13.1 Паралельні і послідовні хімічні реакції

Складними називають хімічні реакції, перебіг яких не можна описати одним стехіометричним рівнянням. Більшість хімічних реакцій – це багатостадійні процеси. Теорія кінетики складних реакцій ґрунтується на принципі незалежності перебігу окремих стадій реакції, тобто кожна стадія має таку ж швидкість, з якою вона перебігала би за відсутності інших стадій.

Паралельними називають реакції, що одночасно перебігають за декількома напрямками з утворенням різних продуктів реакції. Розглянемо найпростіший тип паралельної реакції – розклад речовини А. Реакція складається з двох простих реакцій І-го порядку:

k₁

АВ – реакція перетворення речовини А в речовину В з константою швидкості k₁

k₂

АD – реакція перетворення речовини А в речовину D з константою швидкості k₂

Швидкості обох паралельних реакцій визначається за рівняннями:

V₁ = k₁C_A і V₂ = k₂C_А.

Загальна швидкість паралельної реакції визначається загальною кількістю речовини А, що прореагувала, отже дорівнює сумі швидкостей двох реакцій:

. (13.1)

Більш швидку реакцію називають головною, а повільнішу – побічною. Якщо швидкості реакцій приблизно однакові, то головною реакцією вважають ту, що призводить до утворення необхідного нам продукту. Відношення кількості одержаних продуктів дорівнює відношенню констант швидкості реакцій, тобто:

. (13.2)

Послідовниминазивають реакції, що складаються з декілька стадій, які йдуть одна за одною, тобто з утворенням проміжних продуктів.

Розглянемо найпростіший тип послідовної реакції, що складається з двох простих реакцій І-го порядку:

k₁ k₂

А  Р  С. (13.3)

Загальна швидкість послідовних реакцій визначається швидкістю найбільш повільної стадії. До послідовних реакцій відносять процеси дисоціації основ та слабких кислот, реакції омилення жирів, гідролізу солей і т.д.

Гідроліз вуглеводів-олігосахаридів також є послідовною реакцією:

+Н₂О +Н₂О

С₁₈Н₃₂О₁₆  С₆Н₁₂О₆ + С₁₂Н₂₂О₁₁  3С₆Н₁₂О₆.

На рис. 13.1 наведено характер зміни концентрацій реагенту – А, проміжного продукту – Р і продукту реакції – В під час перебігу послідовної реакції (13.3).

Рисунок 13.1 – Зміна концентрації реагентів і продуктів реакції під час перебігу послідовної реакції

13.2 Ланцюгові хімічні реакції

Ланцюговими називають реакції, що перебігають за участю активних часточок – радикалів, і складаються з великої кількості стадій, які безперервно повторюються. Прикладом ланцюгової реакції є процес синтезу НCl з простих речовин. Під час освітлення суміші водню і хлору квант світлової енергії перетворює молекулу Cl₂ на два радикали – активні атоми, які мають неспарені електрони. Ця реакція є процесом зародження ланцюгу:

Cl₂ + hv  Cl^ + Cl^.

Радикал Хлору взаємодіє з молекулою водню, утворюючи молекулу НCl і радикал Гідрогену. Останній, у свою чергу, взаємодіє з молекулою Cl₂, при цьому в реакційному середовищі знову з’являється радикал Хлору:

Cl^ + Н₂  НCl + Н^;

Н^ + Cl₂  НCl + Cl^.

Радикал Хлору, що утворився, реагує з молекулою Н₂ і процес повторюється. В результаті спостерігається безперервний ланцюг однакових перетворень, який може сягати мільйони реакцій.

Одночасно в середовищі можуть перебігати процеси обриву ланцюгу, наприклад: Cl^ + Cl^ ⇄ Cl₂ або Н^ + Н^ ⇄ Н₂ або Н^ + Cl^ ⇄ НCl.

Якщо на стадії зародження ланцюгу утворюється більше, ніж одна активна часточка, то така ланцюгова реакція називається розгалуженою. Швидкість розгалужених реакцій зростає подібно лавині, і за достатньо великої кількості реагентів їх перебіг завершується вибухом.