- •1. Скорость химической реакции
- •1.1. Кинетическая классификация реакций
- •1.2. Понятие о скорости химической реакции
- •1.3. Факторы, влияющие на скорость реакции
- •1.3.1. Зависимость скорости реакции от природы реагирующих веществ
- •1.3.2. Зависимость скорости реакции
- •1.3.3. Влияние температуры на скорость реакции
- •1.3.4. Уравнение Аррениуса
- •1.3.5. Влияние среды на скорость реакции
- •1.3.6. Другие факторы, влияющие на скорость химической реакции
- •1.4. Катализ
- •1.4.1. Особенности катализаторов
- •1.4.2. Механизм действия катализаторов согласно теории активации. Гомогенный и гетерогенный катализ
- •1.4.3. Ферментативный катализ
- •1.5. Цепные реакции
- •1.6. Фотохимические реакции
- •1.7. Последовательность расчета кинетических данных
- •1.8. Примеры решения задач
- •2. Химическое равновесие
- •2.1. Обратимые и необратимые реакции
- •2.2. Состояние химического равновесия
- •2.3. Способы выражения константы равновесия
- •2.4. Смещение химического равновесия
- •2.4.1. Влияние изменения концентрации на состояние равновесия
- •2.4.2. Влияние изменения температуры на состояние равновесия
- •2.4.3. Влияние изменения давления на состояние равновесия
- •2.5. Влияние температуры на константу равновесия
- •2.6. Состояние равновесия и катализаторы
- •2.7. Использование кинетических знаний в управлении химическим процессом
- •2.8. Примеры решения задач
- •3. Контрольные вопросы
- •4. Экспериментальная часть
- •Задачи и упраждения для самостоятельной работы
- •2. Влияние температуры и природы веществ на скорость реакции
- •4. Вычисление молярности растворов и равновесных концентраций
1.3.5. Влияние среды на скорость реакции
При химических реакциях в растворах большое влияние на её скорость оказывает природа растворителя. Последний не может рассматриваться только как инертная среда: во многих случаях растворитель играет роль активного участника реакции. Часто растворитель оказывает каталитическое воздействие на протекающий в растворе химический процесс. Скорость протекания одной и той же реакции может изменяться в широких пределах в зависимости от его природы. Например, тринитробензойная кислота С6H2(NO2)3COOH при 60оС разлагается в воде в 2050 раз, а в нитробензоле в 4000 быстрее, чем в толуоле при той же температуре. Можно привести множество других примеров.
Очень большое значение имеют и возможные водородные связи между молекулами растворителя и растворенного вещества. Их влияние на скорость реакции в различных случаях различно.
В водных растворах большое значение имеет характер среды (кислая, щелочная, нейтральная).
Если реакция протекает в газовой фазе, то скорость химического процесса может быть замедлена введением в систему инертных газов (аргон, гелий, азот и др.)
Роль среды настолько существенна, что нередко она предопределяет саму возможность (невозможность) протекания реакции.
Закономерности влияния растворителя на скорость химического процесса определяются прежде всего энергией сольватации (взаимодействие частиц растворенного вещества с молекулами растворителя) и диэлектрической проницаемостью (величина, характеризующая полярность) растворителя. Рассмотрим примеры воздействия этих факторов:
1) хорошо известная реакция образования кристаллического хлорида серебра
Ag+ + Cl AgCl
практически мгновенно протекает в водном растворе и не идет в жидком аммиаке. Причина в том, что ионы серебра и хлора в растворе находятся в сольватированном ( в случае воды гидратированном) состоянии, и энергетические характеристики процессов
Ag(H2O)4+ + Cl(H2O)2 = AgCl + 6H2O
Ag(NH3)4+ + Cl(NH3) = AgCl + 5NH3
совершенно различны. В первом случае в результате разрыва связей ионов с молекулами воды (эндотермический процесс) и образования связи Ag Cl (экзотермический процесс) достигается энергетический выигрыш, и реакция идет, а во втором прочность связей иона серебра с молекулами аммиака настолько велика, что энергия, необходимая для ее разрыва, не компенсируется количеством энергии, которая могла бы выделиться при образовании молекулы хлорида серебра, то есть в этом случае процесс является энергетически невыгодным, и реакция не идет.
По аналогичной причине ионы натрия и хлора в воде не взаимодействуют, а в жидком аммиаке выпадает осадок хлорида натрия:
Na+ + Cl NaCl
2) многочисленными примерами можно проиллюстрировать влияние полярности растворителя; так, гидролиз третичного бутилхлорида:
(CH3)3CCl + H2O (CH3)3COH + HCl
значительно ускоряется при повышении полярности растворителей (в скобках значения диэлектрической проницаемости при 250С): в метиловом спирте (32,6) скорость выше, чем в этиловом спирте (24,3) в 9 раз, а в формамиде (109,5) в 430 раз.
Еще существеннее влияние полярности растворителя на скорость реакции гидролиза триметилсульфония; так, при замене этилового спирта (24,3) на воду
(CH3)3S+ + OH CH3OH + (CH3)2S
(78,35) скорость падает в 20000 раз;
3) стоит также отметить влияние природы растворителя на мономер-димерное (полимерное) равновесие в растворах, что в свою очередь существенно сказывается на скорости реакций. Например, уксусная кислота склонна к димеризации, а по химическим свойствам молекулы CH3COOH и (CH3COOH)2 заметно отличаются друг от друга, т.к. в димере наиболее реакционноспособная часть молекулы гидроксильный водород участвует в образовании водородной связи, (той самой, за счет которой и образуется димер) и заметно теряет свою активность. Отсюда становится очевидным, что реакционная способность уксусной кислоты, находящейся в растворе в мономерной форме, должна быть значительно выше, чем у димерной формы этого соединения. Соотношение мономеров и димеров можно изменять подбором растворителя. Так, в растворе уксусной кислоты (0,1М) в циклогексане (неполярный растворитель) в мономерной форме будет находиться около 50% молекул, а в нитробензоле (полярный растворитель) 70%, и поэтому в нем она (как и фенол, спирты) проявляет более высокую реакционную способность.
Как уже было показано выше, при протекании элементарного химического процесса в растворе частицы окружающей среды молекулы растворителя в какой-то степени обязательно в нем участвуют, и поэтому величина константы скорости реакции в той или иной мере зависит от того, в каком растворителе протекает рассматриваемая элементарная реакция. Значительного влияния среды на величину константы скорости следует ожидать в реакциях, в которых образование активированного комплекса сопровождается перестройкой сольватных оболочек исходных частиц. Это является результатом межмолекулярного взаимодействия исходных частиц и активированного комплекса с молекулами окружающей среды.
В зависимости от характера разрыва связей в молекулах исходных веществ различают гомолитические и гетеролитические реакции. Гомолитическими называются реакции, в которых у каждого из атомов в результате разрыва связи остается по одному неспаренному электрону
А В А+ В,
а гетеролитическими реакции, в которых при разрыве связи оба электрона остаются у одного из атомов
А В А: В.
Влияние среды на скорость гомо- и гетеролитических реакций сильно различается.
В гомолитических реакциях образование активированного комплекса может быть не сопряжено с существенным перераспределением электронной плотности между реагирующими атомами. Поэтому оно не должно сопровождаться сильными изменениями межмолекулярного взаимодействия, то есть происходит без существенных изменений в окружающей среде. В связи с этим можно ожидать, что переход реакции из газовой фазы в раствор или замена растворителя не должны существенно сказываться на величине константы скорости гомолитической реакции. В таблице 1 приведены величины констант скорости некоторых гомолитических реакций в газовой фазе и в различных растворителях. Видно, что значение константы скорости каждой реакции слабо зависит от природы растворителя и лежит в пределах одного порядка.
Таблица 2
Константы скорости некоторых гомолитических реакций
в некоторых средах
Реакция |
Температура, 0C |
Среда |
k, с-1 или л.моль-1с-1 |
Распад N2O5 |
50 |
Газовая фаза CCl4 CHCl3 |
0,16.10-3 1,16.10-3 1,28.10-3 |
Распад изобутиронитрила |
80 |
Ксилол Уксусная кислота C22H23SH |
1,50.10-4 1,52.10-4 1,46.10-4 |
Присоединение циклопентадиена к бензохинону |
60 |
Этанол Бензол CCl4 Нитробензол |
5,00.10-2 6,20.10-2 3,20.10-2 16,0.10-2 |
В гетеролитических реакциях, в противоположность гомолитическим, электронная плотность существенно перераспределяется между реагирующими
частицами, поэтому их сольватные оболочки должны претерпевать существенную перестройку. Поэтому, в гетеролитических реакциях следует ожидать сильного влияния среды на скорость реакции. Примером может служить реакция CH3I + Cl, относительная скорость которой изменяется, в зависимости от
растворителя, в пределах семи порядков:
растворитель CH3OH HCONHCH3 HCON(CH3)2 CH3CON(CH3)2
относительная
константа скорости 1 45,3 1,2 106 7,4 106.