Реакционная способность вещества
Изучение химических реакций показывает, что они могут протекать с весьма различными скоростями. Иногда реакция идет настолько быстро. что практически ее можно считать мгновенной, таковы, например, многие химические реакции между солями, кислотами и основаниями, протекающие в водных растворах, или реакции, протекающие со взрывом. В других случаях, наоборот, скорость химической реакции так мала, что для образования заметного количества продуктов реакции нужны были бы годы, а то и столетия.
Скорость химической реакции измеряется изменением концентраций реагирующих веществ в единицу времени. Концентрацией называется количество вещества в единице объема. Скорость каждой химической реакции зависит от природы реагирующих веществ, их концентраций и условий, в которых реакция протекает (температура давление, присутствие катализаторов).
Зависимость скорости химических реакций от концентраций реагирующих веществ легко понять исходя из молекулярно-кинетических представлений. Молекулы газов, двигаясь в различных направлениях с довольно большой скоростью, неизбежно должны встречаться, сталкиваться друг с другом. Взаимодействие между молекулами, очевидно, может происходить только при их столкновениях, следовательно, чем чаще будут сталкиваться молекулы, тем быстрее будет идти превращение исходных веществ в новые и тем больше будет скорость реакции. Таким образом, мы приходим к следующему выводу: скорость химической реакции пропорциональна произведению концентраций реагирующих веществ. Это очень важное положение было установлено в 1867 г. двумя норвежскими учеными К. Гульдбергом (1836-1902) и П. Ваге (1833-1900) и получило название закона действия масс, или закона действующих масс.
Математическое выражение закона действия масс для химической реакции соединения вида А + В = С выглядит следующим образом:
v = K * [A] * [B],
где v - скорость реакции;
К – коэффициент пропорциональности – постоянная для данной реакции при данной температуре величина, называемая константой скорости и характеризующая влияние природы реагирующих веществ на скорость их взаимодействия друг с другом;
[A] и [B] - концентрация веществ.
Несколько иной вид имеет выражение для скорости химической реакции, когда во взаимодействие вступает не одна, а несколько молекул вещества, например:
2А + В = .. или А + А + В = D.
Чтобы это взаимодействие могло осуществиться, должно произойти одновременное столкновение двух молекул А и одной молекулы В. Математический анализ показывает, что концентрация вещества А должна в этом случае дважды появиться в уравнении скорости химической реакции:
v = K * [A[ * [A] * [B] = K * [A]2 * [B]
В общем случае, когда m молекул вещества А одновременно реагирует с n молекулами вещества В, уравнение скорости химической реакции имеет вид:
v = K * [A] m * [B]n
Скорость всякой реакции непрерывно уменьшается с течением времени, так как взаимодействующие вещества постепенно расходуются и концентрации их уменьшаются. Поэтому, говоря о скорости реакции, всегда имеют в виду скорость в данный момент, т.е. то количество вещества, которое подверглось бы превращению, если бы существующие в данный момент концентрации поддерживались искусственно в течение определенного промежутка времени.
На практике при измерении скоростей реакций часто приходится встречаться с кажущимися отклонениями от закона действия масс. Это объясняется тем, что многие химические реакции протекают в несколько стадий, т.е. распадаются на несколько последовательных, более простых процессов. Закон действия масс справедлив в этом случае для каждого отдельного элементарного процесса, но не для всей реакции в целом.
Зависимость скорости химических реакций от температуры. Кроме концентрации, очень важным фактором, определяющим скорость химической реакции, является температура. Опытным путем установлено, что при повышении температуры на каждые 10оС скорость реакции увеличивается в два-три раза. При понижении температуры скорость реакции во столько же раз уменьшается.
Число, показывающее, во сколько раз увеличивается скорость данной реакции при повышении температуры на 10оС, называется температурным коэффициентом реакции.
Значительное увеличение скорости химической реакции при повышении температуры нельзя объяснить одним только увеличением числа столкновений между молекулами. Согласно кинетической теории скорость движения молекул растет пропорционально корню квадратному из абсолютной температуры, тогда как скорость реакции увеличивается гораздо быстрее. Следует считать, что повышение температуры не только вызывает более частые столкновения, но и увеличивает число эффективных столкновений, в результате которых происходит химическое взаимодействие, т.е. относительное количество активных молекул. Это объясняется тем, что при повышении температуры молекулы становятся менее устойчивыми и, следовательно, более склонными к химической реакции.
Зависимость скорости химической реакции от присутствия катализаторов и ингибиторов. Наконец, третьим фактором, оказывающим огромное влияние на скорость химических реакций, является присутствие катализаторов и ингибиторов – веществ, которые изменяют скорость реакции, но сами после реакции остаются химически неизмененными и в том же количестве, что и до реакции. Обычно влияние катализаторов выражается в ускорении химической реакции, ингибиторов – в ее замедлении. Иногда применение катализаторов может увеличить скорость реакции в 1000 и более раз. Чаще всего катализаторами служат мелко раздробленные металлы.
Протекание химических реакций в гетерогенных системах. Рассматривая влияние различных условий на скорость химических реакций. мы рассматривали главным образом реакции, идущие в однородных, или гомогенных, системах (смесь газов, растворы). Значительнее сложнее протекают реакции в гетерогенных системах.
Гетерогенной называется система, состоящая из двух или нескольких частей, различающихся по своим физическим или химическим свойствам и отделенных друг от друга поверхностями раздела.
Отдельные однородные части гетерогенной системы называются ее фазами.
Например, лед, вода и находящийся над ними пар образует гетерогенную систему из трех фаз: твердой (лед), жидкой (вода) и газообразной (водяной пар); кислота и опущенный в нее кусок металла образуют систему из двух фаз и т.д.
В гетерогенной системе реакция всегда происходит на поверхности раздела двух фаз, так как только здесь молекулы той и другой фазы сталкиваются между собой. Поэтому скорость гетерогенной реакции зависит не только от трех рассмотренных ранее факторов (концентрации реагирующих веществ, температуры и наличия катализаторов и ингибиторов), но и от величины поверхности соприкосновения между реагирующими фазами. Всякое увеличение поверхности приводит к увеличению скорости реакции. Так, например. измельченный уголь, обладающий большой поверхностью, сгорает гораздо быстрее, чем уголь в крупных кусках; растворение металлов в кислотах значительно ускоряется, если взять металлы в виде порошков и т.д. Важным фактором, обусловливающим скорость гетерогенной реакции, является также диффузия, благодаря которой к поверхности раздела притекают новые порции реагирующих веществ. Искусственно ускоряя процесс диффузии встряхиванием или перемешиванием, можно значительно повысить скорость реакции.