Химия с нуля. Тление, горение, взрыв или скорость химической реакции.

Химия - это наука о веществах, их строении и взаимопревращениях. Под превращением мы понимаем протекание некой химической реакции и одна из характеристик химической реакции - это скорость. обозначается буковкой v, а в более продвинутых учебниках ее уже обозначают W.

Ярким примером, когда одна и та же химическая реакция (возьмем собственно окисление) протекает по-разному - это тление, горение и взрыв. Все это окислительные процессы протекающие с разной скоростью и от этого зависит конечный результат. Последствия от взрыва и от тления сильно разнятся. Но понимание, что вот одна реакция прошла быстро, а другая медленно - замечательно, а как нам определить причины ускорения или замедления сего процесса?

Для этого рассмотрим от чего же зависит скорость химической реакции.

• От концентрации исходных веществ. Имеем керосиновую лампу, к фитилю поступает с определенной диффузионной скоростью кислород из воздуха и поддерживает горение пламени. Если мы начнем ограничивать доступ кислорода к фитилю, то через некоторое время горение прекратиться и мы будем наблюдать тление на остатках кислорода. А если мы смешаем пары керосина и воздух, а потом сожмем в закрытом пространстве двигателя внутреннего сгорания, то уже произойдет не процесс горения, а будет взрыв, так как за счет сжатия концентрация кислорода в объеме пространства резко увеличилась.
• От площади соприкосновения. Измельченное лучше реагирует и быстрее, чем смешанное кусками. Могу привести яркий бытовой пример. Болеем, гриппуем, температурим, кушаем таблетку парацетомола и аспирина... ждем... минут через 40-60 начинает температура спадать. Или толчем в блистере парацетомол и аспирин, высыпаем порошок в чай, выпиваем... профит через 15 минут. А вы реально до сих пор покупаете за бешеные деньги Терра-флю или что-то подобное в порошке или в быстрорастворимых таблетках??? Не надо так.

Крайне неудобно, когда каждый раз в новых условиях реакция протекает с разной скоростью, ни посчитать, ни спрогнозировать. Поэтому ввели константу скорости химической реакции и обозначали ее k. Эта величина постоянная и если знать ее и текущие концентрации реагирующих веществ, то можно рассчитать скорость. Это привело к определенному перевороту в мире химии, после подобных событий она уже перестала считаться гуманитарной (да да, раньше занятия химией не воспринимались серьезно), так как в ней появился эксперимент с четким математическим аппаратом.

Но что же такое k? Каков ее физический смысл? Если отложить в сторону определения из учебников и закрыть глаза, то надо представить себе, что химическая реакция может произойти только в том случае, если молекулы столкнуться друг с другом. Без столкновений - нет реакций. Посему надо понимать, что не каждое столкновение приведет к реакции, так устроена природа. Так вот константа на самом деле показывает всего лишь вероятность данного события. Чем она больше, тем вероятность после столкновения во что-то новое превратиться выше, чем меньше - наоборот. Теперь ученым гораздо проще сравнивать разные реакции друг с другом.

Константе k всегда сопутствует еще одна константа. Она описывает как же все-таки нужно разогнаться молекулам, чтобы бахнув лбами превратиться в другие молекулы. И имя ей Ea - энергия активации. Снова закрываем глаза и представляем себе Броуновское движение, молекулы и там и сям, пихаются... и случайно все решили толкнуть одну молекулу согласованно и придали ее нехилый разгон (прям когда киты на голосе апвойтят), а в другой стороне аналогичная ситуация с другой молекулой. Вот в таком случае, когда весь мир скинулся "энергией" можно преодолеть этот самый энергетический барьер именуемый энергией активации. Либо нагреть. При нагревании скорость реакций так же увеличивается, как раз за счет того, что уже не нужно тратиться на преодоление Ea.

А сейчас перейдем к более сложному материалу. В школьных учебниках пишут еще, что катализатор ускоряет химическую реакцию, но на самом деле это не так. Как работает катализатор... реагирует с исходной молекулой - давая промежуточный продукт, этот продукт реагирует со второй молекулой, образуя снова промежуточный продукт и далее происходит превращение обратно в катализатор и собственно то к чему стремились... к конечному продукту химической реакции. В этой схеме катализатор не расходуется. Так вот, грамотно (или правильно) говорить о катализаторе так:

катализатор ускоряет протекание химического процесса, но не ускоряет протекание конкретной химической реакции, а направляет реакцию по другому пути скорость которой выше, а энергия активации ниже

И если вы полистаете современные учебники по химии высшей школы, то там и встретите... ускоряет химический процесс. А что есть химический процесс - совокупность химических реакций. Раньше так и было, котел, в нем химическое варево... что-то булькает, но цвет не меняется, подкинул катализатор и вуаля - цвет изменился... значит что? катализатор ускорил, все верно... процесс ускорил, но не саму реакцию.

Чтобы совсем было понятно опишу свой путь на работу. Вышел из дома и потопал пешком до работы. Через час могу уже быть на месте. А могу развернуться на 180 градусов, дойти до остановки, сесть в автобус и уже через 20 минут добраться до лаборатории. Второй случай как раз описывает действие катализатора-автобуса. Я добрался до места назначения быстрее потому что меня направили по другому пути, скорость которого выше, а затраты меньше. Но если мне привязать к ноге кусок мяса и натравить местных дворняг ))) Думаю добегу быстрее, запыхаюсь, но это как раз ускорение под действием температуры.

Всем добра и новых знаний, Ваш Протеюшко.

9 - Физика и Химия с нуля для взрослых, для тех кто всё забыл
Статья написана для "Биржи тем" по заказу: @kavalsky, @kanenakat, @semasping, @del137