4. Виды сложных реакций

Сложные реакции – как многостадийные процессы классифицируются по характеру протекания различных стадий. В связи с этим рассматривают реакции с последовательными, параллельными и совмещенными стадиями. Рассмотрим эти случаи отдельно.

1. Реакции с последовательными стадиями

Это реакции, в которых образуется один или несколько промежуточных продуктов.

Примером таких реакций являются последовательные реакции первого порядка:

(6.10.1)

При этом если константа скорости k₁ ˃ k₂, то вещество А быстро переходит в промежуточное вещество В, которое затем медленно превращается в D. Это означает, концентрация В будет сначала увеличиваться, а затем уменьшаться. Общая скорость реакции будет определяться скоростью самой медленной стадией, то есть k₂. Эта стадия получила название лимитирующей стадией процесса.

2. Реакции с параллельными стадиями

В реакциях с параллельными стадиями исходное вещество А одновременно превращается в продукты В и D. На схеме 6.10.2 приведен пример реакции с 2-мя параллельными стадиями первого порядка:

(6.10.2)

Скорость процесса для реакций с параллельными стадиями определяется суммой скоростей по каждой стадии и в основном скоростью самой быстрой стадии. Это приводит к тому что количество образовавшегося продукта будет наибольшим именно для этой стадии.

3. Обратимые реакции

Практически все химические реакции являются обратимыми, то есть протекающими как в прямом, так и в обратном направлениях. Однако в определенных условиях многие химические процессы можно считать условно односторонними. Это возможно, когда скорость прямой реакции оказывается намного больше скорости обратной (именно такие реакции мы рассматривали в предыдущих разделах). В случае, когда скорости прямой и обратной реакции сравнимы, рассматривают обратимые реакции, а в уравнении реакции, как в схеме 6.10.3, вместо знака равенства или стрелки указывающей направление ставятся две обратно направленные стрелки.

(6.10.3)

В зависимости от соотношения скоростей (или констант скоростей) процессов через определенное время устанавливаются равновесные концентрации (указываются в квадратных скобках) исходных веществ и продуктов реакции. Если k₁ ˃ k_-1, то концентрация [В] ˃ [А] и наоборот. В следующем разделе более подробно рассмотрим условия установления и смещения равновесия.

4. Каталитические реакции

Каталитические реакций – сложный химический процесс, протекающий в несколько стадий. При этом одно из исходных веществ – катализатор, вступает в реакцию на начальных стадиях и восстанавливается в исходном виде на конечных. Простейшая схема каталитической реакции включает в себя 2 последовательные стадии и представлена на схеме 6.10.4.

Без катализатора	А +В = АВ
С катализатором	А +В +К = АК + В АК +В = АВ +К	(6.10.4)

Энергетическая диаграмма каталитической реакции приведена на рис. 6.9. На рис. Видно, что реакция без катализатора протекает с большим энергетическим барьером (энергией активации), чем в случае с катализатором, при этом на кривой наблюдается два максимума, соответствующих 2 стадиям и соответственно 2-м промежуточным активированным комплексам. Из представленных данных следует важный вывод – скорость химической реакции в присутствии катализатора должна быть выше скорости без него. Это происходит за счет снижения энергии активации по всем стадиям процесса.