- •Физическая химия
- •Предмет физической химии. Возникновение и развитие
- •Химическая термодинамика Основные понятия и определения
- •Классификация термодинамических систем:
- •Идеальные газы. Уравнения состояния газов
- •Внутренняя энергия, теплота, работа
- •Первый закон термодинамики
- •Первый закон термодинамики в изобарных, изохорных, изотермических и адиабатических условиях для идеальных газовых систем.
- •Закон Гесса. Следствия из закона Гесса
- •Стандартные тепловые эффекты
- •Первое следствие из закона Гесса
- •Второе следствие из закона Гесса
- •Уравнение Кирхгофа. Зависимость теплового эффекта реакции от температуры
- •Второй закон термодинамики Понятие об энтропии. Статистическая термодинамика и физический смысл энтропии.
- •Классическое введение энтропии как термодинамической функции
- •Изменение энтропии как критерий самопроизвольного протекания процесса в изолированной системе.
- •Абсолютное значение энтропии. Постулат Планка. (Третий закон термодинамики).
- •Фундаментальное уравнение Гиббса. Термодинамические потенциалы
- •Изменение энергии Гиббса в химических реакциях
- •Химический потенциал.
- •Понятие о фазовых равновесиях
- •Правило фаз Гиббса
- •Однокомпонентные системы
- •Фазовая диаграмма воды
- •Фазовая диаграмма серы
- •Уравнение Клаузиуса – Клапейрона
- •Энтропия испарения
- •Химическое равновесие
- •Закон действия масс. Константы равновесия
- •Изотерма химической реакции (Уравнение Вант-Гоффа).
- •Зависимость константы равновесия от температуры. Изобара и изохора химической реакции
- •Термодинамика растворов
- •Образование растворов. Растворимость
- •Растворимость газов в газах
- •Растворимость газов в жидкостях
- •Взаимная растворимость жидкостей
- •Растворимость твердых веществ в жидкостях
- •Связь между составом жидкого раствора и пара. Законы Коновалова
- •Растворы неэлектролитов Давление насыщенного пара разбавленных растворов. Закон Рауля.
- •Давление пара идеальных и реальных растворов. Отклонения от закона Рауля
- •Температура кристаллизации разбавленных растворов
- •Температура кипения разбавленных растворов
- •Осмотическое давление в разбавленных растворах
- •Понятие активности растворенного вещества
- •Коллигативные свойства растворов
- •Растворы электролитов Теория электролитической диссоциации. Степень диссоциации
- •Слабые электролиты. Константа диссоциации
- •Сильные электролиты
- •Электропроводность растворов электролитов
- •Электрохимические процессы Электрические потенциалы на фазовых границах
- •Гальванический элемент. Эдс гальванического элемента
- •Электродный потенциал. Уравнение Нернста
- •Классификация электродов
- •Электроды первого рода
- •Электроды второго рода
- •Электроды сравнения
- •Индикаторные электроды
- •Окислительно-восстановительные электроды
- •Кинетика химических реакций
- •Скорость химической реакции
- •Основной постулат химической кинетики (закон действия масс в химической кинетике)
- •Реакции нулевого порядка
- •Реакции первого порядка
- •Реакции второго порядка
- •Реакции третьего порядка
- •Уравнения односторонних реакций 0-го, 1-го и 2-ого порядка
- •Реакции нулевого порядка
- •Реакции первого порядка
- •Реакции второго порядка
- •Молекулярность элементарных реакций
- •Методы определения порядка реакции
- •Сложные реакции и их классификация
- •Последовательные реакции
- •Параллельные реакции
- •Сопряженные реакции
- •Цепные реакции
- •Зависимость скорости реакции от температуры. Уравнения Вант-Гоффа и Аррениуса.
- •Фотохимические реакции
- •1. Возбуждение частиц (переход молекул вещества в возбужденное состояние):
- •2. Ионизация частиц за счет отрыва электронов:
- •3. Диссоциация молекул с образованием свободных радикалов (гомолитическая) либо ионов (гетеролитическая):
- •Катализ
- •Ферментативные реакции. Уравнение Михаэлиса
- •Коллоидные системы Основные понятия
- •Получение дисперсных систем
- •Молекулярно кинетические свойства дисперсных систем
- •Оптические свойства коллоидных систем
- •Молекулярные взаимодействия и особые свойства поверхности раздела фаз. Поверхностное натяжение
- •Адсорбция. Уравнение Гиббса
- •Адсорбция на границе твердое тело – газ
- •Адсорбция из растворов. Поверхностно-активные вещества (пав)
- •Мицеллообразование
- •Двойной электрический слой и электрокинетические явления
Цепные реакции
Эти реакции состоят из ряда взаимосвязанных стадий, когда частицы, образующиеся в результате каждой стадии, генерируют последующие стадии. Как правило, цепные реакции протекают с участием свободных радикалов. Для всех цепных реакций характерны три типичные стадии, которые мы рассмотрим на примере фотохимической реакции образования хлористого водорода.
1. Зарождение цепи (инициация):
Сl2 + hν ––> 2 Сl•
2. Развитие цепи:
Н2 + Сl• ––> НСl + Н•
Н• + Сl2 ––> НСl + Сl•
Стадия развития цепи характеризуется числом молекул продукта реакции, приходящихся на одну активную частицу – длиной цепи.
3. Обрыв цепи (рекомбинация):
Н• + Н• ––> Н2
Сl• + Сl• ––> Сl2
Н• + Сl• ––> НСl
Обрыв цепи возможен также при взаимодействии активных частиц с материалом стенки сосуда, в котором проводится реакция, поэтому скорость цепных реакций может зависеть от материала и даже от формы реакционного сосуда – чем больше отношение площади поверхности сосуда к его объему, тем вероятнее обрывы цепи.
Реакция образования хлористого водорода является примером неразветвленной цепной реакции – реакции, в которой на одну прореагировавшую активную частицу приходится не более одной вновь возникающей. Разветвленными называют цепные реакции, в которых на каждую прореагировавшую активную частицу приходится более одной вновь возникающей, т.е. число активных частиц в ходе реакции постоянно возрастает. Примером разветвленной цепной реакции является реакция взаимодействия водорода с кислородом:
1. Инициация:
Н2 + О2 ––> Н2О + О•
2. Развитие цепи:
О• + Н2 ––> Н• + ОН•
Н• + О2 ––> О• + ОН•
ОН• + Н2 ––> Н2О + Н•
Зависимость скорости реакции от температуры. Уравнения Вант-Гоффа и Аррениуса.
Константа скорости реакции k в уравнении (72) есть функция температуры; повышение температуры, как правило, увеличивает константу скорости. Первая попытка учесть влияние температуры была сделана Вант-Гоффом, сформулировавшим следующее эмпирическое (т.е. на основе экспериментальных данных) правило: При повышении температуры на каждые 10 градусов константа скорости элементарной химической реакции увеличивается в 2 – 4 раза.
Величина, показывающая, во сколько раз увеличивается константа скорости при повышении температуры на 10 градусов, есть температурный коэффициент Вант-Гоффа (γ). Математически правило Вант-Гоффа можно записать следующим образом:
(86)
(87)
Правило Вант-Гоффа применимо лишь в узком температурном интервале, поскольку температурный коэффициент скорости реакции γ сам является функцией от температуры; при очень высоких и очень низких температурах γ становится равным единице (т.е. скорость химической реакции перестает зависеть от температуры).
Взаимодействие частиц осуществляется при их столкновениях; однако не каждое столкновение приводит к химическому взаимодействию частиц. Аррениус постулировал, что столкновения молекул будут эффективны (т.е. будут приводить к реакции) только в том случае, если сталкивающиеся молекулы обладают некоторым запасом энергии – энергией активации. Энергия активации ЕА – необходимый избыток энергии (по сравнению со средней энергией реагирующих веществ), которым должны обладать молекулы, чтобы их столкновение могло привести к химическому взаимодействию.
Рассмотрим путь некоторой элементарной реакции
А ––> В
Поскольку химическое взаимодействие частиц связано с разрывом старых химических связей и образованием новых, считается, что всякая элементарная реакция проходит через образование некоторого неустойчивого промежуточного соединения, называемого активированным комплексом:
А ––> K# ––> B
Образование активированного комплекса всегда требует затраты некоторого количества энергии, что вызвано, во-первых, отталкиванием электронных оболочек и атомных ядер при сближении частиц и, во-вторых, необходимостью построения определенной пространственной конфигурации атомов в активированном комплексе и перераспределения электронной плотности. Таким образом, по пути из начального состояния в конечное система должна преодолеть своего рода энергетический барьер (Рис.26). Энергия активации реакции равна превышению средней энергии активированного комплекса над средним уровнем энергии реагентов. Очевидно, что если прямая реакция является экзотермической, то энергия активации обратной реакции Е'А выше, нежели энергия активации прямой реакции EA. Для эндотермической реакции наблюдается обратное соотношение между Е'А и Е'А. Энергии активации прямой и обратной реакции связаны друг с другом через изменение внутренней энергии в ходе реакции – тепловой эффект реакции (U на Рис 26.).
Рис. 26. Энергетический профиль химической реакции. Eисх – средняя энергия частиц исходных веществ, Eпрод – средняя энергия частиц продуктов реакции.
Поскольку температура - мера средней кинетической энергии частиц, повышение температуры приводит к увеличению доли частиц, энергия которых равна или больше энергии активации, что приводит к увеличению константы скорости реакции (Рис.27):
Рис.27. Распределение частиц по энергии. Здесь nЕ/N – доля частиц, обладающих энергией E; E1 - средняя энергия частиц при температуре T1, E2 - средняя энергия частиц при температуре T2, E3 - средняя энергия частиц при температуре T3; (T1<T2<T3).
Зависимость константы скорости от температуры описывается уравнением Аррениуса:
(88)
Здесь A – предэкспоненциальный множитель. Из уравнения (58) нетрудно показать его физический смысл: величина А равна константе скорости реакции при температуре, стремящейся к бесконечности.
Прологарифмируем соотношение (88):
Как видно из последнего выражения, логарифм константы скорости линейно зависит от обратной температуры (Рис.28); величину энергии активации EA и логарифм предэкспоненциального множителя A можно определить графически (соответственно тангенс угла наклона прямой к оси абсцисс и отрезок, отсекаемый прямой на оси ординат).
Рис.28. Зависимость логарифма константы скорости химической реакции от обратной температуры.
Зная энергию активации реакции и константу скорости при какой-либо температуре T1, по уравнению Аррениуса можно рассчитать величину константы скорости при любой температуре T2: