Учение о химических процессах. Термодинамические и кинетические методы управления химическими реакциями

В 19 веке происходит интенсивное развитие учения о химических процессах, составившего третий концептуальный уровень химии.

Химической реакцией или химическим процессом называется процесс превращения веществ, который сопровождается изменением их состава и (или) строения. Можно дать и такое определение: химической реакцией называется процесс превращения исходных веществ (реагентов) в конечные вещества (продукты).

Концептуальным положением учения о химических процессах является идея о том, что способность к взаимодействию различных химических реагентов зависит не только от химического состава этих исходных веществ, но еще и от ряда факторов: температуры, давления, излучения, наличия растворителей, катализаторов и т.д. В связи с этим важнейшей задачей химии становится задача разработки методов управления химическими процессами с целью получения нужных продуктов реакций в необходимых количествах.

Методы управления химическими процессами можно разделить на термодинамические и кинетические.

Термодинамические методы оказывают влияние на направление протекания химических процессов. Дело в том, что в химических реакциях исходные вещества не всегда полностью превращаются в продукты реакции. Это происходит в связи с тем, что по мере накопления продуктов реакции могут возникнуть условия для протекания реакции в обратном направлении (такие реакции называются обратимыми).

В обратимых реакциях скорость прямой реакции по мере уменьшения концентрации исходных веществ уменьшается, а скорость обратной реакции по мере накопления продуктов реакции, наоборот, возрастает. В конце концов, наступает момент, когда скорости прямой и обратной реакций выравниваются. Состояние, при котором скорости прямой и обратной реакций равны, называется химическим равновесием.

Теоретически состояние химического равновесия при неизменных условиях может сохраняться бесконечно долго. Практически при изменении внешних условий (температуры, давления или концентрации реагентов) равновесие может смещаться в ту или иную сторону. В 1884 г. французский химик Ле Шателье сформулировал принцип, позволяющий выявить методы смещения равновесия в сторону конечных продуктов и получить оптимальный выход реакции.

Выходом реакции называется отношение количества получаемого в действительности продукта к тому количеству, которое получилось бы при протекании реакции до конца, т.е., если бы было израсходовано полностью хотя бы одно из исходных веществ. Очевидно, следует стремиться к максимально возможному выходу реакции. Однако при промышленном производстве конечных продуктов необходимо учитывать множество факторов, в том числе экономические, что может привести к тому, что выход реакции будет меньше. Поэтому и говорят об оптимальном выходе реакции.

Принцип Ле Шателье гласит, что внешнее воздействие (изменение концентрации, давления или температуры) на систему, находящуюся в состоянии равновесия, вызывает смещение равновесия в направлении, при котором частично компенсируются влияние этих воздействий. Например, при повышении температуры равновесие смещается в сторону эндотермической реакции, т.е. реакции, идущей с поглощением энергии, а при понижении температуры – в сторону экзотермической реакции (с выделением энергии). Поэтому, если, например, прямая реакция является эндотермической, то, повышая температуру, можно сместить равновесие в сторону образования конечных продуктов.

Если термодинамические методы позволяют смещать равновесие при химической реакции, то кинетические методы управляют скоростью протекания реакции. Изучением кинетических методов занимается химическая кинетика. Скорость реакции зависит от природы и состояния реагирующих веществ, а также от условий протекания реакции. Важнейшими из них являются концентрация, температура и наличие катализатора.

Зависимость скорости реакции от природы реагирующих веществ означает, что при одних и тех же условиях реакции с одними исходными веществами происходят быстро, а с другими – медленно, или не идут вообще. Так, например, реакция соединения газообразных водорода и фтора при комнатной температуре протекает взрывообразно, т.е., с большим выделением энергии за короткое время, что свидетельствует о большой скорости реакции. В то же время аналогичная реакция водорода с йодом при тех же условиях практически не идет.

Скорость реакции зависит и от агрегатного состояния реагирующих веществ. Так, реакции в газовой фазе в общем случае происходят быстрее, чем в растворах, а в растворах – быстрее, чем в твердой фазе.

Из общих соображений ясно, что с увеличением концентрации исходных веществ, скорость реакции должна увеличиваться, т.к. при этом увеличивается число молекул, которые могут участвовать в реакции в данный момент времени. С увеличением температуры скорость реакции также возрастает, т.к. с ростом средней кинетической энергии молекул реагирующих веществ увеличивается вероятность их химического превращения при столкновениях.

Наибольшее влияние на скорость реакции оказывает присутствие в системе реагирующих веществ катализатора – вещества, увеличивающего скорость реакции, но не расходующегося в этом процессе. Иногда подобное вещество не ускоряет, а замедляет скорость реакции – тогда его называют ингибитором.

Механизм действия катализаторов весьма сложен и до конца не изучен. Основная гипотеза, объясняющая влияние катализатора на скорость реакции, в упрощенном виде состоит в том, что катализатор реагирует с одним из исходных веществ, образуя непрочное промежуточное соединение, как правило, с малой энергией активации по отношению ко второму исходному веществу. Это промежуточное соединение вступает в реакцию со вторым исходным веществом, образуя конечный продукт реакции и выделяя катализатор в первоначальном виде. Именно поэтому катализатор в процессе реакции не расходуется.

Следует отметить избирательность действия катализатора. Т.е., если использование данного катализатора позволяет существенно увеличить скорость одной реакции (в некоторых реакциях до 10¹⁰ раз!), то его использование в другой реакции никак не влияет на ее скорость. Поэтому, учитывая роль катализаторов в химическом производстве, одной из важнейших задач современной химии является задача поиска и применения новых более эффективных катализаторов.

При промышленном производстве конечных продуктов комплексное использование термодинамических и кинетических методов управления химическими реакциями позволяет добиться оптимальных условий их проведения.