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 хлората калия (KClO₃) одновременно протекают две реакции:

2KClO₃ = 2KCl + 3O₂ и 4KClO₃ = 3KClO₄ + KCl

Можно добиться преимущественного протекания одной из этих реакций. Так, при введении в систему катализатора MnО₂ взаимодействие преимущественно протекает по первому уравнению. Однако и в этом случае образуются небольшие количества KClO₄.

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 перхлората калия (KClO₄), 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 бромной кислотой (HBrO₃) сернистой и мышьяковистой кислот при их совместном присутствии. H₂SO₃ и H₃AsO₃ окисляются до H₂SO₄ и H₃AsO₄. Бромная кислота окисляет H₂SO₃, но не окисляет H₃AsO₃; однако при действии HBrO₃ на смесь этих кислот окисляются обе.

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 · и т.д.

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

Н · + Н · = Н₂; Cl · + Cl · = Cl₂

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. 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:

Н₂ + О₂ = · ОН + · ОН;

Н₂ + · ОН = Н₂О + · Н;

Н · + О₂ = · ОН + · О ·

Н₂ + · О · = · ОН + Н · и т.д.

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

Химическое равновесие.