О химических процессах

Учение о химических процессах – это такая область науки, в которой существует наиболее глубокое взаимопроникновение физики, химии и биологии. Поскольку в основе этого учения находятся химическая термодинамика и кинетика, которые традиционно относятся к физической химии, все учение о химических процессах в равной мере относят и к химии, и к физике.

Подавляющее большинство химических реакций трудноуправляемы. В одних случаях их просто не удается осуществить, хотя в принципе они осуществимы, в других случаях их исключительно трудно остановить, например реакции горения и взрывы, в третьих случаях их невероятно трудно ввести в одно желательное русло, так как они самопроизвольно создают десятки непредвиденных ответвлений с образованием сотен побочных продуктов. Методы управления химическими процессами можно подразделить на термодинамические и кинетические, среди которых ведущую роль выполняют каталитические методы.

Каждая химическая реакция в принципе и в действительности обратима и представляет собой перераспределение химических связей. Обратимость реакций служит основанием равновесия между прямой и обратной реакциями. Однако на практике равновесие смещается в ту или иную сторону, что зависит как от природы реагентов, так и от условий процесса. Реакции, в которых равновесие смещено вправо, в сторону образования целевых продуктов, как правило, не требуют особых средств управления. Таковыми являются реакции кислотно-основного взаимодействия, или реакции нейтрализации, а также реакции, сопровождающиеся удалением продуктов или в виде газов, или в форме осадков, например нерастворимого хлорида серебра в реакции:

AgNO₃ + KCl ® AgCl¯ + KNO₃.

Однако существует немало реакций, равновесие в которых смещено влево. И чтобы их осуществить, необходимы особые термодинамические рычаги. Такова, в частности, реакция синтеза аммиака:

N₂ + 3H₂ «2NH₃.

Эта реакция очень проста с точки зрения состава и структуры исходных веществ. Но с 1813 по 1913 г., т. е. на протяжении целого столетия, она не могла быть осуществлена, т. к. химики не имели средств управления ею. И только законы, открытые Вант-Гоффом (С увеличением температуры на каждые 10 К скорость химической реакции возрастает в 2–4 раза) и Ле Шателье (Если на систему, находящуюся в состоянии равновесия, оказывать внешнее воздействие, то равновесие всегда смещается в направлении той реакции, протекание которой ослабляет это воздействие), позволили добиться успеха.

Термодинамические методы позволяли управлять химическими процессами только в аспекте их направленности в прямую или обратную сторону, а не скорости. Функции же управления скоростью химических процессов выполняет химическая кинетика. Она устанавливает зависимость хода химических процессов от множества факторов: природы исходных реагентов, их концентрации, наличия в реакторе катализаторов и других добавок, от способов смешения реагентов, от материала и конструкции реактора и т. д.

Рассмотрим действие хотя бы одного фактора – катализатора. Катализ был открыт в 1812 г. академиком Петербургской академии наук К. С. Кирхгофом. С тех пор и до настоящего времени катализ в химии делает буквально чудеса.

Катализатором называют вещество, участвующее в реакции и увеличивающее ее скорость, но остающееся химически неизмененным в результате реакции. Катализатор не вызывает смещения химического равновесия, а только ускоряет его наступление.