Механизмы химических реакций

Все реакции можно подразделить на простые и сложные. Простые протекают в одну стадию и называются одностадийными. Сложные реакции либо идут последовательно (многостадийные реакции), либо параллельно, либо последовательно–параллельно.

Реакции идут по стадиям. Невозможно представить себе, что в реакции образования аммиака N₂ + 3H₂ = 2NH₃ одновременно столкнутся в одной точке пространства четыре молекулы, да еще нужного сорта.

Количество частиц, принимающих участие в элементарном акте химического превращения, называется молекулярностью реакции. Реакции могут быть моно-, би- и тримолекулярными (не больше).

Мономолекулярные – реакции разложения и внутримолекулярные перегруппировки: (J₂) = 2(J) .

Бимолекулярные: 2NO₂ = N₂O₄ .

Тримолекулярные (редкие): 2NO + O₂ = 2NO₂.

В этих примерах порядок и молекулярность совпадают, но в общем случае они различны.

13.7.1 Последовательные реакции

Последовательными называют реакции с промежуточными стадиями, когда продукт предыдущей стадии служит исходным веществом для последующей:

k₁ k₂

А à B à C.

При k₁>>k₂ все исходное вещество может превратиться в промежуточный продукт В, прежде чем начнется вторая реакция. Скорость всей реакции определяется второй стадией. При k₁<<k₂ концентрация промежуточного продукта мала, поскольку он не успевает накапливаться; эта стадия определяет скорость реакции в целом. Таким образом, скорость определяется самой медленной стадией (принцип лимитирующей стадии).

13.7.2 Параллельные реакции

Реакции, в которых исходные вещества способны образовывать разные продукты реакции, называются параллельными.

Например, разложение гидразина:

N₂H₄àN₂+2H₂;

3N₂H₄à4NH₃+N₂.

В этом случае суммарная скорость реакции разложения гидразина равна сумме скоростей по тому и другому пути.

1.7.3 Сопряженные реакции

Сопряженные реакции – это реакции, в которых с одним и тем же веществом взаимодействуют два и более веществ.

A+BàAB

A+D=AD

13.7.4 Колебательные реакции

В последние годы уделяется большое внимание периодическим процессам, характеризующимся колебаниями концентраций некоторых промежуточных соединений и соответственно скоростями превращения – такие реакции называют колебательными. Наблюдаются такие процессы в газовой и жидкой фазах и особенно часто на границе раздела этих фаз с твердой фазой. Колебательными чаще всего бывают окислительно-восстановительные реакции, а также реакции, сопровождающиеся появлением новой фазы вещества. Причиной возникновения колебаний концентрации является наличие обратных связей между отдельными стадиями сложной реакции.

Пример: реакция, открытая Б.П.Белоусовым – взаимодействие лимонной кислоты с броматом, ускоряемое ионами церия. Раствор регулярно изменяет окраску от бесцветного катализатора (Ce III) к желтому (Ce IV) и обратно. Эти процессы объясняются на основе термодинамики необратимых процессов, крупный вклад в развитие теории колебательных реакций внес И.Р.Пригожин.