Влияние давления на скорость химической реакции. Дополнительный материал.
Цепные реакции включают в свой механизм множество последовательно повторяющихся
однотипных элементарных актов (цепь).
Рассмотрим реакцию:
H2 + Cl2 = 2HCl
Она состоит из следующих стадий, общих для всех цепных реакций:
1) Инициирование, или зарождение цепи
Cl2 = 2Cl·
Распад молекулы хлора на атомы (радикалы) происходит при УФ-облучении или при нагревании.
Сущность стадии инициирования - образование активных, реакционноспособных частиц.
2) Развитие цепи
Cl· + H2 = HCl + H· H· + Cl2 = HCl + Cl·
В результате каждого элементарного акта развития цепи образуется новый радикал
хлора, и эта стадия повторяется вновь и вновь, теоретически - до полного расходования реагентов.
3) Рекомбинация, или обрыв цепи
2Cl· = Cl2 2H· = H2 H· + Cl· = HCl
Радикалы, оказавшиеся рядом, могут рекомбинировать, образуя устойчивую частицу (молекулу).
Избыток энергии они отдают "третьей частице" - например, стенкам сосуда или молекулам примесей.
Рассматриваемая цепная реакция является неразветвленной, поскольку в элементарном акте
развития цепи количество радикалов не возрастает. Цепная реакция взаимодействия водорода с
кислородом является разветвленной, т.к. число радикалов в элементарном
акте развития цепи увеличивается:
H· + O2 = OH· + O· O· + H2 = OH· + H·
OH· + H2 = H2O + H·
К разветвленным цепным реакциям относятся многие реакции горения.Неконтролируемый
рост числа свободных радикалов (как в результате разветвления цепи, так и для неразветвленных
реакций в случае слишком быстрого инициирования) может привести к сильному ускорению
реакции и взрыву.
Казалось бы, чем больше давление, тем выше концентрация радикалов и вероятнее взрыв.
Но на самом деле для реакции водорода с кислородом взрыв возможен лишь в определенных
областях давления: от 1 до 100 мм рт.ст. и выше 1000 мм рт.ст. Это следует из механизма реакции.
При малом давлении большая часть образующихся радикалов рекомбинирует на стенках сосуда, и
реакция идет медленно. При повышении давления до 1 мм рт.ст. радикалы реже достигают стенок,
т.к. чаще вступают в реакции с молекулами. В этих реакциях радикалы размножаются, и происходит
взрыв. Однако при давлении выше 100 мм рт.ст. концентрации веществ настолько возрастают, что
начинается рекомбинация радикалов в результате тройных соударений (например, с молекулой воды),
и реакция протекает спокойно, без взрыва (стационарное течение). Выше 1000 мм рт.ст. концентрации
становятся очень велики, и даже тройных соударений оказывается недостаточно,
чтобы предотвратить размножение радикалов.
Вам известна цепная разветвленная реакция деления урана-235, в каждом элементарном акте
которой захватывается 1 нейтрон (играющий роль радикала) и испускается до 3 нейтронов. В
зависимости от условий (например, от концентрации поглотителей нейтронов) для нее также возможно
стационарное течение или взрыв. Это еще один пример корреляции кинетики химических и ядерных процессов.
Приложения
|