Энергетические эффекты химических реакций

Молекулы состоят из атомов. Возможны два вида молекул: содержащие одинаковые атомы и молекулы, содержащие два или более различных атомов. Эти два вида молекул имеют разные названия:

■ элемент — состоит из атомов только одного вида;

■ соединение, или сложное вещество, — состоит из двух или более различных атомов.

Один моль каждого индивидуального вещества обладает определенным теплосодержанием, равно, как и определенной массой. Теплосодержаниеявляется мерой энергии, накапливаемой веществом при его образовании. Тепловой эффект химической реакцииравен разности между теплосодержанием ее продуктов реакции и теплосодержанием реагирующих веществ. Если теплосодержание реагирующих веществ больше, чем у продуктов реакции, то при такой химической реакции тепло выделяется и она называется экзотермической.Если же теплосодержание продуктов реакции больше, чем у реагирующих веществ, то при реакции тепло поглощается и такая реакция называется эндотермической.

То,что в каждом индивидуальном веществе заключено определенное количество энергии, служит объяснением тепловых эффектов химических реакций. Теплосодержание иногда назьгеают химической энергией, так как его величина тесно связана с химическим составом вещества.

Каждый атом обладает энергией, часть которой связана с электронами и часть — с ядром. Электроны в атоме обладают кинетической энергией, и поскольку они притягиваются ядром и отталкиваются друг от друга, то и потенциальной энергией. Алгебраическая сумма кинетической и потенциальной энергий и составляют энергию, необходимую для отрыва электрона от атомного ядра. Ядро же каждого атома — колоссальный источник энергии, которая связана с взаимодействием ядерных частиц — нуклонов.

Так как атомные ядра при химических реакциях не испытывают изменений, энергия ядер не изменяется. Поэтому энергия ядер не входит в теплосодержание молекул.

При нагревании твердого вещества увеличивается кинетическая энергия колебательного движения молекул около мест, занимаемых ими в кристаллической решетке. С повышением температуры эти тепловые колебания все больше нарушают упорядоченное строение кристалла. Когда же такое хаотическое тепловое движение молекул становится слишком быстрым, кристаллическая решетка полностью разрушается. При температуре, выше которой кинетическая энергия частиц обусловливает столь быстрое хаотическое движение, что кристаллическая решетка больше не может оставаться устойчивой, происходит фазовый переход — плавление твердого вещества.

В жидкости каждая молекула обладает значительно большей свободой движения, особенно поступательного и вращательного. При нагревании жидкости молекулярное движение усиливается. Кинетическая энергия обуславливает хаотическое движение, приводящее к распределению молекул по возможно большему объему. Поэтому с ростом температуры по мере увеличения энергии движения все большее число молекул может удаляться из жидкой фазы туда, где потенциальная энергия минимальна. При этом происходит другой фазовый переход — испарение жидкости.

Если продолжать нагревать вещество, то наступит момент, когда кинетическая энергия колебательного, вращательного и поступательного движений по величине станет сравнима с энергией химических связей. Тогда молекулы начинают разрушаться. По этой причине на Солнце не обнаружены молекулы, содержащие более чем два атома: только самые простые, двухатомные молекулы. Температура на Солнце настолько высока (6000 К), что более сложные молекулы не могут существовать.

Если дальше продолжать нагревание, то в конце концов достигается температура, при которой кинетическая энергия настолько возрастает, что разрушаются ядра. Тогда начинаются ядерные реакции. Предполагается, что на некоторых звездах существуют условия, благоприятные для быстрых ядерных реакций. Затраты энергии при химических реакциях в 10—100 раз больше, чем при фазовых переходах.

СКОРОСТИ ХИМИЧЕСКИХ РЕАКЦИЙ

Химические реакции протекают с разными скоростями. Свеча, находящаяся в воздухе, не вступает с ним во взаимодействие, но, если ее зажечь, начинается реакция. Смесь бытового газа и воздуха в закрытой комнате не взаимодействует, но если зажечь спичку, может произойти сильный взрыв. Кусок железа ржавеет, т.е. реагирует с воздухом очень медленно, а кусок белого фосфора воспламеняется на воздухе и т.д. Скорость реакции зависит от:

■ природы реагирующих веществ;

■ концентрации реагирующих веществ;

■ температуры.

Реакции, при которых не происходит перераспределения связей, обычно при комнатной температуре про-

текают быстро. Реакции, при которых происходит разрыв связей, обычно при комнатной температуре протекают медленно.

Было установлено: во многих случаях при повышении концентрации реагирующих веществ скорость реакции возрастает. Это связано с тем, что число столкновений между реагирующими частицами — атомами, молекулами или ионами — становится больше. А столкновение частиц — необходимое условие протекания химических реакций. В результате столкновений могут происходить перегруппировка атомов и возникновение новых химических связей, в результате чего образуются новые вещества.

Температура заметно влияет на скорость химических реакций. Когда зажигают свечу, температура ее около фитиля повышается. При реакции горения выделяется тепло, достаточное для поддержания высокой температуры. Таким образом, обеспечивается определенная скорость реакции. Так же можно объяснить, почему происходит взрыв смеси бытового газа и воздуха от зажженной спички: около горящего конца спички температура газа повышается и начинается реакция, протекающая все быстрее с выделением тепла. За счет этого тепла повышается температура ближайших областей, и реакция еще больше ускоряется. Скорость реакции продолжает возрастать до тех пор, пока не достигнет скорости взрыва — наиболее быстрой реакции, возможной по теории столкновений. Время, затраченное на это, — примерно одна миллисекунда. Повышение температуры приводит к увеличению скорости реакции.

Было обнаружено, что столкновение приводит к химической реакции, если сталкивающиеся молекулы обладают энергией, превышающей некоторую определенную величину. Подобно движущимся по трассе машинам с большой скоростью, столкновение молекул с большой энергией приводит к «молекулярной аварии», которую принято называть химической реакцией.