Реакционная способность веществ

Изучение химических реакций показывает, что они могут протекать с весьма различными скоростями. Иногда реакция идет настолько быстро, что практически ее можно считать мгновенной; таковы, например, многие реакции между солями, кислотами и основаниями, протекающие в водных растворах, или реакции, которые мы называем взрывами.

В других случаях, наоборот, скорость реакции так мала, что для образования заметного количества продуктов реакции нужны были бы годы, а то и столетия.

Скорость каждой реакции зависит от природы реагирующих веществ, от их концентраций и от условий, в которых реакция протекает (температура, давление, присутствие катализаторов).

Зависимость скорости реакции от концентраций реагирующих веществ легко понять, исходя из молекулярно-кинетических представлений. Молекулы газов, двигаясь в различных направлениях с довольно большой скоростью, неизбежно должны встречаться, сталкиваться друг с другом.

Взаимодействие между молекулами, очевидно, может происходить только при их столкновениях, следовательно, чем чаще будут сталкиваться молекулы, тем быстрее будет идти превращение взятых веществ в новые, тем больше будет скорость реакции.

Таким образом мы приходим в выводу: скорость химической реакции пропорциональна произведению концентраций реагирующих веществ.

Это очень важное положение было установлено в 1867 г. норвежскими учеными Като Максимилианом Гульдбергом (1836–1902 гг.) и Петером Вааге (1833–1900 гг.) и получило название закона действующих масс.

Математическое выражение закона действующих масс для реакции типа А + В = С выглядит следующим образом: v = K [A] [B], где v — скорость реакции; [А] и [В] — концентрация веществ;

К — коэффициент пропорциональности — постоянная для данной реакции при данной температуре величина, называемая константой скорости и характеризующая влияние природы реагирующих веществ на скорость их взаимодействия друг с другом.

Несколько иной вид имеет этот закон для скорости реакции, когда во взаимодействие вступает не одна, а несколько молекул какого-нибудь вещества, например: 2А + В = D или А + А + В = D.

Математический анализ показывает, что концентрация вещества А должна в таком случае дважды появиться в уравнении скорости реакции v = K [A] [A] [B] = K [A]² [B]. В общем случае, когда m молекул вещества А одновременно реагируют с n молекулами вещества В, уравнение закона действующих масс имеет вид v = K [A] [В]ⁿ.

Скорость всякой реакции непрерывно уменьшается с течением времени, так как взаимодействующие вещества постепенно расходуются и концентрации их становятся все меньше и меньше.

Поэтому, говоря о скорости реакции, всегда имеют в виду скорость в данный момент, то количество вещества, которое подверглось бы превращению, если бы существующие в данный момент концентрации поддерживались искусственно в течение определенного промежутка времени.

На практике при измерении скоростей реакций часто приходится встречаться с кажущимися отклонениями от закона действующих масс.

Кроме концентрации, очень важным фактором, определяющим скорость реакции, является температура.

Опытным путем установлено, что при повышении температуры на каждые 10 °С скорость реакции увеличивается в 2–3 раза. При понижении температуры скорость реакции во столько же раз уменьшается. Число, показывающее, во сколько раз увеличивается скорость данной реакции при повышении температуры на 10 °С, называется температурным коэффициентом реакции.

Значительное увеличение скорости реакции при повышении температуры нельзя объяснить одним только увеличением числа столкновений между молекулами. Согласно кинетической теории скорость движения молекул растет пропорционально корню квадратному из абсолютной температуры, тогда как скорость реакции увеличивается гораздо быстрее.

Следует считать, что повышение температуры не только вызывает более частые столкновения, но и увеличивает число эффективных столкновений, в результате которых происходит химическое взаимодействие, т. е. увеличивает относительное количество активных молекул.

Это может быть объяснено тем, что по мере повышения температуры молекулы становятся менее устойчивыми и, следовательно, более склонными к химической реакции.

Обычно влияние катализаторов выражается в ускорении реакции. Иногда применение катализаторов может увеличить скорость реакции в 1000 и более раз. Чаще всего катализаторами служат мелко раздробленные металлы.

Рассматривая влияние различных условий на скорость реакций, мы разбирали главным образом реакции, идущие в однородных, или гомогенных, системах (смесь газов, растворы). Значительно сложнее протекают реакции в гетерогенных системах.

Гетерогенной называется система, состоящая из двух или нескольких частей, различающихся по своим физическим или химическим свойствам и отделенных друг от друга поверхностями раздела.

Отдельные однородные части гетерогенной системы называются ее фазами. Например, лед, вода и находящийся над ними пар образуют гетерогенную систему из трех фаз: твердой (лед), жидкой (вода) и газообразной (водяной пар); кислота и опущенный в нее кусок металла образуют систему из двух фаз и т. д.

Так, например, измельченный уголь, обладающий большой поверхностью, сгорает гораздо быстрее, чем уголь в крупных кусках; растворение металлов в кислотах значительно ускоряется, если взять металлы в виде порошков, и т. д.

Важным фактором, обусловливающим скорость гетерогенной реакции, является также диффузия, благодаря которой к поверхности раздела притекают новые порции реагирующих веществ. Искусственно ускоряя процесс диффузии встряхиванием или перемешиванием, можно значительно повысить скорость реакции.