3. Химическая кинетика

Химическая термодинамика изучает возможность, направление и пределы самопроизвольного протекания химических процессов. Однако механизм и скорость процессов в термодинамике не рассматриваются.

Область химии, изучающая молекулярный механизм химической реакции и скорость её протекания, называется химической кинетикой.

3.1. Скорость химической реакции

Различают химические реакции, протекающие в гетерогенной (гетерогенные реакции) и гомогенной (гомогенные реакции) системах.

Если реакция протекает в гомогенной системе, то она идёт во всём её объёме.

Если реакция протекает между веществами, образующими гетерогенную систему, то она может протекать только на поверхности раздела фаз.

Скоростью гомогенной реакции называется изменение количества вещества ∆n, вступающего в реакцию или образующегося в результате реакции, за единицу времени в единице объёма.

; . (29)

Отношение количества вещества к объёму системы представляет собой молярную концентрацию, а соответственно, приращение количества вещества − приращение молярной концентрации:

.

Тогда формула (29) принимает следующий вид:

(30)

то есть скоростью гомогенной реакции называется изменение концентрации какого-либо из веществ-участников реакции в единицу времени.

Скоростью гетерогенной реакции называется изменение количества вещества, вступающего в реакцию или образующегося в результате реакции за единицу времени на единице площади поверхности раздела фаз:

. (31)

t

Кривая 1 соответствует изменению концентрации исходных веществ (реагентов).

Кривая 2 соответствует изменению концентрации конечных веществ (продуктов реакции).

Энергия активации химической реакции

Для того, чтобы произошла химическая реакция, молекулы взаимодействующих веществ должны столкнуться. Однако не всякое столкновение молекул является эффективным, т. е. таким, чтобы произошло ослабление или разрыв связей между атомами во взаимодействующих молекулах и перегруппировка этих атомов в новые молекулы. Это происходит только в том случае, если энергия взаимодействующих молекул превышает некоторую пороговую энергию. Эта энергия получила название энергии активации: молекулы, обладающие энергией активации, называются активными молекулами. Только взаимодействие активных молекул приводит к протеканию химической реакции и образованию молекул нового вещества.

Любая химическая реакция начинается с разрыва или ослабления связей между атомами в молекулах исходных веществ, при этом реагирующие между собой вещества переходят в неустойчивое промежуточное состояние, характеризующееся большим запасом энергии. Это состояние называется активированным комплексом. Именно для его образования и необходима энергия активации. Активированный комплекс существует очень короткое время и распадается с образованием продуктов реакции, энергия при этом выделяется.

В простейшем случае активированный комплекс представляет собой конфигурацию атомов, в которой ослаблены старые связи и образованы слабые новые связи.

Активированный комплекс возникает как промежуточное состояние, как для прямой, так и для обратной реакций. Энергетически он отличается от исходных веществ на величину энергии активации прямой реакции, от конечных веществ − на величину энергии активации обратной реакции.