Некоторые типы многостадийных реакций

Среди многостадийных химических процессов можно выделить несколько групп реакций, представляющих особый интерес: это параллельные, последовательные, сопряженные и цепные реакции.

Параллельные реакции имеют одинаковые исходные вещества, но разные продукты взаимодействия. Так, например, при нагревании триоксохлората(V) калия KClO₃ одновременно протекают две реакции:

2KClO₃ = 2KCl + 3O₂

и

4KClO₃ = 3KClO₄ + KCl

В случае первой реакции одним из продуктов взаимодействия является кислород, в случае второй - тетраоксохлорат(VII) калия - KClO₄. Можно добиться преимущественного протекания одной из этих реакций. Так, при введении в систему катализатора MnО₂ взаимодействие преимущественно протекает по первому уравнению. Но и в этом случае какие-то количества KClO₄ будут образовываться.

Последовательные реакции - это системы реакций, в которых каждый продукт предшествующей стадии является реагентом в последующей стадии. Последовательные реакции очень распространены. Так, например, при электрохимическом окислении хлорида калия до тетрахлората(VII) калия, протекающем на аноде по суммарному уравнению

Cl^- + 4H₂O – 8e^- = ClO+ 8H⁺

промежуточными продуктами, подвергающимися последующему окислению, являются хлор и анионы ClO^-, ClO, ClO.

Сопряженными реакциями называются процессы, один из которых инициирует другой. Примером подобных реакций может служить окисление триоксобромной(V) кислотой HBrO₃ сернистой и триоксомышьяковой(III) кислот при их совместном присутствии. H₂SO₃ и H₃AsO₃ являются восстановителями, окисляющимися достаточно активными окислителями до H₂SO₄ и H₃AsO₄. Триоксобромная(V) кислота окисляет H₂SO₃, но не окисляет H₃AsO₃; однако при действии HBrO₃ на смесь этих кислот, окисляется как сернистая, так и триоксомышьяковая(III) кислота. Это явление объясняется тем, что восстановление НВrO₃ сернистой кислотой протекает ступенчато; образующаяся в качестве промежуточного продукта оксобромная(I) кислота НВrО способна окислять H₃AsO₃.

Цепные реакции - это сложные системы параллельных, последовательных и сопряженных реакций, в случае которых первичное активирование частицы приводит к превращению большого числа молекул.

Простейшим типом цепных реакций являются реакции с неразветвленными цепями. Эти цепные реакции включают стадии зарождения, продолжения и обрыва цепи. Рассмотрим неразветвленную цепную реакцию, протекающую при действии света на смесь водорода с хлором. Зарождением цепи в этом случае является реакция образования атомных радикалов хлора при поглощении молекулой хлора кванта лучистой энергии

hν

Cl₂ = 2Cl ×

Продолжение цепи обеспечивается протеканием реакций

H₂ + Cl × = HCl + H ×

H × + Cl₂ = HCl + Cl ×

.................................

Обрыв цепи может произойти за счет образования молекул водорода и хлора из радикалов:

Н × + Н × = Н₂

Cl × + Cl × = Cl₂

Заметим, однако, что далеко не всегда образование молекул Н₂ и Cl₂ из атомов обрывает цепь. Образовавшиеся из атомарного водорода или хлора молекулы обладают избыточной энергией и очень легко вновь распадаются на атомы. Для обрыва цепи необходимо, чтобы какая-нибудь частица увела избыточную энергия от "горячих" молекул Н₂ и Сl₂. Это наблюдается, когда столкновение происходит на стенке сосуда или при столкновении "горячей молекулы" в момент ее образования с какой-нибудь частицей, которой может быть передана избыточная энергия. Радикалы могут также связываться примесями, присутствующими в системе. Средняя длина цепи зависит от природы реагирующих веществ. При фотосинтезе хлороводорода поглощение кванта лучистой энергии приводит к образованию нескольких десятков тысяч молекул хлороводорода.

Более сложным типом цепных реакций являются разветвленные процессы, включающие стадии, когда из одного радикала образуются два и более новых радикалов. Эта стадия называется разветвлением цепи. Примером подобного процесса может служить взаимодействие водорода с кислородом, включающее следующие стадии:

Н₂ + О₂ = × ОН + × ОН,

Н₂ + × ОН = Н₂О + × Н,

Н × + О₂ = × ОН + × О ×,

Н₂ + × О × = × ОН + Н ×

....................................

Первая реакция соответствует зарождению цепи, вторая - продолжению цепи, третья и четвертая - разветвлению цепи. Подобные реакции обычно протекают лавинообразно и приводят к взрыву.

Дата добавления: 2014-10-17