5. Обратимые реакции и состояние химического равновесия

Химическая реакция не всегда "доходит до конца", другими словами, исходные вещества не всегда полностью превращаются в продукты реакции. Это происходит потому, что по мере накопления продуктов реакции могут создаваться условия для протекания реакции в противоположном направлении. Химические реакции, которые при одних и тех же условиях могут идти в противоположных направлениях, называются обратимыми.

В обратимых реакциях скорость прямой реакции вначале имеет максимальное значение, затем уменьшается вследствие уменьшения концентрации исходных веществ. И наоборот, обратная реакция в начальный момент имеет минимальную скорость, которая увеличивается по мере нарастания концентрации продуктов реакции. Наконец наступает такой момент, когда скорости прямой и обратной реакции становятся равными.

Состояние, в котором скорость обратной реакции становится равной скорости прямой реакции, называется химическим равновесием.

Состояние химического равновесия при неизменных внешних условиях теоретически может сохраняться бесконечно долго. В реальной действительности, при изменении температуры, давления или концентрации реагентов, равновесие может "сместиться" в ту или иную сторону протекания процесса.

В 1884 г. французский химик А. Ле Шателье (1850–1936) сформировал принцип подвижного равновесия – принцип Ле Шателье:внешнее воздействие на систему, находящуюся в состоянии равновесия, приводит к смещению этого равновесия в направлении, при котором эффект произведенного воздействия ослабляется.

Это означает, что внешнее воздействие на систему изменяет соотношение между скоростями прямого и обратного процесса, благоприятствуя тому, который противодействует внешнему воздействию.

Знание различных закономерностей протекания химических реакций необходимо для успешного развития химической промышленности, в особенности, когда речь идет о многотоннажном производстве таких веществ, как минеральные удобрения, кислоты, аммиак, полиэтилен, синтетический каучук и т.д.

Например, в промышленном способе синтеза аммиака из водорода и азота осуществляется обратимая реакция. Поэтому возникают вопросы, – при каких температурах и давлениях выгоднее всего добиваться установления равновесия в этой реакции. Поскольку реакция является экзотермической, то исходя из принципа Ле Шателье, ясно, что чем ниже температура, тем больше равновесное состояние будет сдвигаться в сторону образования аммиака. Однако при низких температурах реакция идет очень медленно, поэтому приходится принимать компромиссное решение – на практике процесс проводят при температуре порядка +500С. Причем, даже при такой высокой температуре для достижения достаточной скорости реакции требуется присутствие специального катализатора.

6. Развитие химии экстремальных состояний

Как мы уже знаем из рассмотрения каталитических реакций, под действием катализатора происходит ослабление исходных химических связей. Подобное действие можно ожидать при тепловом или радиационном воздействии, приводящем к повышению реакционной способности веществи ускорению хода реакций. Вопросами энергетической активизации реагента занимается химияэкстремальных состояний, которая включаетплазмохимию,радиационную химию,химию высоких энергий,химию высоких давленийивысоких температур.

Плазмохимия изучает процессы в низкотемпературной плазме. В плазмохимии рассматриваются процессы при температурах от +1000C до +10000С . Такие процессы характеризуются возбужденным состоянием частиц, столкновениями молекул с заряженными частицами и, что особенно важно, очень высокими скоростями реакций. В плазмохимических процессах скорость перераспределения химических связей очень высока: длительность элементарных актов химических превращений составляет около 10^–13с при почти полном отсутствии обратимости реакции. Метановый плазмотрон с производительностью75 тацетилена в сутки имеет сравнительно крохотные размеры: длину 65 сми диаметр 15 см. Такой плазмотрон заменяет целый огромный завод. При температуре +З0003500C за одну десятитысячную долю секунды 80% метана превращается в ацетилен. Степень использования энергии достигает 90–95%, а энергозатраты составляют не более 3 кВт ч на 1 кг ацетилена.

Относительно недавно – в 1970-х годах – созданы плазменные сталеплавильные печи, выдающие высококачественный металл. Именно таким печам принадлежит будущее. Разработаны методы ионно-плазменной обработки поверхности инструментов, износостойкость которых увеличивается в несколько раз.

Плазмохимия позволяет синтезировать такие ранее неизвестные материалы, как металлобетон, в котором в качестве связующего используется сталь, чугун, алюминий. При сплавлении частиц горной породы благодаря прочному сжатию их с металлом образуется металлобетон, превосходящий по прочности обычный бетон на сжатие в 10 раз и на растяжение в 100 раз.

Радиационная химия – сравнительно молодая отрасль, ей немного более 40 лет. Первые опыты радиационной химии были связаны с облучением полиэтилена гамма-лучами. Прочность полиэтилена при этом существенно возросла. В настоящее время радиационная химия изучает превращение самых разнообразных веществ под действием ионизирующих излучений. Источниками ионизирующего излучения служат рентгеновские установки, ускорители заряженных частиц, ядерные реакторы, радиоактивные изотопы.

Наиболее важными процессами радиационно-химической технологии являются полимеризация, вулканизация, производство композиционных материалов, в том числе композиций на древесной основе, закрепление лаков и других материалов на поверхности дерева и металла, получение полимербетонов путем пропитки обычного бетона тем или иным мономером с последующим облучением. Такие бетоны имеют в четыре раза более высокую прочность, обладают водонепроницаемостью и высокой коррозийной стойкостью.

Принципиально новой и исключительно важной областью химии экстремальных состояний является самораспространяющийся высокотемпературный синтез тугоплавких и керамических материалов. Обычно крупномасштабное производство таких материалов осуществляется методом порошковой металлургии, суть которого заключается в прессовании и сжатии при высокой температуре металлических порошков. При этом температура должна составлять +12002000C , а процесс спекания длится несколько часов. Гораздо проще реализуется самораспространяющийся синтез, основанный на реакции горения одного металла в другом или металла в азоте, углероде, кремнии и т.п. Чаще всего процесс горения представляется в виде соединения кислорода с горючим веществом: углем, нефтепродуктами, древесиной. В химии принято считать горение реакцией окисления горючего вещества, что с позиции окислительно-восстановительных реакций означает перемещение электронов от атомов восстановителя горючего тела к атомам окислителя кислорода. С этой точки зрения горение возможно не только в кислороде, но и в других окислителях.

Самораспространяющийся высокотемпературный синтез – тепловой процесс горения в твердых телах. Он представляет собой, например, горение порошка титана в порошке бора или порошка циркония в порошке кремния. В результате такого синтеза получены сотни тугоплавких соединений превосходного качества: карбиды металлов, бориды, алюминиды, селениды.