В.Б. Налбандян

Химическая кинетика

Учебно-методическое пособие для студентов 1 курса физического факультета

1. Основные понятия [1, §57; 2]

1.1. Химическая кинетика

Химическая кинетика – наука о скоростях и механизмах химических реакций. Химические реакции – это превращения одних веществ в другие в результате столкновений молекул, ионов или радикалов друг с другом или с твёрдым телом в процессе теплового движения (радикал – обломок молекулы с ненасыщенной валентностью и потому неустойчивый, быстро соединяющийся с чем-нибудь).

Гомогенные реакции происходят в однородной среде – газовом, жидком или твёрдом растворе, а гетерогенные – на границе раздела фаз (газ–жидкость, газ–твёрдое, жидкость–жидкость, жидкость–твёрдое, твёрдое–твёрдое). Не путайте агрегатное состояние и фазу. Если все реагенты и продукты жидкие, сколько здесь фаз? Не всегда одна! Ведь бывают несмешивающиеся жидкости. Например, вода и масло.

Водная щелочь + растительное масло  водный раствор мыла + водный глицерин. Здесь две жидкие фазы: водная и масляная.

CaO + SiO₂  CaSiO₃ – некоторые думают, что это гомогенная реакция, т.к. все твердое. Нет, здесь минимум три твердые фазы. В мельчайших крупинках оксида кальция очень много ионов кальция и совсем нет кремния, а в крупинках оксида кремния – наоборот. Реакция идет в месте контакта этих крупинок, там образуется третья фаза – силикат кальция, которая изолирует реагенты друг от друга. Фаз здесь может быть и больше трех, т.к. возможно параллельное образование также Ca₂SiO₄ и Ca₃SiO₅.

BaCl₂ (водн.) + H₂SO₄ (водн.) = BaSO₄ (тв.) + 2HCl (водн.). Оба реагента находятся в гомогенной среде – в одном растворе, но как только образуются кристаллические зародыши сульфата бария – реакция становится гетерогенной, т.к. дальнейшее образование сульфата бария идёт на поверхности этих зародышей.

Элементарные акты химических реакций (превращения при столкновениях) происходят за очень короткое время: порядка 10^–13 с. Поэтому некоторые реакции (например, нейтрализация кислоты и основания или детонация взрывчатого вещества) протекают практически мгновенно. Но если реагировать могут только частицы очень высокой энергии, которых в веществе очень мало, то элементарные акты происходят очень редко, и заметный внешний результат может появится только через очень длительное время. Например, геологические процессы выветривания горных пород занимают тысячи или даже миллионы лет. Изучение скоростей реакций и факторов, влияющих на них, очень важно и для фундаментальной науки, и особенно для промышленности.

Попутно заметим, что механизмы реакций гораздо труднее для изучения. Мы довольно много знаем о структуре и свойствах исходных веществ и продуктов (их можно изучать месяцами), об изменениях внутренней энергии и других функций состояния (они рассматриваются позже в теме «Химическая термодинамика»), и гораздо меньше - о механизмах: как начальное состояние превратилось в конечное. Проблема в том, что промежуточное состояние существует ничтожно малое время. Для изучения механизмов применяют метод меченых атомов (т.е. необычных изотопов элементов), изучение скоростей реакций, фемтосекундную спектроскопию и другие экспериментальные методы, а также компьютерное моделирование методами квантовой химии.