Хорошо известно, что реакционная способность веществ варьируется в широких пределах. Все взрывчатые вещества обладают высокой реакционной способностью. Некоторые реакции, характерные, например, для геологических явлений, растягиваются на миллионы лет. Реакции между молекулами протекают обычно медленнее, чем между ионами. Химически пассивны благородные металлы, например золото, и инертные газы, в частности гелий. На их фоне щелочные металлы, например литий, обладают высокой активностью. Для всесторонней характеристики реакционных способностей веществ химикам пришлось ввести целый ряд понятий, среди которых главнейшими являются «химический потенциал», «химическая активность» и «скорость химической реакции».
Химический потенциал представляет собой энергию, добавляемую в химическую систему одной частицей без совершения работы. Этой энергией является в случае постоянства: энтропии и объема — внутренняя энергия, энтропии и давления — энтальпия, температуры и объема — энергия Гельмгольца (F = U + pV)y температуры и давления — энергия Гиббса. Читатель, очевидно, не удивлен тем обстоятельством, что реакционные способности химических веществ определяются в первую очередь их энергетическими параметрами. Эта характерная особенность веществ неоднократно обсуждалась на протяжении всей данной главы.
На основе понятия химического потенциала определяется понятие активности химических веществ (а):
где Pj — химический потенциал при данных условиях; pf — потенциал для условий, принятых стандартными (часто это условия чистого компонента); R — газовая постоянная; Т — температура.
Как следует из формулы (5.10), при определении реакционных способностей веществ дополнительно к энергетическим характеристикам следует учитывать в качестве одного из факторов температуру.
Химический потенциал и активность являются динамическими характеристиками реакционной способности вещества. Разумеется, они приводят к определенной кинетике. В этой связи решающее значение имеет скорость химических реакций, которая является основным предметом изучения химической кинетики. Таким образом, скорость химической реакции является основной кинетической характеристикой реакционной способности вещества. Она понимается как изменение концентрации реагирующих веществ за секунду.
Согласно основному уравнению химической кинетики скорость реакции (и) пропорциональна концентрации © реагентов (Л, В,…):
Химическая коррозия в котельных установках
... в одном акте и их скорости зависят от электродного потенциала металла (например, ржавление стали в морской воде). При химической коррозии ... химическую коррозию и электрохимическую коррозию. В данном реферате подробно рассматривается химическая коррозия ... гетерогенную химическую реакцию. Процесс химической коррозии происходит следующим ... в технике применяют преимущественно их сплавы с другими веществами, ...
где k — постоянная скорости; пА — порядок реакции по реагенту Л; пв — порядок реакции по реагенту В (https:// , 24).
Порядок реакции по реагенту равен показателю степени, в которую следует возвести концентрацию данного реагента. Он определяется экспериментальным путем и в достаточно простых случаях принимает значения О (реакция нулевого порядка), 1 (реакция первого порядка), 2 (реакция второго порядка).
Но его значения необязательно являются целочисленными, к тому же они могут быть и отрицательными.
Величину k называют постоянной скорости. В действительности же она не является постоянной, а зависит от многих факторов, в частности от температуры. Она не зависит только от концентрации реагентов, ибо их значение учитывается не величиной k, а другими членами кинетического уравнения. Скорость химической реакции зависит от концентрации реагентов, а постоянная реакции от этой концентрации не зависит.
Скорость химической реакции, а следовательно, и реакционная способность веществ зависят от многих факторов, главные из них указаны в табл. 5.10.
Таблица 5.10
Факторы, влияющие на скорость химической реакции
|
Факторы. |
Характер влияния. |
|
Концентрация. |
Чем выше концентрация, тем больше скорость реакция. Дело в том, что с ростом концентрации увеличивается число элементарных химических актов. |
|
Температура. |
Чем выше температура, тем больше скорость реакции. Объясняется это гем, что увеличивается число контактов частиц, многие из которых обладают необходимой энергией активации. Согласно правилу Вант-Гоффа, в интервале температур от 0 до 100 °C при увеличении температуры на 10 °C скорость реакции увеличивается в 2—4 раза. Это правило имеет много исключений. |
|
Давление. |
Чем выше давление, тем больше скорость реакции. Ведь рост давления приводит к повышению концентрации. Впрочем, этот эффект в основном характерен для газов и в значительно меньшей степени для жидкостей и твердых тел. |
|
Природа реагирующих веществ. |
Ионнообменные и кислотно-основные реакции, как правило, идут значительно быстрее, чем реакции комплсксообразования. |
|
Агрегатное состояние вещества. |
В твердых телах реакции происходят медленнее, чем в жидких и газообразных. Скорость реакции также зависит от степени однородности или, наоборот, неоднородности реагентов. Перемешивание, как правило, повышает скорость реакции. |
|
Катализатор |
Увеличивает скорость химических реакций. Основной эффект достигается за счет снижения энергии активации. По определению, катализатор остается химически неизменным. В биохимических реакциях роль катализаторов играют ферменты. |
|
Ингибитор |
Уменьшает скорость реакций, остается химически неизменным. |
|
Свойства растворителя. |
Как правило, растворитель способствует росту скорости реакции. Особенно это характерно для полярных растворителей, т. е. растворителей, обладающих электрическим дипольным моментом. |
|
Различные типы излучений. |
Как правило, ускоряют ход реакций. |
Мы рассмотрели динамические и кинетические аспекты реакционных способностей химических веществ. Во избежание недоразумений следует отметить, что понятие «реакционные способности вещества» не является устоявшимся в химии. Выражение, взятое нами в кавычки, широко используется, но оно не определяется в качестве такого параметра, который фигурировал бы в химических формулах. Нет такого единообразного параметра, в соответствии со значением которого можно было бы установить иерархию всех химических веществ. Из сказанного, на наш взгляд, не следует вывод, что нельзя использовать выражение «реакционные способности вещества». Вряд ли химическое сообщество откажется от этого выражения. По нашему мнению, реакционная способность вещества представляет собой комплекс характеристик, среди которых наиважнейшими являются в динамическом отношении энергия Гиббса, а в кинетическом отношении — скорость химической реакции.
Выводы
-
- Для всесторонней характеристики реакционных способностей веществ химикам пришлось изобрести целый ряд понятий, среди которых главнейшими являются «химический потенциал», «химическая активность» и «скорость химической реакции».
- Важнейшей кинетической характеристикой является скорость химической реакции. Она зависит от многих факторов.
