Скорость химических реакций

Изучив содержание главы 11, студенты должны:

знать

• • практическое значение темпа протекания химических реакций;
• • характеристики темпа химических реакций — скорость и период полупревращения;
• • понятие о кинетических уравнениях и кинетические уравнения первого и второго порядка;
• • факторы, влияющие на скорость гомогенных и гетерогенных химических реакций;
• • сущность катализа и его практическое применение;

уметь

• • рассчитывать скорость химической реакции при известной константе скорости и концентрациях веществ;
• • рассчитывать константу скорости при изменении температуры;
• • рассчитывать период полупревращения при известной константе скорости;

владеть

• • методами определения скорости реакции при изменении условий;
• • навыками выбора условий, способствующих проведению реакции с требуемой скоростью.

Термодинамический и кинетический факторы химических реакций

В гл. 9 и 10 показано, что химическая термодинамика дает ответ на вопрос о направлении самопроизвольного протекания химических реакций и теоретически возможной степени превращения исходных веществ в продукты. Но мы знаем также, что в окружающей нас среде есть много неустойчивых веществ, а также таких веществ, которые могут реагировать между собой, но тем не менее реакции между ними не наблюдаются. В природе есть два вещества с широчайшими возможностями для химического взаимодействия. Это кислород и вода. Гореть и окисляться при участии кислорода могут все органические вещества — и тс, что входят в состав растений и животных, и те, что находятся в составе деревянных изделий, бумаги, пищевых продуктов, предметов одежды. Все реакции горения характеризуются большими отрицательными значениями А_ГС° и должны идти самопроизвольно. Фактически эти реакции начинаются при поджигании, а в обычных условиях их скорость пулевая.

Приблизительно то же самое можно сказать и о реакциях с водой. Вода способна разлагать многие вещества. Такие реакции называются гидролизом. Среди природных веществ могут гидролизоваться белки, полисахариды, полинуклеотиды. Это утверждение также основано на том, что реакции гидролиза перечисленных веществ характеризуются отрицательными значениями A_rG°. Однако хорошо известно, что эти вещества образуют необходимые для жизни клеточные структуры, находятся в клетках, содержащих до 80% и более воды. Можно заключить, что если и идет их гидролиз, то внешне это не заметно.

Выше уже было сказано, что системы, в которых термодинамически возможные реакции не идут, называются заторможенными. В этом понятии подразумевается медленность определенных реакций. Вся биосфера в целом представляет собой заторможенную систему, и на этот вывод не влияет тот факт, что в биосфере не только протекают крайне медленные, но наблюдаются и быстрые процессы.

Если даже не касаться этих примеров, имеющих фундаментальную важность для существования жизни, то и в лабораторной и в заводской химии мы столкнемся с самопроизвольными реакциями, одни из которых идут очень быстро, другие довольно медленно, а третьи практически вообще не идут.

Из всего этого вытекает представление о двух факторах осуществимости химических реакций — термодинамическом и кинетическом.

Под термодинамическим фактором подразумевается возможность самопроизвольного протекания процесса, глубина превращения, т. е. величина константы равновесия, и условия смещения равновесия в желаемом направлении.

Термодинамический фактор благоприятен в приведенных примерах реакций с кислородом и водой.

Под кинетическим фактором подразумевается возможность существования систем в термодинамически неустойчивых состояниях, скорость протекающих в них процессов и способы их ускорения или замедления.

Медленность термодинамически возможных реакций органических соединений является одним из условий существования жизни. В области производства химических продуктов также встречаются неустойчивые индивидуальные вещества и смеси, способные разлагаться (взрывчатые вещества), окисляться и т. д. Некоторые из них достаточно «заторможены» и могут храниться без специальных мер защиты. В иных случаях применяются особые добавки, выполняющие роль стабилизаторов и антиоксидантов. Эти вещества замедляют протекание нежелательных процессов.

Итак, медленность некоторых важнейших химических реакций обусловливает постоянную неравновесность биосферы и каждого отдельного живого организма. Но отсюда вовсе не следует вывод, что положительную роль играют только медленные реакции. Сущность жизнедеятельности любой клетки заключается в постоянном протекании сложного комплекса реакций, среди которых реакции окисления, синтез белков и других веществ, необходимых для существования клетки, удвоение молекул ДНК при делении клетки и многие другие. Все эти реакции могут идти со скоростью, необходимой для поддержания жизни клетки, только при участии ферментов — особых катализаторов, ускоряющих биохимические реакции. Подобным же образом в производственных условиях многие химические реакции протекают при оптимальном сочетании действия термодинамического и кинетического факторов.

Раздел химии, предметом которого являются скорости химических реакций, называется химической кинетикой. Его задача состоит в изучении факторов, влияющих на скорости реакций, выборе условий проведения промышленных химических процессов, прогнозировании возможности осуществления новых химических реакций.