Скорость химической реакции. Кинетическое уравнение. Порядок и молекулярность реакции. Энергия активации. Катализ.

Скорость химической реакцииизмеряется количество вещества, вступающего в реакцию или образующегося в результате реакции в единицу времени в единице объема системы (для гомогенной реакции) или на единице площади поверхности раздела фаз (для гетерогенной реакции).

В случае гомогенного процесса, протекающего при постоянном объеме, скорость гомогенной химической реакции измеряется изменением концентрации какого-либо из реагирующих веществ за единицу времени.

Экспериментально определенная зависимость скорости реакции от концентрации реагентов называется кинетическим уравнением: v=k*[A][B], где k – константа скорости.

Скорость реакции зависит от природы реагирующих веществ, их концентрации, температуры и присутствия катализаторов. В тех случаях, когда для протекания реакции необходимо столкновение двух реагирующих частиц, зависимость скорости реакции от концентраций определяется законом действия масс: при постоянной температуре скорость химической реакции прямо пропорциональна произведению концентраций реагирующих веществ в степенях, соответствующих порядкам реакции (экспериментально определяемое число: степень, в которую возводится концентрация данного вещества в математическом выражении закона действующих масс).

Порядки реакции можно считать равными стехиометрическим коэффициентам ТОЛЬКО для элементарных процессов (реакции в одну стадию). Поскольку уравнение химической реакции отражает только начальное и конечное состояние системы, но не отражает ее механизм, то в общем случае порядки реакции НЕ СОВПАДАЮТ с ее стехиометрическими коэффициентами. Скорость реакции в целом определяется скоростьопределяющей стадией (самой медленной стадией механизма реакции). Число частиц, принимающих участие в одном элементарном акте называется молекулярностью. Различают моно-, би- и (редко) тримолекулярные стадии.

Энергия активации (E_a) – некоторая избыточная энергия (по сравнению со средней энергией молекул при данной температуре), которой должны обладать молекулы для того, чтобы их столкновение было эффективным, т.е. привело бы к образованию нового вещества. С ростом температуры число активных молекул быстро увеличивается, что и приводит к резкому возрастанию скорости реакции. Зависимоcть константы скорости реакции k от энергии активации E_a выражается уравнением Аррениусом. Как из него следует, k тем больше, чем меньше E_a.

Катализ – явление изменения скорости реакции под действием катализаторов. Различают гомогенный и гетерогенный катализ. В случае гомогенного катализа катализатор и реагирующие вещества образуют одну фазу (газ или раствор). В случае гетерогенного катализа катализатор находится в системе в виде самостоятельной фазы. Катализаторы способны как ускорять реакцию, так и замедлять (тогда их называют ингибиторами).

В большинстве случаев действие катализатора объясняется тем, что он снижает энергию активации реакции. В присутствии катализатора реакция проходит через другие промежуточные стадии, чем без него, причем эти стадии энергетически более доступны.

Цепные реакции. Озоновый слой. Возникновение и разрушение озонового слоя планеты, влияние примесей на этот процесс.

Цепные реакции – реакции, в которых возможность протекания каждого элементарного акта сопряжена с успешным исходом предыдущего акта и, в свою очередь, обусловливает возможность последующего.

Цепные реакции протекают с участием активных центров – атомов, ионов или радикалов (осколков молекул), обладающих неспаренными электронами и проявляющих, вследствие этого, очень высокую реакционную активность. При актах взаимодействия активных центров с молекулами исходных веществ образуются молекулы продукта реакции, а также новые активные частицы – центры, способные к акту взаимодействия. Таким образом, активные центры служат создателями цепей последовательных превращений веществ.

Пример цепной реакции: H₂+Cl₂=2HCl. Эта реакция вызывается действием света. Поглощение кванта лучистой энергии молекулой хлора приводит к ее возбуждению – к появлению в ней энергичных колебаний атомов. Этот процесс фотохимической диссоциации можно выразить уравнением: Cl₂+hv=2Cl·. Данная стация цепной реакции, в которой впервые образуются свободные радикалы, называется зарождением цепи. Число возникших радикалов зависит от числа квантов света, поглощенных молекулами хлора. Если молекулы исходных веществ не распадаются на радикалы при облучении светом, то инициирование реакции может быть осуществлено добавлением в систему специальных веществ – инициаторов, веществ которые легко распадаются с образованием свободных радикалов. Образующиеся атомы хлора легко реагируют с молекулами водорода:Cl·+H₂=HCl+H·. Атом водорода, в свою очередь, легко реагирует с молекулой хлора: H·+ Cl₂= HCl+Cl·. Эта последовательность процессов, называемая звеном цепи, продолжается дальше: число звеньев может достигать 100000. Число полных звеньев цепи, приходящихся в среднем на каждый свободный радикал, получившийся при зарождении цепей, называется длиной цепи. Стадии цепного процесса, приводящие к исчезновению радикалов, называются обрывом цепи. Обрыв цепи может произойти при столкновении свободного атома со стенкой сосуда или при соударении двух активных частиц и одной неактивной.

К цепным реакциям относят и ядерные реакции, где роль активной частицы выполняет нейтрон, проникновение которого в ядро атома может приводить к его распаду, сопровождающемуся выделением большой энергии и образованием новых свободных нейтронов, продолжающих цепь ядерных превращений.

Озоновый слой

Механизм образования озонового слоя: О₂ + hν → 2О, О₂ + O → О₃.

Пути гибели озона: озон расходуется в реакциях фотолиза и взаимодействия с атомарным кислородом: О₃ + hν → О₂ + О, О₃ + O → 2О₂.

Также имеются еще три цикла гибели озонового слоя:

Азотный цикл (NO_x): N₂O + O(¹D) → NO + NO, О₃ + NO → NO₂ + О₂, NO₂ + О → NO + О₂.

Водородный цикл (HO_x): Н₂O + O → OH + OH, ОН + О₃ → НО₂ + О₂, НО₂ + О₃ → ОН + 2О₂.

Хлорный цикл (ClO_x): CFCl₃ + hν → CFCl₂ + Cl, Cl + O₃ → ClO + O₂, ClO + O → Cl + O₂.