ПОИСК Статьи Рисунки Таблицы Теория столкновений из "Химическая кинетика" До сих пор мы имели дело с поведением определенного количества материи. Однако то, что наблюдается в больших масштабах, всегда есть результат происходящего в микросфере, в поле действия атомов и молекул. Взаимосвязь явлений микро- и макромиров изучена прежде всего для газов, и поэтому наши последующие рассуждения будут касаться реакций, происходящих между газообразными веществами. [c.60] Возьмем смесь двух газов, способных взаимодействовать друг с другом. Что нужно для того, чтобы совершилась химическая реакция Во-первых, молекулы должны находиться достаточно близко друг к другу, для того чтобы произошли необходимые изменения в связях между атомами. Во-вторых, нужно достаточное количество энергии, чтобы разорвать прежние межатомные связи. Таким образом, скорость реакции должна зависеть от частоты столкновений молекул и количества энергии, необходимой для разрыва связей. [c.60] Частоту столкновений можно вычислить, если известны состав газовой смеси, размер и масса молекул и температура. Например, если смешать равное количество молекул водорода и хлора при давлении 1 атм и при температуре 300 К, то в I см произойдет 10 столкновений в секунду. В тех же условиях для других газов число столкновений колеблется в пределах нескольких порядков от этой величины. Во всех случаях частота столкновений более чем достаточна, чтобы реакция проходила с наблюдаемой скоростью. [c.60] Уравнение, описывающее распределение молекул по скоростям, предложено Джеймсом Максвеллом, а общее уравнение распределения энергии выведено Людвигом Больцманом. На рис. 13 показан пример распределения Максвелла — Больцмана. Это уравнение имеет точную математическую трактовку, и в некоторых случаях можно вычислить распределение молекул по скоростям с достаточной степенью достоверности. [c.61] Для наших целей достаточно знать, как меняется с температурой число молекул, имеющих энергию выше определенного уровня. Эта зависимость представлена на диаграмме. Заштрихованная часть площади под кривой представляет собой долю молекул, энергия которых больше данной величины. С повышением температуры эта доля увеличивается, хотя в обоих случаях она мала. Как будет ясно из следующего расчета, этот эффект на рисунке сильно преувеличен. [c.61] По форме оно идентично с уравнением Аррениуса, которое, как мы знаем, во многих случаях верно описывает изменение значения константы скорости реакции с температурой таким образом, теория столкновений достигла определенного успеха в описании эксперимента. [c.62] В верхнем ряду столкновение приводит к химической реакции, в которой образуются иод и водород, а в нижнем ряду молекулы расположены так, что реакции не происходит. а — сближение б — столкновение в — разделение. [c.63] Таким образом, теория столкновений несет полезные идеи о столкновениях, об энергии активации, но не приводит к качественному согласию между вычисленными и экспериментальными данными. Эта неудача теории столкновений вытекает в основном из того, что многие реакции совершаются в несколько стадий, а не являются результатом одного столкновения. [c.64] Вторая причина такого несоответствия состоит в том, что эта теория не принимает во внимание природу столкновений. Даже на примере простых молекул мы видим, что взаимное расположение молекул при столкновении должно иметь существенное значение. Например, рассмотрим столкновение двух молекул иодистого водорода, наглядно изображенное на рис. 14. В первом ряду возможен плавный переход молекул сложного соединения в два простых, состоящих из атомов исходных молекул. Очевидно, что во втором случае не может быть такого легкого перехода, потому что атомы иода могут приблизиться друг к другу достаточно близко, чтобы образовать связь, а атомы водорода — не могут. Если это второе столкновение и приведет к реакции, то все равно будут необходимы дополнительные стадии, но может случиться, что молекулы не прореагируют совсем. [c.64] Такие эффекты ориентации проявляются еще сильнее в случае более сложных молекул. Вот почему для реакций в живых организмах нужны катализаторы они приводят реагирующие молекулы в положения, благоприятствующие реакциям. Подобное же действие, вероятно, оказывает твердая поверхность катализаторов. [c.64] Вернуться к основной статье