3.1.3 Реакционная способность веществ. Химические реакции

Реакционная способность – склонность веществ вступать с большей или меньшей скоростью в различные реакции. Реакционная способность определяется сравнительно с другими соединениями подобного строения. Качественно о реакционной способности судят по числу и разнообразию превращений, в которые способно вступать вещество. Количественной мерой реакционной способности служит константа скорости реакции, а для обратимых реакций – константы равновесий.

Наиболее реакционноспособными являются частицы, которые имеют неиспользованные валентности. Согласно электронной теории валентности, при образовании химических связей атомы приближаются к достижению наиболее устойчивой (т.е. имеющей наименьшую энергию) электронной конфигурации. Так, атомы благородных газов (гелий, неон, криптон и др.) с трудом образуют химические связи, потому что они имеют устойчивую внешнюю оболочку. Атомы водорода и хлора легко вступают в химические реакции.

Большое влияние на реакционную способность веществ оказывают условия реакции: реакционная среда, наличие или отсутствие катализатора, температура, давление и т.д.

Для того чтобы произошла химическая реакция, молекулы исходных веществ должны столкнуться, т.е. должны обладать достаточной кинетической энергией. Такие молекулы называются активными. Столкновение активных молекул приводит к образованию активированного комплекса. Энергию, необходимую для превращения веществ в состояние активированного комплекса, называют энергией активации. Реакционная способность веществ определяется величиной энергии активации.

Химические превращения протекают с выделением или поглощением энергии (соответственно, экзотермические и эндотермические реакции). Обычно энергия выделяется или поглощается в виде теплоты. При некоторых реакциях наблюдается выделение или поглощение лучистой энергии. При реакциях, протекающих со взрывом, происходит частичное превращение внутренней энергии реагирующих веществ в механическую.

Раздел химии, изучающий скорости химических реакций, называется химической кинетикой. Скоростью гомогенной химической реакции называется количество вещества, вступающего в реакцию или образующегося при реакции в единицу времени в единице объема системы.

Установлено, что важнейшими факторами, от которых зависит скорость химической реакции, являются природа реагирующих веществ, их концентрация, температура, присутствие в системе катализаторов.

Как уже отмечалось, необходимым условием взаимодействия реагентов является столкновение частиц друг с другом. Скорость реакции пропорциональна числу соударений, которые претерпевают молекулы реагирующих веществ. Число соударений, в свою очередь, пропорционально концентрации реагентов. Отсюда скорость реакции А+В = С пропорциональна произведению концентраций реагентов [А] и [В]:

v = k[А]×[В]. (3.1.1)

Коэффициент пропорциональности k называется константой скорости реакции. Соотношение (3.1.1) выражает закон действующих масс для реакций столкновения двух частиц: при постоянной температуре скорость химической реакции прямо пропорциональна концентрации реагирующих веществ.

Гораздо реже реакция осуществляется при столкновении трех частиц, вероятность одновременного столкновения более чем трех частиц крайне мала. Поэтому сложные реакции, уравнения которых содержат большое число частиц, представляют собой совокупность последовательно или параллельно протекающих процессов. Каждый из этих процессов происходит, как правило, при столкновении двух частиц или при распаде отдельной частицы. В этом случае закон действующих масс применим к каждой стадии реакции, но не к реакции в целом.

Величина константы скорости k зависит от природы реагирующих веществ, температуры, присутствия катализатора, но не зависит от концентрации реагентов.

Для протекания химической реакции необходимо наличие активных молекул, столкновение которых приводит к образованию активированного комплекса. Число активных молекул и скорость химических реакций возрастают с ростом температуры.

Возрастание скорости реакции с ростом температуры принято характеризовать температурным коэффициентом скорости реакции – числом, показывающим, во сколько раз возрастает скорость реакции при повышении температуры на 10 кельвин. Температурный коэффициент большинства реакций обычно лежит в пределах от 2 до 4.

Скорость реакции может увеличиваться в присутствии катализаторов. Катализаторами называются вещества, не расходующиеся в процессе реакции, но влияющие на ее скорость. В большинстве случаев действие катализаторов объясняется снижением энергии активации. В присутствии катализатора реакция проходит через другие промежуточные стадии, чем без него, причем эти стадии энергетически более доступны. Так реакции могут ускоряться в миллионы раз. В промышленности катализаторы применяются весьма широко.