Однако не
всякое столкновение молекул реагирующих веществ приводит к образованию
продукта реакции. Для того, чтобы произошла реакция, то есть чтобы
образовались новые молекулы, необходимо сначала разорвать или ослабить связи
между атомами в молекулах исходных веществ. На это надо затратить определенную
энергию. Если сталкивающиеся молекулы не обладают такой энергией, то их
столкновение не приведет к образованию новой молекулы: столкнувшись, они
разлетаются в разные стороны, как упругие шары.
Если же кинетическая энергия сталкивающихся молекул достаточна для
ослабления или разрыва связей, то столкновение может привести к перестройке
атомов и к образованию молекулы нового вещества. Поэтому лишь молекулы,
обладающие избытком энергии по сравнению со средним запасом энергии всех
молекул, могут преодолеть такой "энергетический барьер", чтобы войти в
химический контакт друг с другом. Избыточная энергия, которой должны обладать
молекулы для того, чтобы их столкновение могло привести к образованию нового
вещества, называется энергией активации данной реакции. Молекулы, обладающие
такой энергией, называются активными молекулами. Избыточная энергия этих
молекул может быть поступательной или вращательной для молекулы в целом,
колебательной для составляющих ее атомов, энергией возбуждения для электронов
и т.д. Для каждой конкретной реакции основное значение может иметь какая-либо
одна форма избыточной энергии. С ростом температуры число активных молекул
возрастает, вследствие чего и скорости химических реакций увеличиваются.
Энергия активации различных реакций различна. Ее величина является тем
фактором, посредством которого сказывается влияние природы реагирующих веществ
на скорость реакции. Для некоторых реакций энергия активации мала, для других,
наоборот, велика. Если энергия активации очень мала, то это означает, что
значительная часть столкновений между частицами реагирующих веществ приводит к
реакции. Скорость такой реакции велика. Напротив, если энергия активации
реакции очень велика, то это означает, что лишь очень малая часть столкновений
взаимодействующих частиц приводит к протеканию химической реакции. Скорость
подобной реакции очень мала.
Реакции, требующие для своего протекания заметной энергии активации,
начинаются с разрыва или с ослабления связей между атомами в молекулах
исходных веществ. При этом вещества переходят в неустойчивое промежуточное
состояние, характеризующееся большим запасом энергии - активированный
комплекс. Именно для его образования и необходима энергия активации.
Неустойчивый активированный комплекс существует очень короткое время. Он
распадается с образованием продуктов реакции, при этом энергия выделяется. В
простейшем случае активированный комплекс представляет собой конфигурацию
атомов, в которой ослаблены старые связи и образуются новые. Активированный
комплекс возникает в качестве промежуточного состояния в ходе как прямой, так
и обратной реакции. Энергетически он отличается от исходных веществ на
величину энергии активации прямой реакции, а от конечных - на энергию
активации обратной реакции. Активация молекул возможна при нагревании или
растворении вещества, при выделении энергии в ходе самой реакции, при
поглощении ими квантов излучения (светового, радиоактивного, рентгеновского и
т.п.), под действием ультразвука или электрического разряда и даже при ударах
о стенку сосуда.
Скорость реакции часто зависит от присутствия в системе "третьего"
компонента, с которым реагенты могут образовывать активированный комплекс. При
этом изменение скорости реакции происходит за счет изменения энергии ее
активации, так как промежуточные стадии процесса будут другими. Добавленный
компонент, называемый катализатором, после разрушения активированного
комплекса не входит в состав продуктов реакции, поэтому общее уравнение
процесса остается прежним. В большинстве случаев действие катализатора
объясняется тем, что он снижает энергию активации реакции. В присутствии
катализатора реакция проходит через другие промежуточные стадии, чем без него,
причем эти стадии энергетически более доступны. Иначе говоря, в присутствии
катализатора возникают другие активированные комплексы, причем для их
образования требуется меньше энергии, чем для образования активированных
комплексов, возникающих без катализатора. Таким образом энергия активации
реакции понижается - некоторые молекулы, энергия которых была недостаточна для
активных столкновений, теперь оказываются активными.
Если реакция A + B AB протекает с малой скоростью, то можно найти вещество
K, которое с одним из реагентов образует активированный комплекс,
взаимодействующий в свою очередь с другим реагентом:
A + B [A... K]; [A... K] + B AB + K
Если энергии активации этих стадий ниже энергии активации процесса в
отсутствие K, то общая скорость процесса значительно возрастает, и такой
катализ называется положительным. В противном случае скорость процесса
уменьшится и катализ будет отрицательным. Таким образом, катализатор - это
вещество, изменяющее скорость реакции и остающееся после нее химически
неизменным. Катализатор, присутствующий в системе в количествах, в тысячи раз
меньших, чем реагенты, может в сотни, в тысячи и в миллионы раз изменять
скорость реакции. В некоторых случаях под действием катализаторов могут
возбуждаться такие реакции, которые без них в данных условиях практически не
протекают. Вместе с тем, с помощью катализатора можно изменить скорость лишь
термодинамически возможного процесса. Для замедления нежелательных процессов
или для придания реакциям более спокойного характера используются
отрицательные катализаторы.
Различают гомогенный и гетерогенный катализ. В случае гомогенного катализа
катализатор и реагирующие вещества образуют одну фазу (газ или раствор). В
случае гетерогенного катализа катализатор находится в системе в виде
самостоятельной фазы и реакция протекает на его поверхности.
Очень большую роль играет катализ в биологических системах. Активными
катализаторами биологического действия являются ферменты - простые и сложные
белки с большой молекулярной массой. Большинство химических реакций,
протекающих в пищеварительной системе, в крови и клетках животных и человека,
являются каталитическими реакциями. Так, слюна содержит фермент птиалин,
который катализирует превращение крахмала в сахар. Фермент, имеющийся в
желудке - пепсин - катализирует расщепление белков. Половина от имеющегося
количества мочевины при 25oC в обычных условиях разлагается водой за 3200 лет,
а в присутствии фермента уреазы время ее "полупревращения" при той же
температуре составляет 10-4 сек. Всего в организме человека функционирует
свыше 30 тыс. различных ферментов; каждый из них служит эффективным
катализатором соответствующей реакции.
Рассматривая гетерогенные реакции, нетрудно заметить, что они тесно связаны
с процессами перемещения фщ. единиц веществ, вступающих в реакцию, и новых
веществ. Так, для осуществления постоянного процесса горения угля необходимо,
чтобы диоксид углерода, образующийся при этой реакции, все время удалялся бы
от поверхности угля, а новые количества кислорода подходили бы к ней. Поэтому
в ходе гетерогенной реакции можно выделить по меньшей мере три стадии:
1) подвод реагирующих веществ;
2) химическая реакция;
3) отвод продуктов реакции.
Скорость химической реакции, которую в свою очередь можно разбить на
подстадии, определяется скоростью наиболее медленной подстадии. Стадия,
определяющая скорость протекания всей реакции в целом, называется лимитирующей
стадией. В одном случае это может быть отвод или подвод веществ, в другом -
собственно химическая реакция.
Все химические реакции делятся на необратимые и обратимые. Необратимые
реакции протекают до конца - до полного израсходования одного из реагирующих
веществ. Обратимые реакции протекают не до конца: при обратимой реакции ни
одно из реагирующих веществ не расходуется полностью. Поэтому необратимая
реакция может протекать только в одном направлении, обратимая - как в прямом,
так и в обратном направлениях. В начале обратимой реакции, при смешении
исходных веществ, скорость прямой реакции велика, а скорость обратной - равна
нулю. По мере протекания реакции исходные вещества расходуются и их
концентрации падают. В результате этого уменьшается скорость прямой реакции.
Одновременно появляются продукты реакции и их концентрация возрастает.
Вследствие этого начинает идти обратная реакция, причем ее скорость постепенно
увеличивается. Когда скорости прямой и обратной реакций становятся
одинаковыми, наступает химическое (динамическое) равновесие.
Изменяя условия, в которых пребывает система, - концентрацию веществ,
давление, температуру - можно изменять скорости прямой и обратной реакций.
Тогда равновесие в системе нарушается и сдвигается в сторону той реакции,
скорость которой стала больше. Так, при увеличении концентрации реагентов
скорость прямой реакции, естественно, возрастает и равновесие смещается в
сторону прямой реакции, в сторону большего выхода продуктов. Большего выхода
продуктов можно добиться и при систематическом выведении их из сферы реакции,
приводящем к снижению их концентрации в системе и к уменьшению скорости
обратной реакции по сравнению с прямой. Для химических систем, содержащих
газообразные вещества, изменение давления оказывает на смещение равновесия
влияние, аналогичное изменению концентрации газов. При этом в большей мере
изменяется скорость той реакции, в которой учавствует большее количество
молекул газов. Изменение температуры оказывает влияние на сдвиг химического
равновесия для процессов, сопровождающихся тепловыми эффектами. Если прямая
реакция экзотермична, то обратная - эндотермична, и наоборот. Для обратимых
реакций энергия активации эндотермического процесса больше энергии активации
экзотермического процесса. В свою очередь, чем больше Eакт., тем сильнее
зависит скорость реакции от температуры. Следовательно, увеличение температуры
смещает химическое равновесие в сторону эндотермичной реакции, в результате
которой поглощается теплота и система охлаждается.
Сопоставляя изменения условий, при которых находится химическая система, с
ее ответной реакцией на внешнее воздействие, проявляющейся в смещении
химического равновесия, нетрудно заметить, что эта реакция всегда оказывается
противоположной изменению условия. Так, если уменьшают концентрацию
какого-либо из веществ, находящегося в равновесии с другими реагирующими
веществами, то равновесие сдвигается в сторону реакции, увеличивающей
концентрацию этого вещества. При увеличении давления быстрее начинает идти
процесс, понижающий его, а при увеличении температуры - процесс, вызывающий
охлаждение системы. Эти наблюдения составляют химическое содержание общего
принципа поведения систем, находящихся при данных условиях в состоянии
динамического равновесия: если система, находящаяся в равновесии, подвергнута
воздействию извне путем изменения какого-либо из условий, определяющих
положение равновесия, то равновесие в ней смещается в сторону того процесса,
который ведет к снижению эффекта произведенного воздействия. Это правило
противодействия известно под названием принципа Ле Шателье, сформулированного
им в 1884 году.
Итак, для проведения каждой химической реакции требуются строго
определенные реагенты в количествах, обеспечивающих требуемое протекание
реакции при заданном температурном и других режимах при определенной скорости,
которую можно соразмерить с временными интервалами. Кроме того, каждая
химическая реакция, протекающая при заданных условиях, имеет свою определенную
системную конструкцию, представляющую сочетание фн. ячеек, в определенные
моменты заполняемые и освобождаемые соответствующими им фщ. единицами согласно
с характерным для данной реакции алгоритмом, отражающим моменты вступления в
реакцию реагентов - фщ. единиц, их возможное чередование, при этом все это
соотносится со строго определенными промежутками времени, зафиксированными
независимым счетчиком времени.
Уровень Ж
Все простейшие и сложные молекулярные соединения уровней Г, Д и Е
рассредоточены вдоль поверхности Земного шара и в соответствии с их агрегатным
состоянием входят в состав суши, океанов и атмосферы Земли.
Развитие Материи в подуровне Ж происходило за счет формирования новых
молекулярных соединений, наделявшихся все новыми функциями в соответствии с
движением Материи в качестве (). Дифференциация фн. ячеек и образование новых
фщ. единиц данного подуровня происходили в процессе постоянного комбинирования
фн. ячеек предшествующих подуровней, интеграционного варьирования их структур,
полураспада этих своеобразных микросистем на единицы нижних подуровней.
Весь процесс Развития Материи в подуровне Ж протекал и до сих пор протекает
вот уже более 5 млрд. лет в геосферах Земли - сферических оболочках различной
плотности и состава. Главными из них являются атмосфера, гидросфера и
литосфера (земная кора), которые проникают одна в другую, находятся в тесном
взаимодействии, заключающемся в обмене веществом и энергией, и представяют
единую систему, пронизываемую Солнечной радиацией.
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34