Химические реакции и особенности их протекания

Вещества, взаимодействуя друг с другом, подвергаются различным изменениям и превращениям. Физическим изменением вещества называют такое изме­нение, при котором внутреннее строение, состав и свойства не подвергаются изменению (например, нагревание, плавление, испарение). Химическими изменениями вещества называют такие, когда в результате взаимодействия исход­ных веществ (химической реакции) появляются одно или несколько других веществ, отличающихся от первоначаль­ных составом, структурой и свойствами.

Изучением скорости и особенностей протекания хими­ческих реакций занимается химическая кинетика. Осно­вополагающим для химической кинетики является представление о том, что исходные вещества, вступающие в химическую реакцию, чрезвычайно редко непосредствен­но превращаются в ее продукты. В большинстве случаев реакция проходит ряд последовательных и параллельных стадий, на которых образуются и расходуются промежу­точные вещества. Число последовательных стадий может быть очень велико — в цепных реакциях их десятки и сотни тысяч. Время жизни промежуточных веществ весь­ма разнообразно: одни вполне стабильны, другие существу­ют в равновесном состоянии доли секунды. Изучение ско­рости протекания химических процессов показало, что хи­мические реакции протекают тем быстрее, чем выше температура, давление и концентрация реагентов.

На скорость некоторых химических реакций можно влиять присутствием небольшого количества определен­ных веществ, которые сами в реакции участия не принимают. Вещества эти называются катализаторами. Катали­заторы бывают положительными, ускоряющими реакцию, и отрицательными — замедляющими ее (ингибиторы). Каталитическое ускорение химической реакции называется катализом и является приемом современной химической технологии (производство полимерных материалов, синтетического топлива и др.). Считается, что удельный вес каталитичес­ких процессов в химической промышленности достигает 80%. Благодаря катализу существенно повысилась эффективность экономики химической промышленности, по­скольку ускорение химических реакций заметно влияет на снижение издержек производства.

Энергия химических реакций возникает за счет изменения в системе или внутренней энергии, или энтальпии. Внутренняя энергия — это общий запас энергии системы, который складывается из энергии движения и взаимодействия молекул, энергии дви­жения и взаимодействия ядер и электронов в атомах и молекулах. Энтальпией называют величину:

Н = U + pV,

где U – внутренняя энергия системы;

р — давление;

V — объем системы.

Приращение энтальпии равно теплоте, полученной системой в изобарном (без изменения давления) процессе. Подавляющее большинство химических реакций про­исходит при постоянном давлении. Поэтому энергетический эффект реакции оценивается именно изменением энтальпии или тепловым эффектом реакции.

Химические реакции, при протекании которых происходит уменьшение энтальпии системы и во внешнюю среду выделяется теплота, называются экзотермическими. Реакции, в результате которых энтальпия возрастает и система поглощает теплоту извне, называются эндотермическими.

Многие реакции являются обратимыми, т.е. протекают как в прямом, так и в обратном направлениях. Состояние, в котором скорость обратной реакции становится равной скорости прямой реакции, называется химичес­ким равновесием. Количественной характеристикой является константа хи­мического равновесия, равная отношению произведения равновесных кон­центраций продуктов реакции и исходных веществ.

Состояние химического равновесия при неизменных внешних условиях может сохраняться сколь угодно долго. В действительности же реальные системы обычно испытывают различные воздействия (изменение температуры, давления или концентрации реагентов), выводящие систему из состояния равновесия. Изменения, происходящие в системе в результате внешних воздействий, определяются принципом подвижного равновесия — принципом Ле Шателье.

Суть его заключается в том, что внешнее воздействие на систему, находящуюся в состоянии равновесия, приводит к смещению этого равновесия в направлении, при котором эффект произведенного воздействия ослабляется. Внешнее воздействие на систему изменяет соотношение между скоростями прямого и обратного процесса, благоприятствуя тому из них, который противодействует внешнему влиянию.

Например, при увеличении (уменьшении) концентрации любого из веществ равно­весие смещается в сторону его расходования (образования). Увеличение (уменьшение) температуры смещает равновесие в сторону эндотермической (экзотермической) реакции. Повышение давления увеличивает концентрации газообразных веществ, находящихся в равновесной системе в меньшем объеме.