Диалектика Материи - Кондрашин Игорь - Страница 18

H2SO4 + Na2S2O3 = Na2SO4 + H2O + SO2 + S

Примерами гомогенной системы может служить любая однофазовая смесь, жидкий раствор различных веществ. Если реакция протекает между веществами, образующими гетерогенную систему, то она может идти только на поверхности раздела фаз, образующих систему. Так, например, растворение металла в кислоте Fe + 2HCl = FeCl2 + H2 может протекать только на поверхности металла, потому что только здесь соприкасаются друг с другом оба реагирующих вещества. Результатом реакции является опять гетерогенная система, которая в условиях отсутствия замкнутости может путем освобождения от одной из своих фаз стать гомогенной системой. В качестве примеров гетерогенных систем можно привести следующие системы: вода со льдом, насыщенный раствор с осадком, сера в атмосфере воздуха. На более высоких ступенях Развития Материи примерами гомогенных систем могут служить заросли функционально однотипных растений (лес, луговая трава, фруктовые сады), объединенные группы функционально однотипных животных (стадо овец, стая волков или обезьян). Гетерогенными системами в этом случае будут: табун лошадей на лугу, бригада лесорубов в лесу, производственные предприятия и т.п. Изучением условий, влияющих на скорости химических реакций, занимается химическая кинетика. На более высоких ступенях Развития Материи эти вопросы должны быть отнесены соответственно к биологической и социальной кинетике.

   К важнейшим факторам, влияющим на скорости реакций, протекающих в системах уровня Е, относятся следующие: функциональные особенности реагирующих веществ, их концентрации, температура, присутствие в системе катализаторов. Скорости некоторых гетерогенных реакций зависят также от интенсивности движения жидкости или газа около поверхности, на которой происходит реакция. При вступлении в реакцию фщ. единиц двух различных веществ образуются фщ. единицы третьего, четвертого и т.д. вещества, которые заполняют соответствующие им фн. ячейки, хотя теоретически процесс представляется в обратном порядке: вначале появляется невидимая фн. ячейка В нового качества, затем происходит сближение явных фщ. единиц а и б и образование новой фщ. единицы в, которая заполняет фн. ячейку В. Поэтому скорости реакций зависят от способности реагирующих веществ образовывать новые фщ. единицы в силу своего структурного строения, то есть пространственного расположения и взаимной связи исходных фщ. единиц качественных подуровней, от пропорции и количества фщ. единиц а и б, вступающих в реакции, что характеризуется их концентрацией.

   Необходимым условием того, чтобы между частицами (молекулами, ионами) исходных веществ произошло химическое взаимодействие, является их взаимное сближение и столкновение друг с другом (соударение). Точнее говоря, частицы должны сблизиться друг с другом настолько, чтобы атомы одной из них испытывали бы действие электрических полей, создаваемых атомами другой. Только при этом станут возможны те переходы электронов и перегруппировки атомов, в результате которых образуются молекулы новых веществ - продуктов реакции. Однако не всякое столкновение молекул реагирующих веществ приводит к образованию продукта реакции. Для того, чтобы произошла реакция, то есть чтобы образовались новые молекулы, необходимо сначала разорвать или ослабить связи между атомами в молекулах исходных веществ. На это надо затратить определенную энергию. Если сталкивающиеся молекулы не обладают такой энергией, то их столкновение не приведет к образованию новой молекулы: столкнувшись, они разлетаются в разные стороны, как упругие шары.

   Если же кинетическая энергия сталкивающихся молекул достаточна для ослабления или разрыва связей, то столкновение может привести к перестройке атомов и к образованию молекулы нового вещества. Поэтому лишь молекулы, обладающие избытком энергии по сравнению со средним запасом энергии всех молекул, могут преодолеть такой "энергетический барьер", чтобы войти в химический контакт друг с другом. Избыточная энергия, которой должны обладать молекулы для того, чтобы их столкновение могло привести к образованию нового вещества, называется энергией активации данной реакции. Молекулы, обладающие такой энергией, называются активными молекулами. Избыточная энергия этих молекул может быть поступательной или вращательной для молекулы в целом, колебательной для составляющих ее атомов, энергией возбуждения для электронов и т.д. Для каждой конкретной реакции основное значение может иметь какая-либо одна форма избыточной энергии. С ростом температуры число активных молекул возрастает, вследствие чего и скорости химических реакций увеличиваются.

   Энергия активации различных реакций различна. Ее величина является тем фактором, посредством которого сказывается влияние природы реагирующих веществ на скорость реакции. Для некоторых реакций энергия активации мала, для других, наоборот, велика. Если энергия активации очень мала, то это означает, что значительная часть столкновений между частицами реагирующих веществ приводит к реакции. Скорость такой реакции велика. Напротив, если энергия активации реакции очень велика, то это означает, что лишь очень малая часть столкновений взаимодействующих частиц приводит к протеканию химической реакции. Скорость подобной реакции очень мала.

   Реакции, требующие для своего протекания заметной энергии активации, начинаются с разрыва или с ослабления связей между атомами в молекулах исходных веществ. При этом вещества переходят в неустойчивое промежуточное состояние, характеризующееся большим запасом энергии - активированный комплекс. Именно для его образования и необходима энергия активации. Неустойчивый активированный комплекс существует очень короткое время. Он распадается с образованием продуктов реакции, при этом энергия выделяется. В простейшем случае активированный комплекс представляет собой конфигурацию атомов, в которой ослаблены старые связи и образуются новые. Активированный комплекс возникает в качестве промежуточного состояния в ходе как прямой, так и обратной реакции. Энергетически он отличается от исходных веществ на величину энергии активации прямой реакции, а от конечных - на энергию активации обратной реакции. Активация молекул возможна при нагревании или растворении вещества, при выделении энергии в ходе самой реакции, при поглощении ими квантов излучения (светового, радиоактивного, рентгеновского и т.п.), под действием ультразвука или электрического разряда и даже при ударах о стенку сосуда.

   Скорость реакции часто зависит от присутствия в системе "третьего" компонента, с которым реагенты могут образовывать активированный комплекс. При этом изменение скорости реакции происходит за счет изменения энергии ее активации, так как промежуточные стадии процесса будут другими. Добавленный компонент, называемый катализатором, после разрушения активированного комплекса не входит в состав продуктов реакции, поэтому общее уравнение процесса остается прежним. 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. Иначе говоря, в присутствии катализатора возникают другие активированные комплексы, причем для их образования требуется меньше энергии, чем для образования активированных комплексов, возникающих без катализатора. Таким образом энергия активации реакции понижается - некоторые молекулы, энергия которых была недостаточна для активных столкновений, теперь оказываются активными.

   Если реакция A + B AB протекает с малой скоростью, то можно найти вещество K, которое с одним из реагентов образует активированный комплекс, взаимодействующий в свою очередь с другим реагентом:

A + B [A... K]; [A... K] + B AB + K

Если энергии активации этих стадий ниже энергии активации процесса в отсутствие K, то общая скорость процесса значительно возрастает, и такой катализ называется положительным. В противном случае скорость процесса уменьшится и катализ будет отрицательным. Таким образом, катализатор - это вещество, изменяющее скорость реакции и остающееся после нее химически неизменным. Катализатор, присутствующий в системе в количествах, в тысячи раз меньших, чем реагенты, может в сотни, в тысячи и в миллионы раз изменять скорость реакции. В некоторых случаях под действием катализаторов могут возбуждаться такие реакции, которые без них в данных условиях практически не протекают. Вместе с тем, с помощью катализатора можно изменить скорость лишь термодинамически возможного процесса. Для замедления нежелательных процессов или для придания реакциям более спокойного характера используются отрицательные катализаторы.