Скорость химической реакции зависит от следующих факторов:
1) Природа реагирующих веществ.
2) Поверхность соприкосновения реагентов.
3) Концентрация реагирующих веществ.
4) Температура.
5) Присутствие катализаторов.
Скорость гетерогенных реакций зависит также от:
а) величины поверхности раздела фаз (с увеличением поверхности раздела фаз скорость гетерогенных реакций увеличивается);
б) скорости подвода реагирующих веществ к поверхности раздела фаз и скорости отвода от нее продуктов реакции.
Факторы, влияющие на скорость химической реакции:
1. Природа реагентов.Большую роль играет характер химических связей в соединениях, строение их молекул. Например, выделение водорода цинком из раствора хлороводородной кислоты происходит значительно быстрее, чем из раствора уксусной кислоты, так как полярность связи Н—С1 больше, чем связи О—Н в молекуле СН3СООН, иначе говоря, из-за того, что НСl — сильный электролит, а СН3СООН — слабый электролит в водном растворе.
2. Поверхность соприкосновения реагентов.Чем больше поверхность соприкосновения реагирующих веществ, тем быстрее протекает реакция. Поверхность твердых веществ может быть увеличена путем их измельчения, а для растворимых веществ — путем их растворения. Реакции в растворах протекают практически мгновенно.
3. Концентрация реагентов.Чтобы произошло взаимодействие, частицы реагирующих веществ в гомогенной системе должны столкнуться. При увеличении концентрации реагирующих веществскорость реакций увеличивается. Это объясняется тем, что при увеличении количества вещества в единице объема увеличивается число столкновений между частицами реагирующих веществ. Число столкновений пропорционально числу частиц реагирующих веществ в объеме реактора, т. е. их молярным концентрациям.
Количественно зависимость скорости реакции от концентрации реагирующих веществ выражается законом действующих масс(Гульдберг и Вааге, Норвегия, 1867 г.): скорость химической реакции пропорциональна произведению концентраций реагирующих веществ.
Для реакции:
aA + bB ↔ cC + dD
скорость реакции в соответствии с законом действующих масс равна:
υ = k·[A]υ a·[B]υ b, (9)
где [А] и [В] — концентрации исходных веществ;
k — константа скорости реакции,которая равна скорости реакции при концентрациях реагирующих веществ [А] = [В] = 1 моль/л.
Константа скорости реакции зависит от природы реагирующих веществ, температуры, но не зависит от концентрации веществ.
Выражение (9) называется кинетическим уравнением реакции.В кинетические уравнения входят концентрации газообразных и растворенных веществ, но не входят концентрации твердых веществ:
2SO2(г) + O2(г) = 2SO3(г); υ = k·[SО2]2·[О2];
СuО(тв.) + Н2(г) = Сu(тв) + Н2О(г); υ = k·[H2].
По кинетическим уравнениям можно рассчитывать, как изменяется скорость реакции при изменении концентрации реагирующих веществ.
Влияние катализатора.
5. Температура реакции.Теория активных соударений
Для того чтобы совершился элементарный акт химического взаимодействия, реагирующие частицы должны столкнуться друг с другом. Однако не каждое столкновение приводит к химическому взаимодействию. Химическое взаимодействие происходит в том случае, когда частицы приближаются на расстояния, при которых возможно перераспределение электронной плотности и возникновение новых химических связей. Взаимодействующие частицы должны обладать энергией, достаточной для преодоления сил отталкивания, возникающих между их электронными оболочками.
Переходное состояние — состояние системы, при котором уравновешены разрушение и создание связи. В переходном состоянии система находится в течение небольшого (10-15 с) времени. Энергия, которую необходимо затратить, чтобы привести систему в переходное состояние, называется энергией активации.В многоступенчатых реакциях, которые включают в себя несколько переходных состояний, энергия активации соответствует наибольшему значению энергии. После преодоления переходного состояния молекулы вновь разлетаются с разрушением старых связей и образованием новых или с преобразованием исходных связей. Оба варианта возможны, так как происходят с высвобождением энергии. Существуют вещества, способные уменьшить энергию активации для данной реакции.
Активные молекулы А2 и В2 при столкновении объединяются в промежуточный активный комплекс А2...В2 с ослаблением, а затем и разрывом связей А—А и В—В и упрочнением связей А—В.
«Энергия активации» реакции образования НI (168 кДж/моль) значительно меньше, чем энергия, необходимая для полного разрыва связи в исходных молекулах Н2 и I2 (571 кДж/моль). Поэтому путь реакции через образование активного (активированного} комплекса энергетически более выгоден, чем путь через полный разрыв связей в исходных молекулах. Через образование промежуточных активных комплексов происходит подавляющее большинство реакций. Положения теории активного комплекса разработаны Г. Эйрингом и М. Поляни в 30 годах XX в.
Энергия активации представляет собой избыток кинетической энергии частиц относительно средней энергии, необходимой для химического превращения сталкивающихся частиц. Реакции характеризуются различными величинами энергии активации (Еа). В большинстве случаев энергия активации химических реакций между нейтральными молекулами составляет от 80 до 240 кДж/моль. Для биохимических процессов значения Еазачастую ниже — до 20 кДж/моль. Это объясняйся тем, что абсолютное большинство биохимических процессов протекает через стадию фермент-субстратных комплексов. Энергетические барьеры ограничивают протекание реакции. Благодаря этому в принципе возможные реакции (при Q < 0) практически всегда не протекают или замедляются. Реакции с энергией активации выше 120 кДж/моль настолько медленны, что их протекание трудно заметить.
Для осуществления реакции молекулы при столкновении должны быть определенным образом ориентированы и обладать достаточной энергией. Вероятность надлежащей ориентации при столкновении характеризуют с помощью энтропии активации∆Sa. Перераспределению электронной плотности в активном комплексе благоприятствует условие, когда при столкновении молекулы А2 и В2 ориентированы, как это показано на рис. 3а, тогда как при ориентации, показанной на рис. 3б, вероятность реакции еще гораздо меньше — на рис. 3в.
Рис. 3. Благоприятная (а) и неблагоприятные (б, в) ориентации молекул А2 и В2 при столкновении
Уравнение, характеризующее зависимость скорости и реакции от температуры, энергии активации и энтропии активации, имеет вид:
(10)
где k — константа скорости реакции;
А — в первом приближении общее число столкновений между молекулами за единицу времени (секунду) в единице объема;
е — основание натуральных логарифмов;
R — универсальная газовая постоянная;
Т — абсолютная температура;
Еа— энергия активации;
∆Sa — изменение энтропии активации.
(11)
Уравнение (11) выведено Аррениусом в 1889 году. Предэкспоненциальный множитель А пропорционален общему числу соударений между молекулами в единицу времени. Его размерность совпадает с размерностью константы скорости и зависит от суммарного порядка реакции.
Экспонента равна доле активных соударений от их общего числа, т.е. столкнувшиеся молекулы должны иметь достаточную энергию взаимодействия. Вероятность же их нужной ориентации в момент соударения пропорциональна .
При обсуждении закона действующих масс для скорости (9) специально было оговорено, что константа скорости есть постоянная величина, не зависящая от концентраций реагентов. При этом предполагалось, что все химические превращения протекают при постоянной температуре. Вместе с тем, быстрота химического превращения может существенно изменяться при понижении или повышении температуры. С точки зрения закона действующих масс это изменение скорости обусловлено температурной зависимостью константы скорости, так как концентрации реагирующих веществ лишь незначительно меняются вследствие теплового расширения или сжатия жидкости.
Наиболее хорошо известным фактом является возрастание скорости реакций с увеличением температуры. Такой тип температурной зависимости скорости называется нормальным (рис. 3 а). Этот тип зависимости характерен для всех простых реакций.
Рис. 3. Типы температурной зависимости скорости химических реакций: а — нормальная;
б — аномальная; в — ферментативная
Однако в настоящее время хорошо известны химические превращения, скорость которых падает с увеличением температуры, такой тип температурной зависимости скорости называется аномальным. В качестве примера можно привести газофазную реакцию азота (II) оксида с бромом (рис. 3 б).
Особый интерес для медиков представляет зависимость от температуры скорости ферментативных реакций, т.е. реакций с участием ферментов. Практически все реакции, протекающие в организме, относятся к этому классу. Например, при разложении пероксида водорода в присутствии фермента каталазы скорость разложения зависит от температуры. В интервале 273-320 К температурная зависимость имеет нормальный характер. С увеличением температуры скорость возрастает, с уменьшением — падает. При подъеме температуры выше 320 К наблюдается резкое аномальное падение скорости разложения пероксида. Сходная картина имеет место и для других ферментативных реакций (рис. 3 в).
Из уравнения Аррениуса для k видно, что, поскольку Т входит в показатель степени, скорость химической реакции очень чувствительна к изменению температуры. Зависимость скорости гомогенной реакции от температуры может быть выражена правилом Вант-Гоффа, согласно которому при увеличении температуры на каждые 10° скорость реакции возрастает в 2-4 раза;число, показывающее во сколько раз возрастает скорость данной реакции при повышении температуры на 10°, называется температурным коэффициентом скорости реакции — γ.
Это правило математически выражается следующей формулой:
(12)
где γ — температурный коэффициент, который показывает, во сколько раз увеличивается скорость реакции при повышении температуры на 100; υ1 – скорость реакции при температуре t1; υ2 – скорость реакции при температуре t2.
При повышении температуры в арифметической прогрессии скорость возрастает в геометрической.
Например, если γ = 2,9, то при возрастании температуры на 100° скорость реакции увеличивается в 2,910 раз, т.е. в 40 тыс. раз. Отклонения от этого правила составляют биохимические реакции, скорость которых увеличивается в десятки раз при незначительном повышении температуры. Это правило справедливо лишь в грубом приближении. Реакции, в которых участвуют крупные молекулы (белка), характеризуются большим температурным коэффициентом. Скорость денатурации белка (яичного альбумина) возрастает в 50 раз при повышении температуры на 10 °С. После достижения некоторого максимума (50-60 °С) скорость реакции резко понижается в результате термоденатурации белка.
Для многих химических реакций закон действующих масс для скорости неизвестен. В таких случаях для описания температурной зависимости скорости превращения может применяться выражение:
(13)
Предэкспонента Асне зависит от температуры, однако зависит от концентрации. Единицей измерения является моль/л∙с.
Теоретическая зависимость позволяет заранее рассчитывать скорость при любой температуре, если известны энергия активации и предэкспонента. Таким образом, прогнозируется влияние температуры на быстроту протекания химического превращения.
Сложные реакции
Принцип независимости. Все рассмотренное выше относилось к сравнительно простым реакциям, но в химии часто встречаются так называемые сложные реакции. К таким реакциям относятся рассматриваемые ниже. При выводе кинетических уравнений для этих реакций используют принцип независимости: если в системе протекает несколько реакций, то каждая из них независима от других и ее скорость пропорциональна произведению концентраций ее реагентов.
Параллельные реакции — это реакции, идущие одновременно в нескольких направлениях.
Термический распад хлората калия протекает одновременно по двум реакциям:
Последовательные реакции — это реакции, которые протекают в несколько стадий. Таких реакций в химии большинство.
.
Сопряженные реакции. Если в системе протекают несколько реакций и протекание одной из них невозможно без другой, то эти реакции называются сопряженными, а само явление — индукцией.
ПРИМЕР.
2HI + Н2СrО4 → I2 + Сr2О3 + Н2О.
Эта реакция в обычных условиях практически не наблюдается, но если в систему добавить FеО, то происходит реакция:
FеО + Н2СrО4 → Fе2О3 + Сr2O3 + Н2О
и одновременно с ней идет первая реакция. Причиной этого является образование во второй реакции промежуточных продуктов, участвующих в первой реакции:
FеО2 + Н2СrО4 → Сr2О3 + Fе5+;
HI + Fе5+ → Fе2О3 + I2 + Н2О.
Химическая индукция— явление, при котором одна химическая реакция (вторичная) зависит от другой (первичной).
Если
А + В — первичная реакция,
А + С — вторичная реакция,
то А — активатор, В — индуктор, С — акцептор.
При химической индукции, в отличие от катализa, концентрации всех участников реакции уменьшаются.
Фактор индукции определяется из следующего уравнения:
.
В зависимости от величины фактора индукции возможны следующие случаи.
I > 0 — затухающий процесс. Скорость реакции снижается со временем.
I < 0 — ускоряющийся процесс. Скорость реакции увеличивается со временем.
Явление индукции важно тем, что в ряде случаев энергия первичной реакции может скомпенсировать затраты энергии во вторичной реакции. По этой причине, например, оказывается термодинамически возможным синтез белков путем поликонденсации аминокислот.
Цепные реакции. Если химическая реакция протекает с образованием активных частиц (ионов, радикалов), которые, вступая в последующие реакции, вызывают появление новых активных частиц, то такая последовательность реакций называется цепной реакцией.
Образование свободных радикалов связано с затратой энергии на разрыв связей в молекуле. Эта энергия может быть сообщена молекулам путем освещения, электрического разряда, нагревания, облучения нейтронами, α- и β-частицами. Для проведения цепных реакций при невысоких температурах в реагирующую смесь вводят инициаторы — вещества, легко образующие радикалы: пары натрия, органические пероксиды, иод и т. д.
Реакция образования хлороводорода из простых соединений, активируемая светом.
Суммарная реакция:
Н2+ С12 2НС1.
Отдельные стадии:
Сl2 2Сl∙ фотоактивация хлора (инициирование)
Сl∙ + Н2 = НСl + Н∙ развитие цепи
Н∙ + Сl2 = НСl + Сl∙ и т. д.
Н∙ + Сl∙ = НСl обрыв цепи
Здесь Н∙ и Сl∙ — активные частицы (радикалы).
В этом механизме реакции можно выделить три группы элементарных стадий. Первая представляет собой фотохимическую реакцию зарождения цепи. Молекулы хлора, поглотив квант света, диссоциируют на свободные атомы, обладающие высокой реакционной способностью. Таким образом, при зарождении цепи происходит образование свободных атомов или радикалов из валентно-насыщенных молекул. Процесс зарождения цепи называют также инициированием. Атомы хлора, обладая непарными электронами, способны реагировать с молекулярным водородом, образуя молекулы хлороводорода и атомарного водорода. Атомарный водород, в свою очередь, вступает во взаимодействие с молекулой хлора, в результате чего снова образуется молекула хлороводорода и атомарный хлор и т. д.
Эти процессы, характеризующиеся повторением одних и тех же элементарных стадий (звеньев) и идущие с сохранением свободных радикалов, приводят к расходованию исходных веществ и образованию продуктов реакции. Такие группы реакций называют реакциями развития (или продолжения) цепи.
Стадия цепной реакции, при которой происходит гибель свободных радикалов, называется обрывом цепи. Обрыв цепи может наступить в результате рекомбинации свободных радикалов, если выделяющаяся при этом энергия может быть отдана какому-либо третьему телу: стенке сосуда или молекулам инертных примесей (стадии 4, 5). Вот почему скорость цепных реакций очень чувствительна к наличию примесей, к форме и размерам сосуда, особенно при малых давлениях.
Число элементарных звеньев от момента зарождения цепи до ее обрыва называют длиной цепи. В рассматриваемом примере на каждый квант света образуется до 105 молекул НСl.
Цепные реакции, в ходе которых не происходит «умножения» числа свободных радикалов, называются неразветвленными или простыми цепными реакциями. В каждой элементарной стадии неразветвленного цепного процесса один радикал «рождает» одну молекулу продукта реакции и только один новый радикал (рис. 41).
Другие примеры простых цепных реакций: а) хлорирование парафиновых углеводородов Сl∙ + СН4 → СН3∙ + НС1; СН3∙ + Сl- → СН3Сl + Сl∙ и т. д.; б) реакции радикальной полимеризации, например, полимеризация винилацетата в присутствии перекиси бензоила, легко распадающегося на радикалы; в) взаимодействие водорода с бромом, протекающее по механизму, аналогичному при реакции хлора с водородом, только с меньшей длиной цепи вследствие ее эндотермичности.
Если в результате акта роста появляются две или более активных частиц, то эта цепная реакция является разветвленной.
В 1925 г. Н. Н. Семенов и его сотрудники открыли реакции, содержащие элементарные стадии, в результате которых возникают не одна, а несколько химически активных частиц — атомов, или радикалов. Появление нескольких новых свободных радикалов приводит к появлению нескольких новых цепей, т.е. одна цепь разветвляется. Такие процессы называют разветвленными цепными реакциями (рис. 42).
Примером сильно разветвленного цепного процесса является реакция окисления водорода при низких давлениях и температуре около 900°С. Механизм реакции можно записать так.
М — инертная молекула. Радикал НО2∙, образующийся при тройном соударении, малоактивен и не может продолжать цепь.
На первой стадии процесса образуются радикалы гидроксила, которые обеспечивают развитие простой цепи. В третьей же стадии в результате взаимодействия с исходной молекулой одного радикала образуются два радикала, причем атом кислорода обладает двумя свободными валентностями. Это и обеспечивает разветвление цепи.
В результате разветвления цепи скорость реакции в начальный период времени стремительно нарастает, и процесс заканчивается цепным воспламенением—взрывом. Однако разветвленные цепные реакции заканчиваются взрывом только в том случае, когда скорость разветвления больше скорости обрыва цепей. В противном случае наблюдается медленное течение процесса.
При изменении условий протекания реакции (изменение давления, температуры, состава смеси, размера и состояния стенок реакционного сосуда и т. д.) может произойти переход от медленного течения реакции к взрыву и наоборот. Таким образом, з цепных реакциях существуют предельные (критические) состояния, при которых происходит цепное воспламенение, от которого следует отличать тепловое воспламенение, возникающее в экзотермических реакциях в результате все увеличивающегося разогревания реагируемой смеси при слабом теплоотводе.
По разветвленному цепному механизму происходит окисле-кие паров серы, фосфора, оксида углерода (II), сероуглерода и т. д.
Современная теория цепных процессов разработана лауреатами Нобелевской премии (1956) советским академиком Н. Н. Семеновым и английским ученым Хиншельвудом.
Цепные реакции следует отличать от реакций каталитических, хотя последние носят и циклический характер. Самое существенное отличие цепных реакций от каталитических заключается в том, что при цепном механизме возможно течение реакции в направлении повышения энергии системы за счет самопроизвольно протекающих. Катализатор же термодинамически невозможную реакцию не вызывает. Кроме того, в каталитических реакциях отсутствуют такие стадии процесса, как зарождение и обрыв цепи.
Реакции полимеризации.Частный случай цепной реакции — реакция полимеризации.
Полимеризацией называется процесс, при котором реакция активных частиц (радикалов, ионов) с низкомолекулярными соединениями (мономерами) сопровождается последовательным присоединением последних с увеличением длины материальной цепи (длины молекулы), т. е. с образованием полимера.
Мономерами являются органические соединения, как правило, содержащие в составе молекулы непредельные (двойные, тройные) связи.
Основные стадии процесса полимеризации:
1. Инициирование (под действием света, нагревания и т. д.):
А : А → А' + А' — гомолитический распад с образованием радикалов (активные валентноненасыщенные частицы).
А : В → А- + В+— гетеролитический распад с образованием ионов.
2. Рост цепи: А' + М → АМ'
(или А- + М → АМ', или В+ + М → ВМ+).
3. Обрыв цепи: АМ' + АМ' → полимер
(или АМ" + В+→ полимер, ВМ+ + А" → полимер).
Скорость цепного процесса всегда больше, чем нецепного.