Роль химии в современном мире

     На  практике в расчётах, не требующих  особой точности, значения активности обычно заменяются на соответствующие  значения концентраций (для реакций  в растворах) либо парциальных давлений (для реакций между газами).

     Пример для стандартной реакции:

     

     константа химического равновесия определяется по формуле

     При постоянной температуре отношение  равновесных концентраций (парциальных  давлений) конечных продуктов к равновесным  концентрациям (парциальным давлениям) исходных реагентов, возведенных соответственно в степени, равные их стехиометрическим  коэффициентам, величина постоянная.

     Согласно этому закону (закону действующих масс) скорость химической реакции в каждый момент времени пропорциональна концентрациям реагентов, возведённым в некоторые степени. Кроме концентрации на скорость химической реакции оказывают влияние следующие факторы:

• природа реагирующих веществ;
• наличие катализатора;
• температура (правило Вант-Гоффа);
• площадь поверхности реагирующих веществ.

     Если  мы рассмотрим самую простую химическую реакцию A + B → C , то мы заметим, что  мгновенная скорость химической реакции величина непостоянная.

     Катализатор — вещество, ускоряющее реакцию, но не входящее в состав продуктов реакции. Количество катализатора, в отличие от других реагентов, при реакции не изменяется. Обеспечивая более быстрый путь для реакции, катализатор реагирует с исходным веществом, получившееся промежуточное соединение подвергается превращениям и в конце расщепляется на продукт и катализатор. Затем катализатор снова реагирует с исходным веществом, и этот каталитический цикл многократно повторяется.

     Правило Вант-Гоффа — эмпирическое правило, позволяющее в первом приближении оценить влияние температуры на скорость химической реакции в небольшом температурном интервале (обычно от 0 °С до 100 °С). Я.Х. Вант-Гофф на основании множества экспериментов сформулировал следующее правило: При повышении температуры на каждые 10 градусов константа скорости гомогенной элементарной реакции увеличивается в два — четыре раза. Уравнение, которое описывает это правило следующее:

υ₂ = υ₁ γ^{(T2 − T1) / 10}

где υ₂-скорость реакции при данной температуре(T2), υ₁-скорость реакции

при температуре T1, γ -температурный коэффициент реакции (если он равен 2, например, то скорость реакции будет увеличиватся в 2 раза при повышении температуры на 10 градусов).

     Следует помнить, что правило Вант-Гоффа  ограниченную область применимости. Ему не подчиняются многие реакции, например реакции, происходящие при  высоких температурах, очень быстрые  и очень медленные реакции. Правилу  Вант-Гоффа также не подчиняются  реакции, в которых принимают  участие громоздкие молекулы, например белки в биологических системах. Температурную зависимость скорости реакции более корректно описывает уравнение Аррениуса.

     Из  уравнения Вант-Гоффа температурный  коэффициент вычисляется по формуле: γ = (υ₂ / υ₁)^{10 / (T2 − T1)}

     Факторы, влияющие на скорость химической реакции:

• влияние концентрации реагирующих веществ (закон действующих масс, описанный выше);
• влияние температуры на скорость химической реакции;

     Необходимым условием протекания реакции является столкновение молекул, с повышением температуры. Число столкновений растёт, однако из общего числа столкновений молекул будут реагировать только активные молекулы, обладающие достаточной энергией для преодоления энергетического барьера реакции. Приближаясь, молекулы испытывают взаимное отталкивание электронных облаков, происходит перераспределение электронной плотности и возникновение новых связей. Число активных молекул можно определить по формуле:

N_акт.=N_общ. е _ΔE_акт./ RT,

где N_акт. – число активных молекул; N_общ.- общее число молекул; е – логарифмический множитель; R – универсальная газовая постоянная (8,314 [кДж/моль градус]); T – температура (298^оС).

     Количественно влияние температуры на скорость химической реакции можно определить благодаря правилу Вант-Гоффа (также ранее описанного). Увеличение температуры на каждые 10^оС увеличивает скорость химической реакции в 2-4 раза.

• влияние катализатора на скорость химической реакции;

     Катализаторы – это вещества, которые увеличивают скорость химических реакций, путём образования промежуточного активированного комплекса (ПАК) и промежуточных соединений, остающийся при этом химически неизменном и в том же количестве. Механизм работы катализатора заключается в том, что он заставляет «пойти» реакцию через образования ПАК с реагирующими веществами. Таким образом энергия активации понижается, молекулы становятся реакционноспособными.

• химическое равновесие и смещение химического равновесия.

       Химическое равновесие:

     Химические реакции заключаются во взаимодействии реагентов с образованием продуктов реакцию. Не следует, однако, полагать, что направление химической реакции только одно. В действительности, химические реакции протекают и в прямом, и в обратном направлениях:

    

     Все химические реакции, в принципе, обратимы. Это означает, что в реакционной смеси протекает как взаимодействие реагентов, так и взаимодействие продуктов. В этом смысле различие между реагентами и продуктами условное. Направление протекания химической реакции определяется условиями ее проведения (температурой, давлением, концентрацией веществ). Многие реакции имеют одно преимущественное направление и для проведения таких реакций в противоположном направлении требуются экстремальные условия. В подобных реакциях происходит почти полное превращение реагентов в продукты. 
 
Пример. Железо и сера при умеренном нагревании реагируют между собой с образованием сульфида железа (II), FeS при таких условиях устойчив и практически не разлагается на железо и серу:

    

     Пример: Реакция синтеза аммиака является обратимой:

      

 При 200 атм и 400 0С достигается максимальное и  равное 36% (по объему) содержание NH3 в  реакционной смеси. При дальнейшем повышении температуры вследствие усиленного протекания обратной реакции  объемная доля аммиака в смеси  уменьшается. 
Прямая и обратная реакции протекают одновременно в противоположных направлениях.

    

     

     В состоянии равновесия скорости прямой и обратной реакции становятся равными.

     Принцип Ле-Шателье. Смещение химического равновесия:

     Положение химического равновесия зависит  от следующих парамктров реакции: температуры, давления и концентрации. Влияние, которое  оказывают эти факторы на химическую реакцию, подчиняются закономерности, которая была высказана в общем  виде в 1884 году французским ученым Ле-Шателье. Современная формулировка принципа Ле-Шателье такова:

    

1. Влияние температуры:

       В каждой обратимой реакции  одно из направлений отвечает  экзотермическому процессу, а другое - эндотермическому.

    

     Прямая  реакция - экзотермическая, а обратная реакция - эндотермическая. Влияние  изменения температуры на положение  химического равновесия подчиняется  следующим правилам:

    

2. Влияние давления:

       Во всех реакциях с участием газообразных веществ, сопровождающихся изменением объема за счет изменения количества вещества при переоходе от исходных веществ к продуктам, на положение равновесия влияет давление в системе. 
Влияние давления на положение равновесия подчиняется следующим правилам:

    

     

     Таким образом, при переходе от исходных веществ  к продуктам объем газов уменьшился вдвое. Значит, при повышении давления равновесие смещается в сторону  образования NH3, о чем свидетельствуют  следующие данные для реакции  синтеза аммиака при 400 0С:

    

3. Влияние концентрации:

       Влияние концентрации на состояние равновесия подчиняется следующим правилам:

      
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

РАСТВОРЫ  И ИХ СВОЙСТВА 

     Растворами называются гомогенные системы, содержащие не менее двух веществ. Могут существовать растворы твердых, жидких и газообразных веществ в жидких растворителях, а также однородные смеси (растворы) твердых, жидких и газообразных веществ. Как правило, вещество, взятое в избытке и в том же агрегатном состоянии, что и сам раствор, принято считать растворителем, а компонент, взятый в недостатке - растворенным веществом.

     В процессе растворения частицы (ионы или молекулы) растворяемого вещества под действием хаотически движущихся частиц растворителя переходят в раствор, образуя в результате беспорядочного движения частиц качественно новую однородную систему. Способность к образованию растворов выражена у разных веществ в различной степени. Одни вещества способны смешиваться друг с другом в любых количествах (вода и спирт), другие - в ограниченных (хлорид натрия и вода).

     Частицы, перешедшие в раствор, вследствие диффузии распределяются по всему объему растворителя. С другой стороны, по мере увеличения концентрации частицы (ионы, молекулы), находящиеся в непрерывном движении, при столкновении с твердой  поверхностью еще не растворившегося вещества могут задерживаться на ней, т.е. растворение всегда сопровождается обратным явлением - кристаллизацией. Может наступить такой момент, когда одновременно выделяется из раствора столько же частиц (ионов, молекул), сколько их переходит в раствор - наступает равновесие.