Скорость и энергия химических реакций

Скоростью химической реакции называется изменение концентрации одного из реагирующих веществ за единицу времени. Для того чтобы произошла химическая реакция, атомы или молекулы реагирующих веществ должны прийти в соприкосновение или, попросту говоря, столкнуться. Это необходимое условие для возникновения реакции, но оно не является достаточным. Взаимодействующие частицы должны обладать определённым сродством друг к другу. Это сродство зависит от строения и энергии атомов и молекул, и чем оно больше, тем выше вероятность того, что они образуют соединение. Очевидно, что чем больше частиц содержится в данном объёме реакционной среды, тем чаще они будут сталкиваться. Поэтому скорость реакции пропорциональна произведению концентраций реагирующих веществ. Это правило называют законом действующих масс. Он был сформулирован норвежскими химиками К. Гульдбергом и П. Вааге в 1867 г. Закон действующих масс выражают в виде формулы:

V = k [A] ^a • [B] ^b,

где [A] и [B] – концентрации реагирующих веществ, а и b – их стехиометрические коэффициенты. Величина k называется константой скорости реакции и зависит от степени сродства реагирующих веществ и внешних факторов, влияющих на скорость химической реакции, например температуры.

Факторы, влияющие на скорость химической реакции.

При повышении температуры скорость движения молекул увеличивается и, следовательно, увеличивается не только вероятность, но и, что гораздо важнее, энергия их соударения. Согласно правилу Вант-Гоффа, при повышении температуры на каждые 10 °C скорость реакции возрастает в 2–4 раза. Отношение константы скорости реакции, протекающей при определённой температуре, к константе скорости при температуре в 10 раз меньшей называют температурным коэффициентом химической реакции.

Если один из компонентов реакции находится в твёрдом состоянии, а другой – в жидком или газообразном, то на скорость реакции влияет также величина поверхности, которой они соприкасаются между собой. Например, растворение металла в кислоте будет происходить тем быстрее, чем больше степень его измельчения. Если опустить в кислоту большой кусок металла, он может реагировать с ней очень долго, а если то же количество металла растереть в порошок, реакция пройдёт практически мгновенно (рис. 132).

Очень важным фактором протекания химической реакции является энергетическая составляющая. Энергию, необходимую для начала реакции, называют энергией активации. Чем меньше энергия активации, тем быстрее протекает реакция. Например, при образовании ионной связи между катионами и анионами энергия активации очень мала, поэтому такие реакции протекают почти мгновенно.

Катализаторы.

Многие химические реакции можно ускорить или замедлить введением в реакционную среду некоторых дополнительных веществ. Эти вещества не участвуют в реакции и не расходуются в ходе её протекания, но оказывают влияние на её скорость. Вещества, ускоряющие реакцию, называют катализаторами, а вещества, оказывающие противоположное действие, – ингибиторами. Процесс ускорения реакций под действием катализатора называют катализом. Катализаторы чаще всего действуют следующим образом. На их поверхности имеются особые участки – активные центры. К этим участкам присоединяются и накапливаются молекулы реагентов. Такое явление называют адсорбцией.

Рис. 132. Зависимость скорости реакции от площади соприкосновения реагирующих веществ

Рис. 133. Схематическое изображение экзотермической и эндотермической реакций

В результате в районе активных центров концентрация взаимодействующих молекул становится очень большой, и это ведёт к ускорению реакции. Кроме того, под действием катализатора у адсорбированных молекул ослабляются связи между атомами.

Экзо– и эндотермические реакции.

Как правило, сумма энергий исходных реагентов не бывает равной сумме энергий конечных продуктов реакции. Образующиеся в результате химической реакции вещества обладают либо меньшей, либо большей энергией по сравнению с исходными веществами. В первом случае реакция сопровождается выделением лишней энергии в виде кинетической энергии молекул, т. е. тепла. Такие реакции называют экзотермическими (от лат. exo – наружу и thermo – тепловой) (рис. 133). Так, экзотермической реакцией является любое горение (рис. 134).

Рис.134. Горение как пример экзотермической реакции

Если подобные реакции протекают очень быстро, то за короткое время выделяется большое количество тепла, что часто сопровождается взрывом. Примером такой реакции служит сгорание пороха.

Однако для начала даже экзотермических реакций необходима энергия активации. Иногда эта энергия чрезвычайно мала, и реакция (например, взрыв) может произойти в результате случайных причин. Но в некоторых случаях, для того чтобы запустить реакцию, т. е., как говорят, преодолеть энергетический барьер, требуется некоторая энергия, поступающая извне. Порох сам по себе не взорвётся. Для взрыва требуется энергия в виде искры, которая вызовет реакцию в небольшом количестве молекул, а освободившаяся в результате этой реакции энергия запустит аналогичный процесс в соседних участках. Далее реакция сгорания будет распространяться с огромной скоростью. Такой самоусиливающийся процесс называют цепной реакцией. Точно так же обстоит дело со смесью водорода и кислорода – гремучим газом. Стоит в гремучий газ попасть небольшой искре или поднести к нему что-то горящее, как начнётся цепная реакция соединения кислорода с водородом, которая будет сопровождаться выделением большого количества энергии, т. е. взрывом^[12].

Химические реакции, при которых энергия конечных продуктов оказывается выше энергии исходных веществ, требуют постоянного притока этой энергии извне. Такие реакции называют эндотермическими, они сопровождаются поглощением тепла (см. рис. 133). Самым наглядным примером эндотермической реакции служит приготовление пищи. Для того чтобы сырые продукты превратились в варёные или жареные, в них должно произойти много различных реакций, большинство из которых требуют постоянного поступления теплоты из внешней среды. Поэтому эти продукты приходится в течение какого-то, иногда довольно длительного, времени держать в кастрюле с кипящей водой, на сковороде или в духовке.

Выделение и поглощение энергии в химических реакциях играют огромную роль в процессах, обеспечивающих существование и жизнедеятельность всех живых организмов, в том числе и человека, о чём будет подробно рассказано в дальнейших главах этого учебника.

Проверьте свои знания

1. Сформулируйте закон действующих масс.

2. Что такое температурный коэффициент скорости реакции?

3. Какую роль выполняют катализаторы и ингибиторы химических реакций?

4. Что такое экзотермические и эндотермические реакции?

Задания

1. Подберите эпиграф к данному параграфу.

2. Объясните, почему стирка одежды или мытьё посуды в горячей воде обычно гораздо эффективнее, чем в холодной.