Что изучает химическая кинетика
В начале
Считалось, что горение водорода - это простая реакция. В ней выделяется много тепла, и любой учебник скажет, что эта реакция прекрасно идет при комнатной температуре. Она идет, конечно, прекрасно, но очень медленно: 1017 лет (а это на много порядков больше, чем возраст Вселенной). И мы бы ее никогда не увидели. Если бы не подожгли гремучую смесь. Или если бы не добавили катализатор.
Внутри реакций много реакций
Потом обнаружилось, что реакции протекают в несколько стадий, в которых участвуют все возможные комбинации из атомов водорода и кислорода. У каждой стадии своя скорость и свои требования к температуре, давлению и прочим условиям. В общем, иногда гремучая смесь не гремит. И чтобы понять почему, нужно понять химическую реакцию на всех уровнях мироздания - от отдельных электронов и до заводских реакторов. И для этого придется немного изменить наше восприятие времени.
Все реакции идут всегда
В школе химические реакции рассматриваются отдельно, сами по себе. В реальности же для какого-то набора реагентов и условий, все реакции, которые могут идти, идут. Одновременно. Например, молекулы воды в стакане постоянно распадаются под действием света и столкновений с другими частицами. Только вот собираются обратно они в миллионы раз быстрее, и мы успеваем их выпить. Две характеристики - энергия (сколько тепла и энтропии выделяется/поглощается в реакции) и скорость отвечают за то, последствия какой из них мы увидим своими глазами.
В химической кинетике - науке, изучающей скорость химических реакций - они делятся на элементарные стадии. Перемещение молекул реагентов друг к другу (диффузия), их взаимодействие, распад продукта и образование какой-нибудь третьей молекулы, поглощение кванта света - вот примеры таких стадий.
Масштабы времени
На каждом временном масштабе, от атосекунд до часов и дней, идет конкуренция стадий разного рода, которая определяет исход всей реакции. Самые быстрые процессы задействуют наиболее легкие части молекул - электроны.
аттосекунды (ас, 10-18 с).
От 1 до 100 ас занимает времени поглощение света, передача электрона от одной молекулы к другой, изменение формы электронных облаков под действием внешних условий.
фемтосекунды (фс, 10-15 с )
Замедлим наши часы в тысячу раз, до 10 -100 фс. В поле нашего восприятия попадут более интересные для химика сцены - движение атомных ядер друг относительно друга. На масштабе мы сможем наблюдать, как распадаются и образуются молекулы, как они меняют свою форму в движении и какие положения для них предпочтительны. Современные ученые могут наблюдать эти явления при помощи особых экспериментальных приемов (фемтосекундная спектроскопия).
пикосекунды (фс, 10-12 с )
Если мы замедлимся еще в тысячу раз, беспрерывно колеблющиеся и перекручивающиеся молекулы сольются для нас в размытые трясущиеся облака из ядер и электронов. Тогда мы сможем сосредоточиться на их относительном движении, а также наблюдать работу ферментов.
микро- (фс, 10-6 с ) и миллисекунды (фс, 10-3 с )
Мы приходим к знакомым школьным реакциям в растворах. После сливания кислоты и индикатора молекулы успевают переместиться и столкнуться столько раз, что мы не успеваем оглянуться, как реагенты уже равномерно распределились по стакану, и установилось химическое равновесие, о чем свидетельствует ровное окрашивание раствора.
годы
Но людям, которые изучают химические реакции в вязких жидкостях, стеклах и кристаллах, роскошь быстрого установления равновесия недоступна. Из-за того, что передвижение частиц в твердых телах осложнено, даже самые быстрые и выгодные реакции могут идти годами, потому что реагирующие молекулы просто не могут дойти друг до друга. Синтез полимеров, к примеру, практически никогда не проходит до конца, так как движение молекул в толще переплетенных нитей, которыми фактически и являются молекулы полимера, осложнено до крайности.
Химики рассеяны по времени
Квантовые химики и спектроскописты оперируют фемто- и пикосекундами, химики-синтетики живут в обычном мире минут, секунд и часов, а специалисты по полимерам переходят от наносекунд к суткам в течение одного рабочего дня. Вполне возможно, что в корпусе вашей пластмассовой ручки какие-нибудь молекулы уже много месяцев пытаются достичь друг друга и вступить в реакцию, которая займет меньше времени, чем требуется для одного взмаха крыльев комара.
Концентрированная серная кислота известна своей любовью к воде. Каждому студенту-химику известно, что при разбавлении наливать можно только кислоту в воду, но никак не наоборот. При их смешении выделяется колоссальное количество тепла, и если небольшое количество воды налить в стакан с кислотой, она быстро вскипит и стакан плюнет незадачливому химику в лицо. Хорошо, что в наше время в практикуме ходят в масках. Если же с серной кислотой смешать этиловый спирт, то она будет отрывать воду прямо от его молекул. Причем тремя разными способами:
В первом случае образуется этилен, во втором - сложный эфир серной кислоты. Двусторонняя стрелка означает, что реакция обратима - когда спирта в смеси много, а эфира мало - он образуется, а когда наоборот - распадается. В третьей реакции образуется так называемый простой эфир. Он устойчивей. Этилен вообще газ - он улетает из смеси и не возвращается. Внимание знатокам: если первая реакция быстрее третьей, чего в итоге будет больше - этилена или простого эфира? А почему ничего не сказано про вторую реакцию, попробуйте догадаться сами.
Ответ:
Этилена будет больше, он же быстрее образуется. А вот про вторую реакцию не сказано ничего, потому что она обратима; в условиях, когда спирта мало (он тратится на создание этилена и простого эфира), она будет идти в обратную сторону.