2. Швидкість хімічних реакцій.
1. Реакційна здатність речовин
Число відомих в природі і техніці хімічних процесів дуже велике. Одні з них, наприклад, окислення бронзи на повітрі, протікають століттями, інші - горіння бензину - дуже швидко. Розкладання ж вибухових речовин відбувається в мільйонні частки секунди. При промисловому виробництві хімічних продуктів дуже важливо знати закономірності перебігу реакцій у часі, т. Е. Залежність їх швидкості і виходу продукту від температури, тиску, концентрації реагентів і домішок.
Вивченням швидкості і особливостей протікання хімічних реакцій займається хімічна кінетика. Основоположним для хімічної кінетики є уявлення про те, що вихідні речовини, що вступають в хімічну реакцію, надзвичайно рідко безпосередньо перетворюються в її продукти. У більшості випадків реакція проходить ряд послідовних і паралельних стадій, на яких утворюються і витрачаються проміжні речовини. Число послідовних стадій може бути дуже велике - в ланцюгових реакціях їх десятки і сотні тисяч. Час життя проміжних речовин дуже різноманітно: одні цілком стабільні, інші існують в рівноважному стані частки секунди. Вивчення швидкості протікання хімічних процесів показало, що хімічні реакції протікають тим швидше, чим вище температура, тиск і концентрація реагентів.
На швидкість деяких хімічних реакцій можна впливати присутністю невеликої кількості певних речовин, які самі в реакції участі не приймають. Речовини ці називаються каталізаторами. Каталізатори бувають позитивними, які прискорюють реакцію, і негативними - уповільнюють її. Каталітичне прискорення хімічної реакції називається катализом і є прийомом сучасної хімічної технології (виробництво полімерних матеріалів, синтетичного палива і ін.). Вважається, що питома вага каталітичних процесів в хімічній промисловості досягає 80%. Завдяки каталізу істотно підвищилася ефективність економіки хімічної промисловості, оскільки прискорення хімічних реакцій помітно впливає на зниження витрат виробництва.
метали (Au, Pt) і інертні гази (Не, Ar, Kr, Xe) хімічно інертні, т. е. у них низька реакційна здатність; лужні метали (Li, Na, К, Cs) і галогени (F, Cl, Вг, I) хімічно активні, т. е. мають високу Реакційна здатність В органічної хімії насичені вуглеводні характеризуються низькою Реакційна здатність, для них можливі нечисленні реакції (радикальне галогенирование і нітрування, дегидрирование, деструкція з розривом с-с-зв'язків і деякі ін.), що відбуваються в жорстких умовах (висока температура, ультрафіолетове опромінення). Для галогенопроізводних насичених вуглеводнів вже можливі, крім того, реакції дегидрогалогенирования, нуклеофільного заміщення галогену, освіти магнійорганіческіх з'єднань і ін. Відбуваються в м'яких умовах. Наявність в молекулі подвійних і потрійних зв'язків, функціональних груп (гідроксильною -ОН, карбоксильної -СООН, аміногрупи -NH2 і ін.) Призводить до подальшого збільшення Реакційна здатність Кількісно Реакційна здатність висловлюють константами швидкостей реакцій (див. Кінетика хімічна) або константами рівноваги в разі оборотних процесів (див. Рівновага хімічна). Сучасні уявлення про Реакційна здатність засновані на електронній теорії валентності (див. Валентність) і на розгляді розподілу (і зсуву під дією реагенту) електронної щільності в молекулі. Електронні зміщення якісно описуються в термінах індуктивних і мезомерного ефектів (див. Мезомерія), кількісно - із застосуванням квантовомеханических розрахунків (див. Квантова хімія). Головний фактор, що визначає відносну Реакційна здатність в ряду споріднених сполук, - будова молекули: характер заступників, їх електронна і просторова вплив на реакційний центр (див. Просторові труднощі), геометрія молекул (див. Конфігурація молекул, Конформація). Реакційна здатність залежить і від умов реакції (природи середовища, присутності каталізаторів або інгібіторів, тиску, температури, опромінення і т.п.). Всі ці фактори роблять на швидкість реакцій різне, а іноді протилежний вплив в залежності від механізму даної реакції. Кількісна зв'язок між константами швидкості (або рівноваги) в межах однієї реакційної серії може бути представлена кореляційними рівняннями, що описують зміни констант залежно від зміни якого-небудь параметра (наприклад, ефекту заступника - рівняння Гаммета - Тафта, полярності розчинника - рівняння Бренстеда і т. п.). Див. Також Реакції хімічні, Оборотні і необоротні реакції, Швидкість хімічної реакції, Активоване комплекс, Каталозі, Орієнтації правила, Електронні теорії в органічній хімії, Радикали вільні.
Залежно від характеру розподілу електронної щільності в молекулі розрізняють три основних типи хімічного зв'язку: ковалентний, іонну і металеву.
Універсальний тип хімічного зв'язку - ковалентний (гомеополярной) зв'язок, що виникає в результаті усуспільнення валентних електронів парою сусідніх атомів. Цей зв'язок є причиною співіснування молекул простих газів (Н2, С # 8467; 2 та ін.), Різних з'єднань (Н2О, NH3 та ін.), Численних органічних молекул (СН4, Н3С - СН3 і т. П.), А також атомних кристалів (фосфор, сірка, графіт і ін.). Якщо хімічний зв'язок здійснюється між двома однаковими атомами, вона називається неполярной (наприклад, N2, О2, атоми напівпровідників Ge, Si і ін.), В іншому випадку
- полярної (наприклад, НС # 8467;).
У граничному випадку полярності, коли електронні хмари взаємодіючих атомів настільки розділені, що можна говорити про утворення катіонів та аніонів, має місце іонна зв'язок, яка здійснюється за рахунок кулонівського тяжіння різнойменно заряджених іонів (наприклад, NaС # 8467 ;, CaF2, нітрити, сульфіти, фосфати і інші солі металів).
За традицією до хімічних зв'язків відносять також металеву і водневу зв'язку, хоча вони відображають специфіку хімічних об'єктів і агрегатних станів, а не діючих сил.
10.5. Реакційна здатність речовин. хімічні реакції
Реакційна здатність речовини - це його хімічна активність. Прикладом є відновна здатність, коли речовина віддає електрони, і окислювальна здатність, коли речовина приєднує електрони. Відновлювальною здатністю володіють метали, окислювальному - неметали.
Розрізняють хімічні реакції заміщення, розкладання, з'єднання, обміну.
Приклади хімічних реакцій:
а) реакція заміщення: б) реакція розкладання: при нагріванні