7. Закономерности развития учения о химическом процессе.

(третья концептуальная система)

7.1. Общие представления о третьей концептуальной системе

Для осуществления перехода от лабораторных экспериментов к промышленным реакторам недостаточно представлений, вытекающих из учения о составе и структуре вещества. Вот почему со второй четверти XX века именно химическая технология выступает в качестве главной предпосылки развития учения о химическом процессе (ХП) - третьей концептуальной системы химии. По образному выражению академика Н.Н. Семёнова «Химический процесс – основное явление, которое отличает химию от физики, делает первую более сложной наукой». Учение о ХП рассматривает химические свойства соединений как многофакторную функцию, зависящую не только от состава и структуры реагирующих молекул, но и от условий, в которых они претерпевают качественные превращения. Действительно, реакционная способность вещества лишь отчасти обусловлена его составом и структурой. Например, одно и тоже вещество в одних случаях является кислотой, а в других – основанием; в одних случаях - окислителем, в других восстановителем.

Пример 1. CH₄ + HBF₄→ CH₅⁺… BF₄^- (CH₄ – основание, HBF₄ –кислота)

CH₄ + NaNH₂ → CH₃Na + NH₃(CH₄ – кислота, NaNH₂ – основание)

Пример 2. H₂O₂ + 2HI → I₂ + 2H₂O (H₂O₂ – окислитель)

H₂O₂ + Ag₂O → 2Ag + H₂O + O₂ (H₂O₂ – восстановитель)

Таким образом, неорганическим веществам присуща двойственная реакционная способность (амфотерность). Этот же вывод можно распространить на все вещества. Следовательно, для управления химическими реакциями надо знать и помнить природу не только каждого вещества в отдельности, а природу системы реагирующих веществ! Поэтому и надо знать закономерности ХП и влияние различных факторов на него. Ниже приведены в виде схемы эти факторы с указанием основных законов и их авторов.

i

Принцип Ле Шателье

C_i, P, T

T

Ур-е Гиббса-Гельмгольца

∆G = ∆H - T∆S

Вант-Гофф Якоб Хендрик (1852–1911)–голландский химик. Один из основателей физической химии и стереохимии. Исследовал (с 1880-х) кинетику реакций и химическое сродство. Предложил классификацию химических реакций. Установил, что при повышении температуры на 10° скорость реакции увеличивается в 2–4 раза (правило Вант-Гоффа). Предложил оценивать реакционную способность веществ с помощью константы скорости реакций. Заложил основы количественной теории разбавленных растворов. Вывел закон осмотического давления. Нобелевская премия по химии (1901).

Аррениус Сванте Август (1859–1927) - шведский физикохимик. Основные работы посвящены учению о растворах и кинетике химических реакций. На основании своих исследований высказал идею об электролитической диссоциации. Впервые объяснил сущность температурной зависимости скорости реакций. Ввел понятие энергии активации ΔE и вывел уравнение зависимости скорости реакции от фактора частоты столкновения молекул A, температуры и ΔE, ставшее одним из основных в химической кинетике (уравнение Аррениуса). Нобелевская премия (1903).

Гиббс Джозайя Уиллард (1839–1903) - американский физик и физикохимик. Один из основоположников химической термодинамики. Разработал (1875–1878) теорию термодинамических потенциалов. Изучил (1875) условия равновесия гетерогенных систем и сформулировал (1876) правило, согласно которому в равновесной гетерогенной системе число степеней свободы равно числу компонентов минус число фаз (правило фаз). Заложил основы термодинамики поверхностных явлений и электрохимических процессов.

Ле Шателье Анри Луи (1850–1936) - французский физикохимик и металловед. Сформулировал (1884) общий закон смещения химического равновесия (принцип Ле Шателье). Изучал химические процессы в металлургии. Сконструировал термоэлектрический пирометр. Создал металлографический микроскоп и усовершенствовал методику исследования строения металлов и сплавов. Изучал свойства и способы приготовления цементов. Изобрел платинородиевую термопару. Независимо от Ф. Габера нашел (1901) условия синтеза аммиака.

На основе изучения кинетики реакций в газовой фазе было установлено, что: 1) на скорость ХР влияет частота соударений частиц; 2) для осуществления ХР молекула должна обладать избыточной энергией – энергией активации; 3) механизм процесса можно описать как совокупность независимых элементарных актов (стадий). Эти представления были существенно развиты позже включением в теорию о механизме реакций квантовых представлений. Высшим достижением теоретических представлений о механизме реакций является теория абсолютных скоростей реакций (Эйринг, Эванс, Поляни (1935)). В этой теории особое место занимает представления о: а) роли потенциальной энергии реагирующих частиц; б) активированном комплексе с непрерывным перераспределением электронов связи; в) волновой природе электронов, участвующих в образовании химической связи.