5. Химическое равновесие. Катализ и его виды.

При обратимых реакциях в сосуде одновременно происходят и прямая, и обратная реакция.

Большинство химических реакций не идет до конца. В какой-то момент скорости прямой и обратной реакции сравняются, и установится динамическое равновесие. Это означает прекращение реакции. Вывести систему из равновесия можно, только изменив внешние условия согласно принципу, установленному в 1884 г. Анри Луи Ле Шателье. В современной формулировке он звучит так: внешнее воздействие, выводящее систему из термодинамического равновесия, вызывает в ней процессы, направленные на ослабление результатов такого воздействия.

Эти идеи настолько близко перекликаются с выводами термодинамики, что соответствующий раздел науки называется химической термодинамикой.

Скорости химических реакций и особенности их протекания изучает химическая кинетика. Ее основы заложены в конце Х1Х в. Вант-Гоффом и Св. Аррениусом. Аррениус показал, что скорость реакции зависит от вероятности скопления энергии активации в рассматриваемой области, и получил для этой вероятности W простое выражение: W = exp(-E_акт./kT), где k – постоянная Больцмана, Т – температура. С помощью формулы Аррениуса рассчитывают скорости химических реакций.

Новые химические технологии требуют увеличения скорости некоторых реакций, а также смещения равновесия за счет изменения внешних факторов (давления р, температуры Т), с тем, чтобы получать нужные продукты реакции. При этом используются особые вещества – катализаторы. По определению, катализатор – это вещество, которое изменяет скорость реакции, но не входит в состав конечного продукта реакции. Катализатором может служить не только вещество, но и другой источник энергии активации.

Различают следующие основные виды катализа:

• Гомогенный – когда исходные реагенты находятся в одинаковом агрегатном состоянии (жидком или газообразном).

• Гетерогенный – реакция происходит на границе раздела твердого тела и газообразной или жидкой смеси реагентов.

• Ферментативный – встречается в живых организмах. Почти все химические превращения в живых клетках происходят в присутствии катализаторов – ферментов. Ферменты – это крупные белки, которые удерживают молекулы реагента в ждущем состоянии до начала реакции, они же собирают нужные для нее вещества. Ферментативному катализу присущи свойства как гомогенного, так и гетерогенного катализа.

• Фотокатализ – реакция стимулируется энергией поглощенного излучения (фотонов) и может происходить на поверхности твердого тела или в растворе. Природный, или биокатализатор этого типа – хлорофилл, металлоорганическое соединение в зеленом листе.

• Электрокатализ – на поверхности электрода под действием электрического тока в контакте с раствором. Электрокатализом можно управлять, изменяя силу тока.

Особо следует выделить автокаталитические реакции, примером которых служит реакция Белоусова-Жаботинского (см. лекцию 16)– «химические часы». В таких реакциях катализаторами и ингибиторами процессов выступают сами вещества – промежуточные продукты реакции. Концентрации этих веществ описываются уравнениями для автоколебаний.