|
Home
/ Учебник ОБЩАЯ ХИМИЯ / Глава 5. Химические реакции / Проблемы химической кинетики
Проблемы химической кинетики
Изучением скоростей химических реакций занимается химическая кинетика - одно из направлений физической химии, курс которой обязательно изучают в химических и химико-технологических вузах. Важность кинетики для химиков-исследователей и химиков-технологов трудно переоценить. Именно знание скорости, с которой образуется продукт реакции, позволяет оптимальным образом организовать его производство. Собственно, с термодинамики (см. Приложение) и кинетики начинаются технологические расчеты, которые лежат в основе проектирования химических производств. Разработка проекта химического и нефтехимического производства - задача чрезвычайно ответственная. Такие предприятия весьма энерго- и металлоемкие, следовательно, дорогостоящие, к тому же взрыво- и пожароопасные, поэтому цена ошибки здесь очень высока.
Однако столь уважаемая наука, как кинетика, в один прекрасный момент стала своеобразным препятствием на пути постижения истины в иной области. При изучении многочисленных химических реакций было экспериментально установлено, что скорость взаимодействия реагентов зависит от их природы, тогда как в кинетике предполагалось, что она определяется только кинетической энергией молекул. На этом предположении строились соответствующие объяснения: катализатор снижает активационный энергетический барьер, растворитель меняет конфигурацию и энергетику активированного комплекса, и т.д. Однако наблюдаемые явления не становились от этого более ясными.
Причины, породившие это противоречие, лежат в механистическом восприятии окружающего мира. Объяснение химической реакции на основе предположения о том, что она протекает в результате столкновения молекул с высокой кинетической энергией, существует уже более 150 лет.
До сих пор в учебниках начала двадцать первого века можно видеть рисунки, на которых взаимодействующие молекулы сближаются на такой большой скорости, что они сталкиваются и после столкновения распадаются на атомы:
Рис 5.1 Столкновение молекул на большой скорости (начало XX века)
Кинетическая энергия молекул при комнатной температуре близка к 2-4 кДж/моль, а энергия связей, разрывающихся в ходе реакции, составляет 200 - 500 кДж/моль. То есть, количество молекул с кинетической энергией, достаточной для разрыва первоначальных связей, чрезвычайно мало: оно измеряется фантастической концентрацией порядка e-100.
В рамках устаревших теорий химическая реакция характеризуется как взаимодействие насыщенных молекул. И это несмотря на то, что за 150 лет существования механистического подхода к химическим явлениям, был открыт электрон, была выяснена структура атома, было установлено, что в химических превращениях изменяется электронная энергия. Истинность механистического подхода подтверждается лишь квантово-химическими расчетами трех-четырех реакций типа H2 + I2 ⇄ 2HI, да и то впоследствии было убедительно доказано, что они представляют собой не взаимодействия насыщенных молекул, а процессы с участием радикалов.
Были изучены механизмы миллионов реакций - преимущественно в органической химии, где уже более 50 лет, реакции подразделяются на:
1) нуклеафильные (с активной анионной частицей),
2) электрофильные (активная катионная частиц) и
3) радикальные реакции.
Было обнаружено, что ионы и радикалы вступают в реакцию с насыщенными молекулами с высокой скоростью. Было также установлено, что эта скорость на 10 порядков выше, чем скорость взаимодействия отдельных молекул между собой. Весь этот богатый теоретический и экспериментальный материал, накопленный наукой к концу прошлого века, явно нуждался в обобщении. Назрела необходимость в создании общей теории, которая:
а) включит в себя все достижения в области изучения химических реакций, в том числе кинетики, катализа и знаний о механизмах химических реакций;
б) объяснит всё, что происходит при химической реакции на основе новейших представлений о строении вещества и химической связи.
Авторы этих строк предложили вниманию научного сообщества теорию элементарных взаимодействий (ТЭВ).
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 >>
|
