Основы химии
ания мы можем судить о агрегатном состоянии того или иного
соединения, о наиболее устойчивой модификации одного и того же вещества, о
разветвлении структуры молекулы и ряда других структурных особенностях
химических соединений.
Остановимся на структурной энергии Гиббса образования вещества ?G0обр..
Мы знаем, что ?G является *** протекания химического процесса. Стандартная
энергия Гиббса образования вещества является тоже энергией процесса, но
процесса образования моля вещества из отдельных элементарных атомов,
находящихся в наиболее устойчивом состоянии. В связи с этим, очевидно, что
чем отрицательнее значение ?G0обр., тем устойчивее соединение. И, наоборот,
чем более положительное значение ?G0обр., тем менее устойчивое вещество.
Рассмотрим несколько примеров.
1. Химическая инертность ряда соединений обусловлена большим отрицательным
значением ?G0обр.. Например, ?G0обр.SiF4= -1572,5 кДж/моль. ?G0обр.SF6=
-1103,6 кДж/моль – достаточно инертные вещества.
2. Большая прочность комплексных соединений по сравнению с простыми тоже
обусловлена значительным отрицательным значением энергии Гиббса их
образования. ?G0обр.[SiF6]2–= -2134 кДж/моль. ?G0обр.[BF4]–= -1483
кДж/моль.
3. Для соединения Cl3N значение ?G0обр. величина положительная
?G0обр.Cl3N=293 кДж/моль. Это вещество неустойчиво, оно взрывоопасно.
8.6. Изменение термодинамических функций веществ, попавших в окружающую
среду.
Поведение химических соединений попавших в окружающую среду значительно
отличается от их поведения в небольших изолированных или закрытых системах.
Здесь различие еще больше, чем отличаются между собой химические процессы в
лабораторных опытах (в пробирках или колбах) и процессы в заводских
условиях, в огромных реакторах и установках.
Экосистемы, водные и воздушные бассейны мы можем отнести к открытым
системам. Эти системы способны изменять как свою массу, так и энергию. К
большому сожалению, механизм процессов между антропогенными веществами
(“загрязнителями” попавшими в окружающую среду), а также взаимодействие с
элементами окружающей среды недостаточно изучен. Мы можем проводить только
интуиктивные аналогии исходя из известных химических и химико-экологических
закономерностей. В окружающую среду попадает не только огромное число
соединений, разнообразных по химическим свойствам, но и большое количества
тепла, выделяемого реакторами и промышленными установками.
Химическое, тепловое и радиационное загрязнение окружающей среды
(природной термодинамической системы), приводит к резкому увеличению числа
химических реакций, изменению скорости процессов и образованию сложных с
заранее труднопредсказуемой структурой соединений.
В связи с этим на изменение термодинамических функций химических
процессов будут влиять дополнительные факторы при относительном соблюдении
общих тенденций.
Уравнение ?G=?Н – Т?S объединяет два закона термодинамики и определяет
принципиальную осуществимость химической реакции в любой термодинамической
системе. Как следует из этого уравнения осуществление химической реакции
зависит от двух факторов: энтальпийного и энтропийного. Согласно первого –
каждая система стремится перейти в состояние с наименьшей внутренней
энергией, выделив при этом в окружающую среду энергию в виде теплоты или
работы или того и другого. По второму (энтропийному) фактору система
стремится занять наиболее вероятное, наиболее неупорядоченное состояние
(состояние с наиболее возможным значением энтропии).
Стремление системы к минимуму энергии приводит к тому, что любой
химический загрязнитель окружающей среды будет стремиться к объединению с
другими соединениями, образуя при этом новые, более сложные или комплексные
соединения со специфическими свойствами, иногда относящихся к группе
активных токсикантов.
Ярким примером может служить образование диоксинов в процессе
хлорирования воды с целью ее обеззараживания.
Энтропийный фактор при взаимодействии веществ, попавших в окружающую
среду, будет влиять на создание соединений с более разветвленной
молекулярной конфигурацией, с нескольким функциональными активными
группами, а следовательно, к образованию очень химико-биологически активных
соединений.
И в том и в другом случае в естественных природных системах под
действием антропогенных факторов образуются вещества-токсиканты, которые
могут сильно повлиять на состояние экосистемы и привести к необратимым
последствиям.
Глава 10.
Кинетика химических процессов.
10.1. Сущность кинетики химических процессов.
Химическая кинетика изучает как скорость, так и механизм химических
реакций.
Под химической реакцией обычно понимают процессы превращения одних
веществ в другие. В их основе лежат акты перемещения атомов от одних
молекулярных структур к другим и изменение электронных состояний
взаимодействующих частиц. Такие процессы возможны только при столкновении
атомов или молекул взаимодействующих веществ. В этом смысле химической
реакцией можно считать любое изменение вещества, при котором образуются или
разрываются связи между атомами. При химической реакции происходит деление
как энергии, так и атомов при сохранении общего числа атомов (соблюдение
закона сохранения атомов).
В предыдущей главе, рассмотрели законы химической термодинамики,
выяснили, что изменение свободной энергии Гиббса определяет принципиальную
возможность проведения химической реакции (?G<0), и ?G является “движущей
силой” химического процесса. Однако эту величину нужно считать лишь
необходимым условием, но не достаточным для реального протекания процесса.
В реальных условиях появляется ряд факторов вызывающий своеобразное
“сопротивление” протеканию химической реакции.
Так, принципиально возможные химические процессы, не всегда
осуществляются в действительности. Примером могут служить металлы
(аллюминий, цинк, хром и др.), которые должны бы полностью окисляться
кислородом воздуха, т.к. ?G этих процессов меньше нуля, однако
изготовленные из них детали и конструкции длительное время эксплуатируются
в атмосфере воздуха. Аналогичное можно сказать о углеводородах, которые
казалось бы самопроизвольно должны гореть на воздухе, но вопреки всем
расчетам, они могут без изменения длительно пребывать в воздушной среде.
Это объясняется тем, что процессы их окисления протекают очень медленно. В
законах термодинамики фактор времени отсутствует. В реальных условиях
химические превращения протекают во времени.
Многие химические реакции являются сложными, многостадийными
процессами. Отдельные стадии реакции могут идти с большим трудом и этим
обуславливать медленное протекание всего процесса. Образование отдельных
промежуточных соединений может приводить к повышению энергии Гиббса эти
стадии и являются своеобразным “барьером” на пути превращения исходных
реагентов в продукты реакции.
При изучении хиических реакций важно знать не только почему протекает
та или иная реакция, но и механизм, по которому происходит превращение и
глубину этого превращения.
Под механизмом реакции обычно понимают сам процесс превращения, т.е.
через какую стадию или ряд стадий должны пройти исходные вещества, чтобы
превратиться в конечные продукты. Причем, каждая стадия для своего
успешного завершения требует, чтобы произошли все предыдущие стадии.
Глубина превращения (степень превращения) характеризует насколько полно
исходные вещества превращаются в продукты реакции. Из опытных данных ученые
сделали вывод, что для протекания химической реакции необходимы
столкновения молекул. Числом столкновений в секунду можно характеризовать
скорость реакции. В газах и жидкостях столкновения происходят во всем
объеме реакционной смеси, а в гетерогенных системах – на границе раздела
фаз. Отсюда следует, что скорость химической реакции равна числу актов
взаимодействия в единицу времени, в единице объема (для гомогенных реакций)
или на единице поверхности раздела фаз (для гетерогенных реакций).
При каждом элементарном акте взаимодействия число молекул исходных
веществ уменьшается, а число молекул продуктов реакции увеличивается. Это
значит, что в результате химической реакции изменяются концентрации (или
массы) как реагентов, так и образующихся веществ. На следующем рисунке
(рис.10.1.) кривой “а” показано уменьшение концентрации исходного вещества,
а кривой “б” –увеличение концентрации продукта реакции с течением
времени”?”.
С
моль/л а б
С1
С2 Рис.10.1.
?1 ?2 ?
Скорость реакции количественно можно характеризовать изменением
концентрации любого участвующего в реакции вещества за единицу времени. В
этом случае концентрацию, как правило, выражают в моль, время – в секундах.
Различают среднюю скорость реакции Vср и мгновенную V?.
Cредняя скорость (Vср) показывает изменение концентрации вещества (рис
10.1.) за определенный интрвал времени (от ?1 до ?2). Она выражается
следующим отношением:
Vср = ± С2 – С1/ ?2 – ?1 = ± ?С/??
Здесь знак “–“ относится к концентрациям исходных веществ он указывает
| |  скачать работу |
Основы химии |
