Скорость химической реакции зависит от природы реагирующих веществ и условий протекания реакции: концентрации с, температуры t , присутствия катализаторов, а также от некоторых других факторов (например, от давления - для газовых реакций, от измельчения - для твердых веществ, от радиоактивного облучения).

Влияние концентраций реагирующих веществ. Чтобы осуществля­лось химическое взаимодействие веществ А и В, их молекулы (части­цы) должны столкнуться. Чем больше столкновений, тем быстрее протекает реакция. Число же столкновений тем больше, чем выше концентрация реагирующих веществ. Отсюда на основе обширного экспериментального материала сформулирован основной за­кон химической кинетики, устанавливающий зависимость скорости реакции от концентрации реагирующих веществ:

Cкорость  химической реакции  пропорциональна произведению  концентра­ций реагирующих веществ.

Для реакции ( I ) этот закон выразится уравнением

v = kc_A c_B ,       (1)

где с_А  и с_В   - концентрации веществ А и В, моль/л; k - коэффициент пропорциональности, называемый константой скорости реакции. Основной закон химической кинетики часто называют законом действующих масс.

Из уравнения (1) нетрудно установить физический смысл константы скорости k : она численно равна скорости реакции, когда концентрации каждого из реагирующих веществ сос­тавляют 1 моль/л или когда их произведение равно единице.

Константа скорости реакции k зависит от природы реагирующих веществ и от температуры, но не зависит от их концентраций.

Уравнение (1), связывающее скорость реакции с концентрацией реагирующих веществ, называется кинетическим уравнением реакции. Если опытным путем определено кинетическое уравнение реакции, то с его помощью можно вычислять скорости при других концентрациях тех же реагирующих веществ.

Влияние температуры .

Зависимость скорости реакции от температу­ры определяется правилом Вант-Гоффа:

При повышении температуры на каждые 10^о скорость большинства реакций увеличивается в 2-4 раза.

Математически эта зависимость выражается соотношением

 

v_{t 2} = v_{t 1} γ  , 

где v_{t 1} , v_{t 2}  -  скорости реакции  соответственно при  начальной  ( t ₁ ) и конечной ( t ₂ ) температурах, а γ - температурный коэффициент скоро­сти реакции, который показывает, во сколько раз увеличивается ско­рость реакции с повышением температуры реагирующих веществ на 10°.

Правило Вант-Гоффа является приближенным и применимо лишь для ориентировочной оценки влияния температуры на скорость реак­ции. Температура влияет на скорость химической реакции, увеличивая константу скорости.

Сущность химического процесса

Учение о химическом процессе характеризуется взаимодействием физики, химии и биологии и базируется на идеях химической термодинамики и кинетики, которые обычно рассматриваются в физической химии. Химический процесс всегда был в центре внимания химиков. Однако понимание его сущности стало возможным лишь в конце XIX в., а современное представление о том, что такое химический процесс, сложилось в 1950-х гг. Условия среды на Земле таковы, что молекулы непрерывно разрушаются и снова образуются. Если бы температура Земли была значительно выше, например как температура поверхности Солнца, то многие молекулы никогда бы не образовались из-за слишком сильного теплового возбуждения (атомы не могли бы оставаться друг возле друга), а если бы температура Земли была гораздо ниже, молекулы, соединяясь, образовали бы твердые тела и кристаллы и никакие изменения не происходили. Температура на Земле такова, что энергии достаточно для разрушения некоторых молекул, однако количество энергии не слишком велико, благодаря чему большинство соединений может существовать в течение какого-то времени. Создание и разрушение молекул сообщают постоянные изменения окружающей среде и создают тем самым возможность жизни. Одно из важнейших следствий образования молекул состоит в высвобождении энергии [2]. Этот процесс особенно нагляден при сжигании угля или других веществ. Горение любого типа связано с образованием новых молекул и, следовательно, с выделением тепловой энергии. Рассмотрим подробнее, как и почему высвобождается энергия при соединении атомов в молекулы. Понятно, что для разрыва химической связи требуется некоторое количество энергии и такое же ее количество высвобождается при образовании связи. Таким образом, нужно затратить энергию, чтобы разделить молекулу на атомы, и энергия выделяется, когда атомы образуют молекулу. Эта энергия проявляется в различных формах, например в виде колебаний. Когда атомы соединяются, образующаяся молекула начинает колебаться в результате сильного столкновения атомов. Вообще, когда атомы образуют молекулу, энергия высвобождается и обычно проявляется в форме движения, что эквивалентно теплоте. В некоторых особых случаях энергия связи не превращается в теплоту: химические реакции присоединения происходят таким образом, что энергия, выигранная при образовании молекул, передается молекулам другого рода, т.е. энергия образования молекулы запасается в другой молекуле, а не растрачивается в виде теплоты. Этот случай важен для поддержания жизни. Обратимся к такому хорошо известному химическому процессу, как процесс горения угля. Углерод угля и кислород воздуха образуют углекислый газ - диоксид углерода. Кусок угля - это совокупность атомов углерода, расположенных в правильном порядке, т.е. кристалл углерода. Кислород воздуха состоит из молекул кислорода. Поэтому химическая реакция горения угля имеет вид С + О2=СО2. Эта реакция происходит в два этапа: сначала разрывается связь в молекуле О2, а затем два атома кислорода присоединяются к углероду. Первый этап требует затрат энергии. При обычных температурах тепловой энергии недостаточно для расщепления молекулы кислорода на два атома, как в тех случаях, когда уголь соприкасается с воздухом без горения. Но если подвести теплоту от зажженной спички или горящей щепки, то реакция начнется. На втором ее этапе при образовании СО2 выделяется больше энергии, чем требуется для расщепления О2 (рис. 7.5, а). Поэтому энергия, необходимая для дальнейшего расщепления О2, поставляется самим процессом горения. Таким образом, при горении угля большая часть энергии выделяется в виде теплоты, а часть энергии, высвобождаемой на втором этапе, идет на инициирование дальнейших реакций. Полезная теплота равна избытку энергии, выделяющейся на втором этапе, над энергией, потребной для первого этапа. Начавшись, образование диоксида углерода продолжается до тех пор, пока не израсходуется весь углерод. При этом выделяется большое количество теплоты. Нагревание столь сильно, что атомы и молекулы начинают испускать свет. Пламя, которое мы видим при горении угля, состоит из молекул СO2 и атомов углерода, выброшенных в результате сильного нагрева и испускающих излучение. Таким образом, пламя не вид вещества (флогистон), как некогда полагали. Это накаленная материя, полученная в химической реакции, в которой выделяется очень много энергии. Горение угля - простейшая форма выделения химической энергии. Аналогичный процесс происходит при горении метана и других углеводородов. Здесь требуется начальная теплота, чтобы расщепить и молекулы О2, и молекулы углеводорода. После этого углерод соединяется с кислородом, образуя диоксид углерода, а водород соединяется с кислородом, образуя воду. Химическая реакция горения метана СН4 показана на рис. 7.5 б. Так как в молекулах СН4 и О2 связи существенно слабее, чем в молекулах СО2 и Н2О, чистый выигрыш энергии в данной реакции очень велик. Поэтому метан и другие углеводороды дают сильное пламя и много теплоты. Однако в отличие от горения угля в пламени углеводородов вместе с раскаленным СО2 содержится водяной пар. Если подержать холодное стекло в пламени свечи или горящего дерева, то на стекле образуется конденсированный водяной пар, который не получается в пламени чистого угля. Таким же образом любая молекула, состоящая из углерода, водорода и кислорода, может гореть, т.е. превращаться в углекислый газ и водяной пар, соединяясь с кислородом воздуха. Но для горения молекул спирта или сахара нужно меньшее количество кислорода, поскольку они сами содержат О2. Химические реакции, производящие энергию, всегда начинаются с превращения молекул со слабыми связями в молекулы с прочными связями; при этом высвобождается разница в энергиях сильной и слабой связи. Молекулы СО2 и воды имеют прочные связи; то же можно сказать о большинстве молекул, в которых атомы связаны с кислородом. Молекулы, содержащие углерод и водород, связаны слабо, они легко разрушаются и рекомбинируют, могут образовывать длинные цепи и способны объединяться в сложные структуры. Если их слабые связи превращаются в сильные связи с кислородом в результате какого-либо сложного процесса, то выделяется энергия. Благодаря этим свойствам они играют важную роль в живой материи.