Термодинамические и кинетические характеристики реакций

Для того чтобы выяснить, будет ли реально протекать данная реакция в определенных условиях, необходимо ответить на два вопроса: во-первых, возможна ли в принципе самопроизвольная реакция в выбранных условиях и, во-вторых, если возможна, то какова будет ее скорость?

Мы знаем множество случаев, когда вещества или смеси, потенциально способные к реагированию, могут сохраняться неизменными сколь угодно долго. Черный порох — страшное взрьючатое вещество средних веков, смесь селитры, серы и угля — не взрывается сам по себе. При обычных условиях реакция между этими веществами не идет. Для ее начала необходимо повышение температуры хотя бы в небольшом объеме вещества либо путем нагревания, либо при ударе. После этого реакция протекает самопроизвольно с большим выделением энергии и достаточно большой скоростью — если система находится в замкнутом пространстве, то происходит взрыв.

Вопрос о том, возможна ли в принципе та или иная самопроизвольная реакция в тех или иных условиях, рассматривает химическая термодинамика.

Следует особо подчеркнуть, что выводы термодинамики относятся к возможности или невозможности самопроизвольного протекания процесса. Если термодинамические расчеты свидетельствуют о том, что реакция невозможна, то это означает только, что она невозможна как самопроизвольный процесс, а не то, что эту реакцию вообще нельзя осуществить.

Процесс

термодинамически запрещен. Однако в присутствии источника энергии (и катализатора) он осуществляется в природе растениями в грандиозных масштабах:

Растение может вести фотосинтез и при полностью искусственном освещении, но свет необходим, а для его получения необходимо тратить энергию, совершать работу.

В свинцовом аккумуляторе самопроизвольно протекает термодинамически разрешенная реакция.

в результате которой может совершаться работа. Например, с помощью аккумулятора и стартера приводится в движение двигатель автомобиля. Далее двигатель работает за счет другой реакции — горения углеводородов:

При этом не только движется автомобиль, но двигатель вращает электрогенератор и под действием электрического тока в аккумуляторе идет обратный, термодинамически запрещенный (т. е. невозможный самопроизвольно) процесс.

который идет потому, что для его осуществления затрачивается работа.

Химическая термодинамика, как и термодинамика вообще, рассматривает переход системы из одного состояния в другое, полностью абстрагируясь от механизма перехода. Для термодинамического подхода безразлично, как перешла система из состояния исходных веществ в состояние продуктов реакции, как, например, осуществляется фотосинтез, но зато этот метод позволяет сказать, может ли такой переход произойти самопроизвольно или для того, чтобы его осуществить, надо затратить энергию или совершить работу.

Вопрос о том, как совершается переход исходных веществ в продукты реакции и как зависит его скорость от условий, в которых происходит эта реакция, рассматривает химическая кинетика.

Если при каких-то условиях реакция термодинамически запрещена, бессмысленно обсуждать ее скорость — никакие ухищрения не заставят такую реакцию протекать самопроизвольно.

Наоборот, если при каких-то условиях реакция термодинамически разрешена, но реально в этих условиях не идет, то можно, изучив ее механизм, найти самую медленную стадию и тогда попытаться заменить ее другой, более быстрой, введя, например, соответствующий катализатор.

Таким образом, совокупность термодинамического и кинетического методов позволяет понять, почему и как происходят химические реакции, и получить необходимые сведения — теории, законы, численные характеристики, необходимые для того, чтобы управлять реакциями; предельно замедлить процессы коррозии металлов или составить наиболее эффективную композицию ракетного топлива; разработать экономически оправданные химические способы разложения воды на водород и кислород, что является основой водородной энергетики, или найти катализаторы и разработать технологические схемы, позволяющие при обычных условиях связывать азот воздуха в соединения, усвояемые растениями, как это делают клубеньковые бактерии.

Современная химия немыслима без активного использования этих двух подходов — термодинамического и кинетического.

Контрольные вопросы

• 1. Напишите несколько уравнений газофазных реакций и рассмотрите, происходит ли в них простое перераспределение связей или общее число связей меняется. Каких реакций у Вас получилось больше?
• 2. Можно ли осуществить такие реальные условия, в которых реакции

были бы гомогенными?

• 3. Можно ли утверждать, что химическая реакция, с помощью которой светится светлячок, — экзотермическая?
• 4. Определите степени окисления подчеркнутых элементов в следующих соединениях:

5. Определите, какой элемент является окислителем и какой восстановителем в следующих реакциях:

6. Изобразите в виде схематических рисунков, что и в какой последовательности надо сделать, чтобы осуществить реакции.