1.3.6. Другие факторы, влияющие на скорость химической реакции

Кроме рассмотренных выше, к факторам, влияющим на скорость реакции можно отнести агрегатное состояние веществ, степень дисперсности (раздробленности), внутреннее состояние молекул.

Вещества, находящиеся в твердом или жидком состоянии и взятые в виде сплошных масс, реагируют медленно вследствие малого контакта между ними (он осуществляется только лишь по поверхности соприкосновения твердых или жидких тел). Для увеличения контакта следует, по возможности, повышать степень их дисперсности, например дроблением, распылением, растворением, перемешиванием, превращением в пар и т.п.

1. Увеличение поверхности (размельчение) твердого тела значительно ускоряет химические реакции. Например, куски угля или мука в обычном состоянии сгорают медленно; в то же время угольная или мучная пыль, взвешенные в воздухе, могут давать взрывы большой силы.

В промышленности широко используется пылевидное топливо. Распыление жидкого топлива (мазута, нефти) при помощи специальных форсунок (распылителей) значительно ускоряет процесс его сгорания.

2. При растворении вещества в воде или в другом подходящем растворителе происходит его распад на отдельные молекулы (в случае неэлектролитов) или же на ионы (в случае электролитов). При смешивании растворов реагирующих веществ их частицы приходят в близкий контакт, и поэтому такие реакции обычно протекают быстро.

3. Вещества в газообразном состоянии взаимодействуют между собой особенно быстро. Например, бензин, находящийся в емкости сплошным слоем, медленно и спокойно сгорает слегка кипящим пламенем. Тот же бензин, но в парообразном состоянии, в смеси с воздухом при воспламенении дает взрыв. Подобные взрывы возможны при неосторожном обращении с огнеопасными, легко летучими веществами (бензином, эфиром и т.п.) вблизи открытого огня. Паровоздушная бензиновая смесь используется в качестве рабочего горючего в двигателях внутреннего сгорания. Взрывчаты и газовые смеси водорода с хлором, водорода и метана с кислородом и т.п.

4. Возбуждение молекул и атомов делает их весьма реакционно-способными. Это связано с тем, что возбужденные частицы обладают повышенным запасом энергии и поэтому отличаются большой химической активностью. Возбуждение молекул может быть осуществлено воздействием внешних факторов (нагрев до высокой температуры, облучение рентгеновскими, γ–лучами и т.п.).

1.4. Катализ

Одним из самых распространённых методов изменения скорости реакции является катализ. Это процесс, протекающий в присутствии катализаторов –  веществ, принимающих участие в его промежуточных стадиях, но остающихся к концу реакции неизменными по химическому составу и количеству.

Катализаторы могут как ускорять, так и замедлять протекание реакции. В первом случае катализ называется положительным, во втором – отрицательным. Катализаторы, уменьшающие скорость реакции, называются ингибиторами.

1.4.1. Особенности катализаторов

Отметим некоторые основные особенности катализаторов:

а) катализаторы способны ускорить химический процесс, присутствуя в реакционной системе даже в чрезвычайно малых количествах; например, для заметного изменения скорости окисления сульфита натрия (Na₂SO₃) в водном растворе достаточно присутствия 10^-13 грамм-эквивалентов CuSO₄ в одном литре раствора;

б) какой бы ни был кинетический закон протекания реакции, скорость её в первом приближении прямо пропорциональна количеству катализатора;

в) действие катализаторов селективно: вещество, ускоряющее протекание данной химической реакции, может оказаться совершенно неэффективным для другой (эта особенность чрезвычайно резко проявляется у биологических катализаторов  ферментов).

Например, муравьиная кислота в присутствии таких металлов как Pt, Ni, Cu дегидрируется (температура~250300⁰С) c образованием водорода и углекислого газа, а в присутствии оксида алюминия Al₂O₃ дегидратируется (температура~300⁰С) с выделением моноокиси углерода:

H₂ + CO₂

HCOOH  

H₂O + CO;

из этилового спирта при 300⁰С в присутствии оксида алюминия получают воду и этилен

C₂H₅OH  H₂O + C₂H₄,

а в присутствии мелкораздробленной меди образуется водород и уксусный альдегид:

C₂H₅OH  H₂ + СH₃C(H)O

г) по окончании реакции катализаторы находятся в числе её продуктов в неизменном состоянии и могут многократно использоваться без регенерации или специальной очистки;

д) в случае участия катализатора в обратимых химических реакциях он не смещает положение равновесия (см. п.2.6), т.е. не изменяет значения равновесных концентраций. Катализатор в равной степени ускоряет и прямую и обратную реакции и тем самым обеспечивает более высокую скорость достижения равновесия.

Некоторые вещества, сами не являясь катализаторами, даже в малом количестве резко увеличивают активность катализатора. Их называют промоторами или активаторами. Например, синтез NH₃ из H₂ и N₂ ведут на железном катализаторе, активированном незначительными количествами оксидов алюминия, калия, кальция и кремния.

В других случаях присутствие в реакционной смеси даже ничтожно малых количеств некоторых веществ существенно снижает или полностью подавляет активность катализаторов. Такие вещества получили название каталитических ядов, а само явление – отравления катализаторов. Например, для вышеупомянутого железного катализатора синтеза аммиака ядами являются кислород, сера.