Быстрые и медленные реакции: химическая кинетика
Допустим, вам необходимо получить максимально возможное количество аммиака из данного количества водорода и азота. Из материала предыдущего раздела вы уже знаете, как можно влиять на ход реакции, смещая химическое равновесие в ту или иную сторону. Однако, чтобы решить поставленную задачу наиболее эффективно, следует также учитывать скорость протекания реакции. Знание скоростей химических реакций имеет очень большое научное и практическое значение. Например, в химической промышленности при производстве того или иного вещества от скорости реакции зависят размеры и производительность аппаратуры, количество вырабатываемого продукта.
Химические реакции протекают с разной скоростью. Одни из них заканчиваются за доли секунды, другие продолжаются минуты, часы и даже дни. Поэтому при практическом использовании химических реакций весьма важно знать, с какой скоростью будет протекать данная реакция в тех или иных условиях и как изменить эти условия, чтобы реакция протекала с нужной скоростью.
Быстрые и медленные реакции: химическая кинетика
Раздел химии, изучающий скорость химических реакций, называется химической кинетикой.
К важнейшим факторам, влияющим на скорость реакции, относятся следующие:
S природа реагирующих веществ;
S размеры частиц реагентов;
S концентрация реагирующих веществ;
S давление газообразных реагентов;
S температура;
S присутствие в системе катализаторов.
Природа реагирующих веществ
Как уже отмечалось, необходимым условием того, что между частицами исходных веществ произойдет химическое взаимодействие, является их столкновение друг с другом (соударение), причем на участке молекулы с высокой реакционной активностью (см. раздел «Как происходят реакции: теория столкновений» выше в главе). Чем больше и сложнее молекулы реагентов, тем ниже вероятность того, что столкновение произойдет именно на участке
молекулы с высокой реакционной активностью. Зачастую в довольно сложных молекулах участок с высокой реакционной активностью полностью блокируется другими частями молекулы, и реакции не происходит. В таком случае из множества столкновений эффективными (т. е. приводящими к химическому взаимодействию) оказываются только те, которые происходят на реактивном участке.
Другими словами, чем больше и сложнее молекулы реагирующих веществ, тем медленнее скорость реакции.
Размер частиц реагентов
Скорость протекания реакции зависит от количества столкновений молекул реагирующих веществ. Таким образом, чем больше площадь поверхности, на которой происходят столкновения, тем выше скорость реакции. Например, если поднести горящую спичку к большому куску угля, то никакой реакции не произойдет. Однако если вы разотрете этот кусок угля в порошок, распылите его в воздухе, а затем чиркнете спичкой, то произойдет взрыв. Причиной взрыва (т. е. большой скоростью протекания реакции) является существенное увеличение площади поверхности угля.
Концентрация реагирующих веществ
Увеличение количества столкновений реагирующих веществ ведет к повышению скорости реакции. Таким образом, скорость реакции пропорциональна числу соударений, которые претерпевают молекулы реагирующих веществ. Число соударений, в свою очередь, тем больше, чем выше концентрация каждого из исходных веществ. Например, деревянная планка довольно хорошо сгорает в обычном воздухе (который на 20% состоит из кислорода), однако в чистом кислороде горение происходит более интенсивно, т. е. с большей скоростью.
В большинстве простых реакций увеличение концентрации реагентов повышает скорость реакции. Однако в сложных реакциях, протекающих в несколько стадий, эта зависимость не соблюдается. На самом деле, определяя воздействие концентрации на скорость реакции, вы сможете узнать, какой реагент оказывает влияние на той стадии реакции, которая определяет ее скорость. (Данная информация поможет вычислить механизм реакции.) Это можно осуществить, проводя реакции при нескольких разных концентрациях и наблюдая их воздействие на скорость реакции. Если, например, изменение концентрации одного реагента не влияет на скорость реакции, то вы будете знать, что на самой медленной стадии механизма реакции (а скорость реакции как раз и определяется такой стадией) этот реагент не задействован.
Давление газообразных реагентов
Давление газообразных реагирующих веществ оказывает такое же влияние на скорость протекания реакции, как и концентрация. Чем выше давление реагентов, находящихся в газообразном состоянии, тем выше скорость реакции. Это происходит (как вы уже, конечно, догадались!) из-за возросшего количества столкновений. Однако если реакция имеет сложный механизм, то изменение давления может не привести к ожидаемому результату.
Температура
Почему после праздничного обеда в честь Дня благодарения каждая хозяйка спешит поставить в холодильник оставшуюся часть индейки? Да потому, что если этого не сделать, то индейка может испортиться. А что означает «испортиться»? Это означает усиленный рост бактерий. Так вот, когда индейка окажется в холодильнике, это замедлит скорость роста бактерий вследствие понижения температуры.
Увеличение количества бактерий — это обычная биохимическая реакция, т. е. химическая реакция с участием живых организмов. В большинстве случаев повышение температуры приводит к увеличению скорости подобных реакций. В органической химии существует такое правило: увеличение температуры на 10 °C приводит к удвоению скорости реакции.
Почему же это происходит? Частично (как вы уже, конечно, догадались!) из-за возросшего количества столкновений. При повышении температуры молекулы движутся быстрее, таким образом увеличивается вероятность их соударений друг с другом, а значит, и их химического взаимодействия. Однако это еще не все. При повышении температуры также увеличивается средняя кинетическая энергия молекул. Обратите внимание на рис. 8.7, где приведен пример того, как повышение температуры влияет на кинетическую энергию реагентов и на скорость реакции.
При данной температуре не все молекулы обладают одинаковой кинетической энергией. Одни из них могут двигаться крайне медленно (т. е. обладают низкой кинетической энергией), в то время как другие — довольно быстро (т. е. обладают высокой кинетической энергией). Однако в подавляющем большинстве случаев значение скорости движения молекул находится где-то посередине между двумя этими скоростями.
В действительности температура — это мера средней кинетической энергии молекул. Как видно на рис. 8.7, повышение температуры приводит к увеличению средней кинетической энергии реагентов, при этом кривая сдвигается вправо, в сторону более высоких значений кинетической энергии. Обратите также внимание на минимальную величину кинетической энергии, которой должны обладать молекулы для того, чтобы их столкновение могло привести к образованию нового вещества, т.е. на энергию активации данной реакции. Молекулы, обладающие данной энергией, называются активными молекулами.
Реагентам нужно не только сталкиваться на реактивном участке, при этом должно передаваться количество энергии, достаточное для разрыва имеющихся связей и образования новых. Если этой энергии будет недостаточно, то при соударении исходных молекул реакция все равно не произойдет.
Обратите внимание, что при более низкой температуре (T1) незначительное число молекул реагентов обладает необходимой энергией активации. При более высокой температуре (T2)
энергией активации (минимальным количеством кинетической энергии, необходимым для образования нового вещества) будет обладать уже намного больше молекул, т. е. гораздо больше столкновений будут эффективными.
Таким образом, повышение температуры увеличивает не только количество столкновений, но и количество эффективных столкновений, в результате которых происходит химическое взаимодействие частиц.
Катализаторы
Вещества, не расходующиеся в результате протекания реакции, но влияющие на ее скорость, называются катализаторами. Явление изменения скорости реакции под действием таких веществ называется катализом. В большинстве случаев действие катализатора объясняется тем, что он снижает энергию активации реакции.
Посмотрите, например, на рис. 8.1. Если бы значение энергии активации, соответствующее максимуму на графике, было меньше, то количество эффективных соударений молекул реагентов было бы выше, а значит, более высокой была бы и скорость реакции. То же самое можно видеть и на рис. 8.7. Если переместить влево пунктирную линию, которая обозначает минимальную кинетическую энергию, необходимую для достижения энергии активации, то намного большее количество молекул будет обладать энергией активации, а следовательно, реакция будет проходить быстрее.
В химической промышленности катализаторы применяются весьма широко. Под влиянием катализаторов реакции могут ускоряться в миллионы раз и более.
Различают гомогенный и гетерогенный катализ. При гомогенном катализе катализатор и реагирующие вещества образуют одну фазу (газ или раствор). При гетерогенном катализе катализатор находится в системе в виде самостоятельной фазы.
Гетерогенный катализ
В разделе «Как происходят реакции: теория столкновений», когда речь шла о механизме взаимодействия молекул, в качестве примера использовалась приведенная ниже формула.
C~A~B — C-A + B
Для разрыва связи A-B и образования связи C-A, показанной в уравнении, реагент C должен столкнуться с той частью молекулы A-B, где находится A. Осуществится ли столкновение именно таким образом, во многом зависит от случая. Однако согласно теории вероятности рано или поздно оно все же произойдет. Чтобы увеличить вероятность такого столкновения, следует «привязать» молекулу A-B таким образом, чтобы ее участок A был «ориентирован» в сторону реагента C.
Это можно осуществить с помощью гетерогенного катализатора: он «привязывает» молекулу одного реагирующего вещества к своей поверхности, ориентируя ее таким образом, чтобы ускорить протекание реакции. Процесс гетерогенного катализа показан на рис. 8.8.
Катализатор называется гетерогенным (»неоднородным»), потому что находится в агрегатном состоянии, отличном от агрегатного состояния реагирующих веществ. В качестве такого катализатора обычно выступает тонко измельченный твердый металл или его оксид, в то время как реагентами являются газы или растворы. При гетерогенном катализе реакция протекает на поверхности катализатора. Отсюда следует, что активность катализатора зависит от величины и свойств его поверхности. Для того чтобы иметь большую поверхность, катализатор должен обладать пористой структурой или находиться в раздробленном состоянии.
При гетерогенном катализе реакция протекает через активные промежуточные соединения — поверхностные соединения катализатора с реагирующими веществами. Проходя через ряд стадий, в которых участвуют эти промежуточные соединения, реакция заканчивается образованием конечных продуктов, а катализатор в результате не расходуется.
Многие из нас практически каждый день сталкиваются с работой гетерогенного катализатора. Речь идет о каталитическом преобразователе автомобиля. Этот преобразователь состоит из измельченных металлов (платины и/или палладия), применяемых для ускорения реакции, благодаря которой вредные газы, полученные в результате сгорания бензина (например, оксид углерода и несгоревшие углеводороды), разлагаются на безвредные продукты (например, воду и диоксид углерода).