Хімічна кінетика та рівновага

Свіжовідрізіна скибочка яблука досить швидко на повітрі вкривається коричневою плівкою, а бронзовий пам’ятник у вологому повітрі повільно вкривається нальотом зеленого кольору – основного карбоната купруму. Золоті прикраси зберігають на повітрі свою красу і блиск століттями. Петарда, кинута у полум’я, миттєво вибухає.

Цікаво, що з точки зору термодинаміки можливі всі ці процеси, навіть окиснення золота. Просто у них різні швидкості.

Для правильного розуміння перебігу хімічної реакції крім енергетичних характеристик (DН, DS) необхідно також знати основні закономірності її перебігу за певний час, тобто мати дані про швидкість і механізм процесу.

Розділ хімії, який вивчає перебіг хімічних процесів за певний час, називається хімічною кінетикою.

Дослідження кінетики хімічних процесів має не тільки теоретичний, а й практичний інтерес. Необхідність врахування кінетичного фактора при розгляді хімічних реакцій можна побачити на прикладі взаємодії кисню і водню. Не звертаючи уваги на те, що реакція

2Н₂(г) + О₂(г) = 2Н₂О(г), DG = - 456,4 кДж

характеризується значним зменшенням енергії Гіббса, тобто є можливість самочинного перебігу процесу, за звичайних умов водень і кисень між собою не реагують, а їх суміш може зберігатися будь-який час. При наявності каталізатора чи при нагріванні до» 700⁰С (DG⁰₁₀₀₀ = - 495,3 кДж) суміш реагує дуже швидко, а іноді навіть з вибухом. В обох випадках енергія Гіббса системи майже однакова, а кінетичні особливості різні.

Таким, чином від’ємне значення зміни енергії Гіббса є необхідною умовою, але не достатньою. Так, для реакції N₂ + 3Н₂ = 2NН₃ за стандартних умов DG < 0; однак за цих умов, тобто за температури 0°С і парціального тиску 1 атм (101 325 Па), аміак із суміші азоту і водню практично не утворюється, ця реакція йде дуже повільно. Для практичного одержання аміаку треба створити такі умови, щоб реакція відбувалася з достатньою швидкістю. Продуктив­ність апаратури, яку використовують у хімічній технології, ме­талургії, передусім залежить від швидкості процесів.

Є багато інших галузей технології і науки, де швидкості ре­акцій належить провідна роль. Наприклад, з якою швидкістю згоряє паливо в автомобільному двигуні? Як швидко твердне бе­тон або нанесений на підлогу лак? Від чого залежить швидкість корозії металу?

Вивчення чинників, які впливають на швидкість процесів, визначення оптимальних умов, за яких можна здійс­нити реакцію добування заданої речовини, є предметом хімічної кінетики.

Перш ніж розглядати питання, що таке швидкість реакції, зазначимо, що хімічні реакції можуть відбуватися в гомогенній (однорідній) і в гетерогенній (неоднорідній) системах. Гомогенна система складається з однієї фази, гетерогенна — з кількох фаз.