Предисловие, Основные понятия кинетики, Химическая кинетика - Химическая кинетика, равновесия, термодинамика

Автору кажется, что логично было бы начать изложение с термодинамики, и лишь потом на ее основе рассматривать кинетику и равновесия: если реакция термодинамически невозможна, то нет смысла обсуждать ее кинетику, а если возможна, то надо рассматривать ее равновесие на основе энергии Гиббса. Именно так строится преподавание на химическом факультете и изложение в большинстве учебников. Изменить эту последовательность пришлось из-за необходимости согласовать теоретический курс с графиком лабораторных работ, с параллельно изучаемым курсом молекулярной физики, а также со структурой единственного учебника, имеющегося в достаточном количестве в библиотеке физического факультета [1].

Данное пособие не дублирует, а дополняет учебники Глинки [1, 2]: внесены уточнения и дополнения и даны конкретные рекомендации к лабораторному практикуму.

Основные понятия кинетики
Химическая кинетика

Химическая кинетика - наука о скоростях и механизмах химических реакций. Термодинамика учит о возможности и невозможности протекания процессов, о равновесии, но не учит, как достигнуть равновесия. Многие термодинамически возможные процессы практически не идут, т. е. их скорость очень мала.

Химические реакции - это превращения одних веществ в другие в результате столкновений молекул, ионов или радикалов друг с другом или с твердым телом в процессе теплового движения (радикал - обломок молекулы с ненасыщенной валентностью и потому неустойчивый, быстро соединяющийся с чем-нибудь).

Гомогенные реакции происходят в однородной среде - газовом, жидком или твердом растворе, а гетерогенные - на границе раздела фаз (газ-жидкость, газ-твердое, жидкость-жидкость, жидкость-твердое, твердое-твердое). Не путайте агрегатное состояние и фазу. Если все реагенты и продукты жидкие, сколько здесь фаз? Не всегда одна! Ведь бывают несмешивающиеся жидкости, например, вода и масло.

Водная щелочь + растительное масло водный раствор мыла + водный глицерин. Здесь две жидкие фазы: водная и масляная.

CaO + SiO2 CaSiO3 - некоторые думают, что это гомогенная реакция, т. к. все твердое. Нет, здесь минимум три твердые фазы. В мельчайших крупинках оксида кальция очень много ионов кальция и совсем нет кремния, а в крупинках оксида кремния - наоборот. Реакция идет в месте контакта этих крупинок, там образуется третья фаза - силикат кальция, которая изолирует реагенты друг от друга. Фаз здесь может быть и больше трех, т. к. возможно параллельное образование также Ca2SiO4 и Ca3SiO5.

BaCl2 (водн.) + H2SO4 (водн.) = BaSO4 (тв.) + 2HCl (водн.).

Оба реагента находятся в гомогенной среде - в одном растворе, но как только образуются кристаллические зародыши сульфата бария - реакция становится гетерогенной, т. к. дальнейшее образование сульфата бария идет на поверхности этих зародышей.

Элементарные акты химических реакций (превращения при столкновениях) происходят за очень короткое время: порядка 10-13 с. Поэтому некоторые реакции (например, нейтрализация кислоты и основания или детонация взрывчатого вещества) протекают практически мгновенно. Но если реагировать могут только частицы очень высокой энергии, которых в веществе очень мало, то элементарные акты происходят очень редко, и заметный внешний результат может появится только через очень длительное время. Например, геологические процессы выветривания горных пород занимают тысячи или даже миллионы лет. Изучение скоростей реакций и факторов, влияющих на них, очень важно и для фундаментальной науки, и особенно для промышленности.

Попутно заметим, что механизмы реакций гораздо труднее для изучения. Мы довольно много знаем о структуре и свойствах исходных веществ и продуктов (их можно изучать месяцами), об изменениях внутренней энергии и других функций состояния (см. § 12.1), и гораздо меньше - о механизмах: как начальное состояние превратилось в конечное. Проблема в том, что промежуточное состояние существует ничтожно малое время. Для изучения механизмов применяют метод меченых атомов (т. е. необычных изотопов элементов), изучение скоростей реакций, фемтосекундную спектроскопию и другие экспериментальные методы, а также компьютерное моделирование методами квантовой химии.

Похожие статьи




Предисловие, Основные понятия кинетики, Химическая кинетика - Химическая кинетика, равновесия, термодинамика

Предыдущая | Следующая