42. Сложные химические реакции.

Сложные реакции -  такие химические реакции, элементарные акты которых различны. В противоположность С. р. элементарные акты простых реакций не отличаются один от другого природой участвующих в них веществ, а лишь, возможно, — направлением превращения, если реакция обратима (в последнем случае некоторые авторы реакцию также называют сложной). С. р. можно рассматривать как совокупность простых реакций, которые в этом случае называются стадиями сложной реакции. Иногда все образующиеся в ходе С. р. вещества являются её продуктами в том смысле, что они могут быть получены в количествах, сравнимых с затраченными количествами исходных веществ. Таковы, в частности, Последовательные реакции и Параллельные реакции. Более распространён, однако, тип химических реакций, иллюстрируемый примером гомогенного распада закиси азота N2O. Эта реакция происходит в две стадии:

         1) N2O → N2 + O 2

         2) 2O→O2 1

         2N2O = 2N2 +O

        Под чертой приведено итоговое уравнение реакции, выражающее её конечный результат, устанавливаемый с помощью химического анализа или каким-либо иным сравнительно грубым методом, например по изменению давления, если реакцию проводят в замкнутой системе. Чтобы получить итоговое уравнение суммированием химических уравнений стадий 1 и 2, эти уравнения надо предварительно умножить на числа, написанные справа от них. Такие числа называются стехиометрическими числами. Вещества, образующиеся и расходующиеся на разных стадиях, но не входящие в итоговые уравнения, называются промежуточными веществами (атомный кислород, например, — промежуточное вещество распада N2O).

         Наиболее важные типы С. р. — каталитические реакции (см. Катализ) и Цепные реакции. Особенность тех и других — циклическое образование и расходование промежуточных веществ; основное различие состоит в характере этих промежуточных веществ. При катализе промежуточные вещества — устойчивые образования, способные сами по себе, в отсутствие реакции, существовать неопределенно долго. Промежуточные вещества цепных реакций — атомы, свободные радикалы или возбуждённые молекулы — могут существовать только короткое время.

         Если С. р. происходит в открытой системе, при непрерывной подаче с постоянной скоростью исходных веществ и с непрерывным удалением продуктов реакции, то реакция может происходить стационарно. Каждое промежуточное вещество тогда образуется и расходуется с одинаковой скоростью, так что его количество в системе не изменяется со временем. Реакция в замкнутой системе может происходить квазистационарно, если среднее время жизни промежуточных веществ мало по сравнению со временем, за которое происходит существенное изменение состава реагирующей смеси. При этом течение реакции в каждый момент практически не отличается от стационарного.

         Важнейшим случаем нестационарных реакций являются реакции с разветвляющимися цепями, теория которых была создана Н. Н. Семеновым (См. Семёнов).

         Скорость отдельных стадий С. р. определяется Действующих масс законом, на основе которого можно получить уравнения, описывающие течение С. р. Задача значительно упрощается, если реакция стационарна или квазистационарна.

43. Обратимые химические реакции и химическое равновесие.

Обратимые реакции — химические реакции, протекающие одновременно в двух противоположных направлениях (прямом и обратном), например:

3H2 + N2 ⇌ 2NH3.

Направление обратимых реакций зависит от концентраций веществ — участников реакции. Так в приведённой реакции, при малой концентрации аммиака в газовой смеси и больших концентрациях азота и водорода происходит образование аммиака; напротив, при большой концентрации аммиака он разлагается, реакция идёт в обратном направлении. По завершении обратимой реакции, т. е. при достижении химического равновесия, система содержит как исходные вещества, так и продукты реакции.

Простая (одностадийная) обратимая реакция состоит из двух происходящих одновременно элементарных реакций, которые отличаются одна от другой лишь направлением химического превращения. Направление доступной непосредственному наблюдению итоговой реакции определяется тем, какая из этих взаимно-обратных реакций имеет большую скорость. Например, простая реакция N2O4 = 2NO2

складывается из элементарных реакций N2O4 = 2NO2 и 2NO2 = N2O4.

Для обратимости сложной (многостадийной) реакции, например уже упоминавшейся реакции синтеза аммиака, необходимо, чтобы были обратимы все составляющие её стадии.

Химическое равновесие — состояние химической системы, в котором обратимо протекает одна или несколько химических реакций, причём скорости в каждой паре прямая-обратная реакция равны между собой. Для системы, находящейся в химическом равновесии, концентрации реагентов, температура и другие параметры системы не изменяются со временем. А2 + В2 = 2AB.