8.4. Скорость химических реакций. Катализаторы
Химические реакции протекают с разными скоростями. Свеча, находящаяся в воздухе, не вступает с ним во взаимодействие, но, если ее зажечь, начинается реакция. Смесь бытового газа и воздуха в закрытой комнате не взаимодействует, но, если зажечь спичку, может произойти сильный взрыв. Кусок железа ржавеет, т.е. реагирует с воздухом очень медленно, а кусок белого фосфора воспламеняется на воздухе и т.д. Скорость реакции зависит от природы реагирующих веществ, концентрации реагирующих веществ, температуры. Реакции, при которых не происходит перераспределения связей, обычно при комнатной температуре протекают быстро. Реакции, при которых происходит разрыв связей, обычно при комнатной температуре протекают медленно.
Было установлено: во многих случаях при повышении концентрации реагирующих веществ скорость реакции возрастает. Это связано с тем, что число столкновений между реагирующими частицами – атомами, молекулами или ионами – становится больше. А столкновение частиц – необходимое условие протекания химических реакций. При столкновении могут происходить перегруппировка атомов и возникновение новых химических связей, в результате чего образуются новые вещества.
Температура заметно влияет на скорость химических реакций. Когда зажигают свечу, температура ее около фитиля повышается. При реакции горения выделяется тепло, достаточное для поддержания высокой температуры.
Многие реакции протекают очень медленно, если просто смешать реагирующие вещества, но их можно значительно ускорить путем введения некоторых других веществ, называемых катализаторами. При реакции они не расходуются. При этом большее число молекул может преодолеть более низкий энергетический барьер, что приводит к увеличению скорости реакции. Он только ускоряет реакцию, которая может происходить и без него, но значительно медленнее.
Очень большое число катализаторов, называемых ферментами, содержится в живых тканях. Наиболее известные ферменты пищеварительной системы – птиалин, содержащийся в слюне, и пепсин, вырабатываемый поджелудочной железой. Оба они способствуют разрушению больших молекул, например, крахмала и белка, на более простые молекулы, которые могут непосредственно усваиваться клетками организма. Помимо сравнительно небольшого числа ферментов пищеварительной системы, существует большое количество других ферментов, принимающих участие в биохимических реакциях. Специфическое действие катализатора во многих случаях еще не выяснено. Поиск подходящего катализатора для каждой реакции обычно требует большой экспериментальной работы.
8.5. Равновесие в химических реакциях. Принцип ле Шателье
Под равновесием обычно понимается состояние, в котором свойства системы, определенные экспериментально, не претерпевают дальнейшего изменения даже по истечении определенного промежутка времени. Таким образом, равновесие характеризуется постоянством макроскопических свойств. Равновесие может осуществляться только в замкнутой системе, содержащей постоянное количество вещества при постоянной температуре. Постоянство свойств обусловлено равновесием между двумя противоположными процессами, которые не прекращаются и после установления равновесия, – растворимостью и осаждением. При равновесии микроскопические процессы продолжаются, но они взаимно уравновешиваются, поэтому никаких макроскопических изменений не наблюдается.
Факторами, влияющими на состояние равновесия, являются концентрация и температура. Именно от этих факторов зависит скорость реакции. Равновесие достигается, когда скорости прямой и обратной реакций становятся одинаковыми. Любой фактор, который изменяет скорость прямой или обратной реакции, может оказывать влияние на состояние равновесия. При изменении концентрации реагирующих веществ (или продуктов реакции) изменяются и их равновесные концентрации. При изменении температуры тоже изменяются равновесные концентрации. Катализаторы, повышающие скорость реакции, однако, не изменяют состояния равновесия. Следовательно, любой катализатор оказывает одинаковое влияние на скорости прямой и обратной реакций.
Мы уже рассмотрели, что то или иное изменение приводит к изменению равновесия, но в каком направлении будет смещаться равновесие? И какова степень влияния, т.е. какие новые равновесные концентрации будут создаваться в изменившихся условиях? Качественно предсказать влияние изменений внешних условий можно с помощью правила, впервые сформулированного в 1884 г. французским химиком А. Ле Шателье. Это правило называется принципом Ле Шателье, или принципом подвижного равновесия: если на систему, находящуюся в устойчивом равновесии, воздействовать извне, изменяя какое-нибудь из условий, определяющих равновесие, то равновесие смещается в том направлении, в каком эффект воздействия уменьшается. Принцип Ле Шателье позволяет качественно судить о состоянии равновесия.
Фактором, влияющим на течение реакции, является температура. При любой температуре, кроме абсолютного нуля, происходит непрерывное беспорядочное движение молекул. Одни молекулы имеют низкую кинетическую энергию, другие – высокую. Таким образом, можно отметить следующие характерные черты химических реакций:
Химические реакции протекают самопроизвольно в направлении достижения равновесия.
Фактором, определяющим состояние равновесия, является энергия. Равновесие стремится сместиться в сторону образования веществ с минимальной энергией.
Другим фактором, определяющим состояние равновесия, является беспорядочность движения, обусловленная температурой. Равновесие стремится сместиться в сторону максимальной беспорядочности движения.
Состояние равновесия определяется одновременно обоими факторами: минимальной энергией и максимальной беспорядочностью движения.
При очень низких температурах преобладающим фактором является беспорядочное тепловое движение молекул. В этом случае равновесие благоприятствует произвольному распределению исходных веществ и продуктов реакции. Это и есть модель для объяснения химических реакций и равновесия. При очень высоких температурах преобладающим фактором является беспорядочное тепловое движение молекул. В этом случае равновесие благоприятствует произвольному распределению исходных веществ и продуктов реакции.
