Влияние природы реагирующих вещества на скорость химических реакций

Под влиянием природы реагирующих веществ обычно подразумевают то, что разные вещества реагируют по-разному. Проанализируем несколько примеров разной реакционной способности сходных по строению веществ в однотипных реакциях.

Например, газообразный йодоводород реагирует с кислородом при комнатной температуре с заметной скоростью по уравнению:

4 HI + O₂ = 2 H₂O + 2 I₂

Аналогичная реакция газообразного хлороводорода с кислородом при комнатной температуре с образованием хлора и воды идет очень медленно. Обе реакции — окислительно-восстановительные и для их протекания атом галогена в молекулах HCl или HI должен передать электрон кислороду. Иод в молекуле HI — более подходящий донор электрона, т.к. его валентная оболочка находится существенно дальше от ядра, чем у атома хлора в молекуле HCl.

Таким образом, знание электронного строения атомов и молекул реагирующих веществ часто позволяет качественно оценить относительные скорости некоторых реакций.

Молекулярность реакции. Механизмы химических реакций

Число частиц, которые участвуют в элементарном акте химического взаимодействия, называется молекулярностью реакции.

Если в элементарном акте взаимодействия участвует только одна молекула, то реакция называется мономолекулярной, если участвуют две молекулы — бимолекулярной, если три — тримолекулярной. Вероятность соударения одновременно большего числа частиц очень мала, поэтому тримолекулярные реакции встречаются очень редко, а реакции с участием четырех и более молекул вообще неизвестны. Вероятность столкновения четырех и более частиц одновременно в одной точке пространства стремится к нулю.

Большинство известных реакций являются сложными реакциями и их протекание включает несколько стадий.

?Совокупность всех стадий реакции называется механизмом реакции.

По типу механизма все реакции можно разделить на 3 группы — параллельные, последовательные, сопряженные реакции и их комбинации.

?Параллельными реакциями называется связанная система реакций, имеющих одни и те же исходные вещества, но различные продукты реакции.

Пример такой реакции можно представить следующей схемой:

Если каждая из реакций является мономолекулярной, то суммарная скорость реакции равна сумме скоростей отдельных стадий:

V_общ.= V₁ + V₂

Так протекает термическое разложение бертолетовой соли (хлората калия). Одновременно происходят два процесса:

?Последовательными реакциями называется связанная система реакций, в которых продукты предыдущих стадий являются исходными веществами для последующих стадий.

Схематично это можно изобразить так:

Продукт В, который накапливается при протекании первой стадии реакции, одновременно является исходным веществом для второй стадии процесса, т. е. он расходуется на второй стадии. Такие вещества называются промежуточными продуктами.

Количество стадий последовательных реакций может быть очень большим. Различные стадии могут протекать с различными скоростями. Суммарная скорость последовательных реакций будет определяться скоростью самой медленной стадии, которая называется лимитирующей или скорость определяющей стадией.

Взаимодействие тиосульфата натрия с кислотой можно считать последовательной реакцией:

Na₂S₂O₃ + H₂SO₄ > H₂S₂O₃ + Na₂SO₄ > S + SO₂ + H₂O + Na₂SO₄.

Здесь, первая стадия протекает практически мгновенно, а появление нерастворимой серы — процесс относительно медленный.

?Две реакции, одна из которых индуцирует протекание другой, называются сопряженными. Формально, сопряженные реакции подобны параллельным реакциям, однако, они могут протекать только совместно. Такие реакции часто имеют место в биологических объектах, когда протекание одной реакции индуцирует протекание другой. Синтез некоторых белков не может осуществляться без затрат энергии, т. е. не может протекать самопроизвольно. С другой стороны, переработка углеводов протекает самопроизвольно и как раз с выделением требуемого количества энергии. Самопроизвольное протекание одной реакции индуцирует протекание другой, не протекающей самопроизвольно в данных условиях.

Реально протекающие реакции могут быть сложными комбинациями последовательных и параллельных стадий.

Например, цепные реакции, которые протекают через образование свободных радикалов — частиц с неспаренными электронами. Примером цепной реакции является взаимодействие хлора с водородом:

H₂ + Cl₂ = 2HCl.

Сначала происходит разрыв связей в молекулах хлора под действием кванта света или при действии высокой температуры (зарождение цепи):

Cl₂ + hн > 2 Cl?

Затем каждый из радикалов участвует в следующих, чередующихся стадиях (развитие цепи):

H₂ + Cl• > HCl + H•.

Н• + Cl₂ > HCl +Cl•.

H₂ + Cl• > HCl + Н• и т. д.

Видно, что суммарный процесс является последовательно-параллельным.

Цепной процесс продолжается до тех пор, пока имеются в наличии исходные вещества или пока свободные радикалы не прореагируют друг с другом (обрыв цепи):

Cl• + Cl• = Cl₂;

H• + H• = H₂;

H• + Cl• = HCl.

Цепные реакции могут протекать также по разветвленному механизму, когда единичная реакция с участием одного свободного радикала приводит к возникновению более чем одного нового свободного радикала.

Такое «размножение» радикалов приводит к лавинообразному течению процесса, которое может вызвать взрыв. Так, например, протекает процесс взаимодействия кислорода с водородом. На первой стадии молекула Н₂ распадается на два радикала Н• и затем развивается цепь превращений (см. рисунок). Овалами обведены стадии образования продукта реакции (воды), где происходит обрыв цепи. Здесь также к обрыву цепи может привести «встреча» двух радикалов.