Лекция 1. Химическая кинетика

Время в химию вводит химическая кинетика – наука о скоростях химических процессов. Эта наука универсальна, она пригодна для описания всех химических реакций – от образования руд в геохимических процессах с длительностью многих миллионов лет до взрыва, происходящего за миллионные доли секунды. Химическая кинетика вошла во все разделы химии; она поднялась на уровень общехимической науки, стала химической культурой, составной частью химического мышления.

Кинетические понятия и законы (порядок реакции, закон действующих масс, уравнение Аррениуса) преобразовались в кинетические признаки и критерии механизмов химических реакций. Фактически кинетика сформировала само это фундаментальное понятие – химический механизм, т.е. представление о том, в какой последовательности и в каких комбинациях реагируют молекулы, какие промежуточные частицы (интермедиаты) реагирующая система создает на своем пути от старта (реагенты) до финиша (продукты).

Химическая кинетика установила принципиальные механизмы огромного числа химических процессов и объединила их в группы по принципу общности кинетических признаков и механизма: молекулярные, цепные, каталитические, автокаталитические, радикальные, ионные и т.д. По существу через химическую кинетику различные типы реакций обрели свое характерное индивидуальное "лица необщее выраженье" - от горения водорода до металло-комплексного и ферментативного катализа. Именно через кинетику были открыты цепные реакции, проложившие прямые пути в химические лазеры и в ядерную энергетику.

Считается, что химическая кинетика есть прямой путь установления химического механизма реакций. Однако для сложных реакций (например, металлокомплексного катализа) этот путь оказывается далеко не прямым и не однозначным. Вообще возможно сосуществование различных механизмов, различных интермедиатов, их взаимное влияние, смена механизмов ("мерцающие" механизмы). Разработаны новые сложные компьютерные технологии и компьютерные программы, которые в принципе способны сильно уменьшить число возможных механизмов (или их комбинаций), а затем сформулировать более надёжно критерии и экспериментально измеряемые параметры (например, изотопное замещение, эффект растворителя, валентное состояние интермедиата и т.д.) для того, чтобы выбрать наиболее реальные механизмы (или их комбинацию), адекватные наблюдаемой кинетике.

Скорость реакции, измеренная количеством расходуемого реагента (или накопленного продукта) в единицу времени (обычно в одну секунду) зависит от концентрации реагента и потому не является характеристикой реагентов. Только константа скорости (т.е. скорость, отнесенная к единичной концентрации каждого из реагентов) является химической характеристикой реагентов, количественным выражением их реакционной способности; в свою очередь реакционная способность является функцией электронно-ядерной структуры молекул-реагентов.

Измеряя константу скорости, кинетика выступает как химический "бухгалтер": она считает число реагирующих молекул, т.е. число актов реакции в единицу времени. Другими словами, она считает количество химических событий, происходящих за единичное время (например, за одну секунду). Фактически кинетика измеряет интервал времени между этими событиями, но ничего не говорит о самом событии.