость, Этот термин используется экспериментаторами. [c.78] Появление необходимого для реакции колебательного возбуждения возможно только при столкновениях. [c.79] А еслн реакция сопровождается выделением тепла Каждая следующая порция вещества будет реагировать при более высокой температуре, чем предыдущая, обеспечивая все более интенсивный разогрев системы, Закон чится это, как вы догадываетесь, взрывом. Кинетическ й анализ реакции в этом случае несравненно сложнее, чем в изотермическом. Поэтому математическая теория теплового взрыва появилась на полвека позднее количественного описания изотермических процессов. Создал ее трижды Герой Социалистического Труда академик Яков Борисович Зельдович. [c.80] Раз уж речь зашла о взрывах, задумаемся о проблеме производства взрывчатых веществ с позиций химической физики. Челт тетрил лучше нитроглицерина Тепловыл эффектом реакции Нет — разница в теплотах разложения для этих двух типов взрывчатки ничтожна и, кроме того, не в пользу тетрила (1410 и 1430 кДж/моль соответствеино). Тогда чем же С позиций практики ответ простой — разрушительной силой взрыва. А она связана с характеристическим временем процесса. Один и тот же запас килоджоулей будет восприниматься либо как ласковое тепло камина, либо как взрыв бомбы — в зависимости от временн, за которое выделяется энергия. Сравнительно медленное выделение тепла мы называем горением, более бурное — взрывом. Именно поэтому пушки следует заряжать порохом, который выталкивает снаряд, а не динамитом, который разрушает орудие. [c.80] Вернемся к сложным химическим превращениям, включающим разрыв и образование многих связей, перенос атоллов и целых фрагментов от одной молекулы к другой. Так же, как ре иок собирает из деталей конструктора то бульдозер, а то подъемный край, так и сложное химическое превращение собирается из набора элементарных актов. Задача современного химика обратпа задаче ребенка, играющего в конструктор, она ближе к цели малыша, получившего готовую игрушку — разобрать механизм химического превращения иа возможно более мелкие составные части. [c.81] Механизм устройства часов, швейной машины, электродвигателя, радиоприемника скрыт от наблюдателя стенками корпуса скрыт и механизм химического превращения. Используя инструменты — отвертку, гаечный ключ, тестер, любознательный человек может сиять корпус и разобраться в устройстве перечисленных предметов, в их механизме. Для химиков такими инструментами служат сегодня многочисленные приборы — спектрометры, хроматографы, приборы электронного и адерного магнитного резонанса, лазерные устройства и прочие средства для изучения механизмов химических превращений. Используя эти приборы и методы, исследователь получает возможность установить природу и концентрацию промежуточных веществ, образующихся иа сложном пути перехода реагентов в продукты. Сложность химического процесса не находит отражения в уравнении реакции — в нем содержится информация только о начальном и конечном состоянии химической системы. И так же, как из одной точки города в другую можно попасть, пройдя нли проехав по различным улицам многими способами, по многим механизмам может произойти и переход от состояния реагенты к состоянию продукты реакции. [c.81] Если для элементарного акта профиль потенциальной эиергии включает две впадины, разделенные одним-едни-ственным холмом (рис. 13), то в более сложных случаях энергетический профиль содержит множество подъемов спусков и траверзов, напоминая этим сложный альпинист ский маршрут, В отличие от альпинистов, химическая си схема всегда движется по пути наименьшего сопротивле ия. Практически реализуется только маршрут с наимень 1 -ей энергией активации. [c.81] В следующих двух примерах сложных реакилй (табл. 5) их кинетическое представление ие соответствует стехно-метрической записи, н как и ранее, эффективная константа скорости является комбинацией элементарных. [c.83] Прямое измерение зависимости скорости реакции от концентраций реагентов дает именно эффективную квн-станту скорости. Для того же чтобы выяснить ее элементарные составляющие, как правило, необходимо привлечение физических методов определения природы и концентрации промежуточных веществ. [c.84] Как будет происходить реакция — элементарно, в результате прямого взаимодействия реагентов или- по сложному многоступенчатому механизму — в основном определяется соотношением значений энергии активации различных маршрутов. Так, в случае реакцнн I прямое взаимодействие На с I2 характеризовалось бы энергией активации около 180 кДж/моль. Частичка бы отражает тот факт, что реакция этим путем не идет. Эффективная энергия активации, определяемая выражением I, составляет 135 кДж/мать. Меньшая энергия активации этого более сложного пути определяет то, что реакция идет именно по нему. [c.84] Реакции, в которых только одна из частиц является коном нли радикалом, а вторая — стабильной молекулой, все равно будут идти быстрее взаимодействия двух молекул. В электрическом поле иона любая молекула поляризуется, электронная плотность в ней смещается в нужном д 1Я прохождения реакции направлении. Радикал, атакующий нейтральную молекулу, был образован с затратами энергии, он характеризуется большим значением тепловою эффекта образования. Поэтому столкновительный комплекс молекулы с радикалом насыщен энергией и готов почти безактнвационно распасться на продукты реакции. [c.85] Вернуться к основной статье