3. Реакционная способность веществ. Виды химических реакций.

Химические реакции – это основа химии. От чего же зависит возможность осуществления реакции, т.е. перестройки химических связей?

Принципиальный ответ дают законы термодинамики. Обычно реакция происходит, если в продуктах реакции суммарная энергия связей меньше, чем в исходных веществах. Более точные исследования показали, что важно не только уменьшение энергии, но и возрастание энтропии. Реакция возможна, если она сопровождается уменьшением функции свободной энергии, сочетающей в себе энергию и энтропию:

.

Долгое время способность или неспособность веществ вступить в реакцию объясняли «химическим сродством», но ни качественного, ни тем более количественного обоснования этот термин не имел. Ответ удалось получить лишь благодаря квантовой механике и дочерней науке – квантовой химии. Оказалось, что реакционная способность молекулы зависит от строения электронных оболочек атомов. Если оболочка такова, что не способна к перестраиванию, то атомы отталкиваются под действием кулоновских сил. Если же она может перестроиться, то оболочки атомов обобществляются, приобретают новую форму и образуют химическую связь, притягиваясь одновременно к обоим ядрам. Часто для преодоления сил кулоновского отталкивания и вступления молекул в реакцию требуется некоторая дополнительная энергия, называемая энергией активации Е_А.

Все огромное разнообразие химических реакций можно разделить на группы, руководствуясь каким-либо признаком.

• По обратимости: обратимые и необратимые.

• По скорости протекания: быстрые и медленные. Скорость реакции зависит от частоты колебаний атомов в исходных веществах, т.е. в конечном счете от температуры. Особую роль в ускорении реакций играют катализаторы, в замедлении – ингибиторы.

• По тепловому эффекту: эндотермические, идущие с поглощением теплоты, и экзотермические, идущие с выделением теплоты.

• По исходным веществам и продуктам реакции:

X + Y = Z – реакции соединения,

Z = X + Y – реакции разложения,

X + YZ = XY + Z – реакции замещения,

XY + ZR = XZ + YR – реакции обмена.

4. Тепловой эффект химических реакций и энтропия.

Следствием I начала термодинамики является закон Гесса: тепловой эффект химической реакции (т.е. изменение внутренней энергии системы в результате реакции) зависит только от начального и конечного состояния участвующих в реакции веществ и не зависит от промежуточных стадий процесса. Из закона Гесса следует, что с термохимическими уравнениями можно поступать, как с обыкновенными алгебраическими уравнениями.

Что при этом происходит с энтропией? Если в экзотермических реакциях ее увеличение довольно очевидно (теплота выделяется в окружающую среду, увеличивая степень ее неупорядоченности), то в случае эндотермической реакции все не так очевидно. Действительно, в систему поступила энергия, использованная на образование новых связей. Продукты реакции обладают большей энергией, чем исходные. Эта энергия взята из окружающей среды, значит, энтропия окружающей среды также уменьшилась. Не произошло ли нарушение II начала термодинамики? Для ответа на этот вопрос надо учесть еще один факт: возникает беспорядок нового типа, в процессе реакции в сосуде присутствуют одновременно продукты реакции и исходные вещества, т.е. смесь. А энтропия смеси всегда выше, чем энтропия отдельно взятых веществ (качественно это можно понять на примере диффузии: это необратимый процесс, т.к. энтропия возрастает при смешивании веществ). Расчеты показывают, что возрастание энтропии в результате смешения выше, чем убыль, вызванная упомянутыми причинами. Отметим, что согласно современным представлениям, в реакции участвуют и стенки сосуда, и растворители, и случайные примеси. При расчете баланса энтропии и энергии их также нужно учитывать.