Cтраница 3
Действительно, развитие химической технологии многих органических веществ лимитировалось именно отсутствием точных знаний о механизме химических реакций. Несмотря на то, что химическая термодинамика установила возможность их практической реализации, только одних термодинамических данных о начальном и конечном состоянии системы реагирующих веществ было явно недостаточно. [31]
Одна из наиболее распространенных теорий, объясняющих механизм химических реакций, - это теория активированного комплекса, или переходного состояния. Активированным комплексом называют некоторую возбужденную конфигурацию связанных между собой атомов, которая возникает в процессе данной реакции и отвечает некоторому максимальному значению потенциальной энергии системы реагирующих веществ. [32]
Особенностью данной химической системы является то, что ни прямая, ни обратная реакции не могут дойти до конца, и в реакционной смеси будут одновременно присутствовать все три вещества А, В и С в определенной пропорции. При изменении условий реакции, например температуры, концентрации реагентов начнут изменяться до тех пор, пока через некоторое время не установится новый постоянный состав реакционной смеси. Такое состояние системы реагирующих веществ, в котором концентрации их не меняются, называется состоянием химического равновесия, а концентрации реагентов в этом состоянии - равновесными. Равновесие характеризуется величиной константы равновесия, численное значение которой зависит от выбора единицы измерения концентрации. [33]
Применение катализатора, Как отмечалось, не может изменить состояние равновесия. Катализатор лишь увеличивает ( или уменьшает) скорость, с которой достигается равновесие. Поскольку равновесию отвечает минимум свободной энергии, для смещения системы реагирующих веществ из этого состояния необходима затрата работы. Естественно, что присутствие катализатора само по себе не может привести к такому смещению, поэтому константа равновесия К для любой реакции имеет одинаковое значение как с участием катализатора, так и без него. [34]
К - константа равновесия реакции, являющаяся для данной температуры постоянной величиной. Концентрации, входящие в уравнение ( 11 2) есть равновесные концентрации реагирующих веществ. Прямая и обратная реакции идут с различными скоростями до тех пор, пока в системе реагирующих веществ не будут достигнуты концентрации, определяемые уравнением ( 11 2), тогда дальнейшее ( видимое) течение реакции прекращается. Система может достигать состояния равновесия с обеих сторон и пребывать в нем сколь угодно долго, если изменение внешних условий не выведет ее из этого состояния. [35]
По мере течения реакции концентрации веществ А и В все уменьшаются, а веществ С и D все возрастают. Следовательно, скорость прямой реакции должна с течением времени убывать, а скорость обратной реакции возрастать, начиная от нуля. Понятно, что в конце концов обе эти скорости сравняются. Такое состояние системы реагирующих веществ, при котором скорости прямой и обратной реакций равны между собой, называют состоянием химического равновесия. [36]
Таким образом, термическое разложение органического вещества есть сложный процесс, в котором принимают существенное участие реакции пиролиза и молекулярной ассоциации. Эти реакции могут давать разные сочетания. Кроме того, происходит улетучивание продуктов распада, имеющих наиболее легкие молекулы. Они выходят, таким образом, из системы реагирующих веществ и не принимают в дальнейшем участия в их взаимодействии. [37]
Однако успехи теоретиков были значительно более скромными, чем успехи экспериментаторов. Хотя принципиальной разницы между каталитическими и некаталитическими процессами нет, и те и другие подчиняются основным законам химической кинетики, в обоих случаях система реагирующих веществ проходит через некоторое особое, обладающее повышенной энергией активное состояние, в гетерогенных каталитических реакциях наблюдаются специфические особенности. Прежде всего появляется твердое тело, от свойств и состояния которого существенно зависят все явления в целом. Поэтому не случайно, что успехи теории гетерогенного катализа неразрывно связаны с развитием теории твердого тела. Поскольку процесс идет на поверхности, знание строения поверхности катализатора оказывается решающим для разам-1 тия теории катализа. Отсюда вытекает тесная связь развития теории катализа с развитием экспериментального и теоретического изучения адсорбционных явлений. Сложность кетероген-ных процессов, присущие им специфические черты, приводят к тому, что теоретические исследования в этой области не завер-шили сь еще построением теоретических концепций, на базе которых можно было бы обобщить имеющийся фактический материал. Пока можно только говорить о наличии нескольких теорий, в первом приближении обобщающих те или иные эко периментальные данные. [38]
До настоящего времени соотношения термодинамических и кинетических закономерностей в катализе и проблема реакционной способности далеки от своего решения. Определение понятия реакционная способность недостаточно точно сформулировано. Прежде всего необходимо учитывать два аспекта этого понятия: с какой скоростью и в каком направлении будет взаимодействовать рассматриваемое вещество в заданных условиях. Само по себе вещество не может иметь какую-либо реакционную способность. Это понятие применимо только к системе реагирующих веществ, имеет смысл при учете свойств, по крайней мере, двух компонентов реакционной системы. В связи с этим закономерна постановка вопроса, будет ли в присутствии катализатора в первую очередь протекать та реакция, у которой изменение свободной энергии наибольшее, существует ли связь между изменением свободной энергии реакции и избирательностью действия катализаторов. [39]