Home  / Учебник ОБЩАЯ ХИМИЯ / Глава 5. Химические реакции / Как протекают химические реакции

Как протекают химические реакции

§ 5.2.1  Энергетический стимул и активные частицы  

В ходе химического превращения разрушаются одни (старые) связи и образуются новые. Как уже отмечалось, для разрушения химической связи требуется энергия в среднем около 300 кДж/моль (что соответствует температуре около 2500°С). Но в окружающем мире при температурах 20-35°С постоянно протекают миллионы химических превращений: в атмосфере, в почве, в живых организмах. В связи с этим неизбежно возникает следующий вопрос:
Почему многие реакции, в которых для   разрушения химической связи вещество нужно нагреть более чем до 2500°С ,    идут при комнатной температуре ?
За ответом обратимся к примерам, хорошо известным из школьного курса химии, да и просто из жизни. Самое тривиальное взаимодействие, которое  можно воспроизвести в любой лаборатории - реакция между водородом и кислородом (как водород «воду родит»):

2H₂+ O₂ → 2H₂O

Реакция не  начинается самопроизвольно - поэтому через смесь двух газов пропускают электрический разряд или вносят горящую лучинку. Раздается звук небольшого взрыва! Связи в молекулах кислорода и водорода разорвались, и образовалась новая связь между атомами водорода и кислорода в молекуле воды.
Напомним еще раз, что для разрыва этих связей молекулы газов должны «разогнаться» до температур выше 2500°С. Конечно, можно предположить, что электрический разряд мгновенно нагрел смесь газов до требуемой температуры. Но если пропускать тот же разряд через каждый из них отдельно, то можно увидеть, что температура газов при этом практически не меняется.

Второй пример, опять-таки, из школьных уроков химии. Учителя весьма наглядно демонстрируют ученикам, что такое химическая реакция, когда сливают растворы сульфата натрия и хлорида бария. Эти две бесцветные жидкости тотчас же производят белый осадок сульфата бария:

 BaCl₂ + Na₂SO₄ →  BaSO₄↓  + 2NaCl 

В ходе этой реакции происходит разрыв связей между барием и хлором, а также натрием и серой, хотя термически эти связи не разрываются даже при 2500°С, для этого нужна температура выше 5000°С. Интересно, что в сухом виде эти две соли в реакцию друг с другом не вступят.

Третий пример будет нам нужен для дальнейшего обсуждения химических процессов. Это - взаимодействие хлора с водородом:

 Cl₂ + H ₂  → 2HCl 

Если смешать эти газы в темноте, то реакция не пойдет. Однако даже при кратковременном освещении оба вещества начинают интенсивно реагировать друг с другом.

Рассмотрение всех трех примеров наталкивает нас на очевидный вывод: Для разрыва химической связи более «легким» путем, чем термический, необходимо энергетическое стимулирование реагентов. В наших случаях роль стимула выполнило пламя или электрический разряд для горения водорода, растворитель - для взаимодействия хлорида бария с сульфатом натрия и свет - для реакции между хлором и водородом. 

Возникает следующий вопрос: в чем суть энергетического стимулирования?

Все три реакции, приведенные нами в качестве примеров, уже давно и хорошо изучены. Для нас в данный момент важен один экспериментально установленный факт: сами по себе смеси реагентов состоят из их молекул, а после стимулирования в реагирующей смеси появляются иные частицы исходных веществ. В смеси водорода с кислородом после поджигания или пропускания электрического разряда, а также в смеси водорода с хлором после освещения наряду с двухатомными молекулами обнаружены отдельные атомы этих газов. Сульфат натрия и хлорид бария после растворения в воде распадаются на ионы: катионы металлов (Na⁺, Ва⁺) и анионы кислотных остатков (SO₄²⁺, Cl^-). Атомы и ионы в данном случае являются активными частицами, которые запускают процесс химического превращения. 

В большинстве случаев химические реакции инициируются активными частицами исходных веществ, отличными от молекул: радикалами, ионами, координационно-ненасыщенными соединениями. 

В наших примерах в роли радикалов выступают их простейшие представители: атомы. В органической химии известны радикалы очень сложной структуры. Как правило, это часть молекулы органического вещества, «лишенная атома водорода».Каким же образом активные частицы запускают химические процессы? Разберем последовательно простейшие реакции с радикальным и ионным механизмами. С процессами, в которых участвуют координационно-ненасыщенные соединения, познакомимся в главе 5.3 «Катализ».  

 Теория активных столкновений >>
 Теория переходного состояния (активированного комплекса) >>
 Проблемы химической кинетики >>
Как протекают химические реакции
 Реакции с участием радикалов >>
 Реакции с участием ионов >>
Энергетический анализ взаимодействия активной частицы с молекулой >>
 Реакции с участием растворителей >>
 О взаимодействии насыщенных молекул >>
 Основные положения теории элементарных взаимодействий >>
Экспериментальное подтверждение теории элементарных взаимодействий >>
Катализ >>