Зависимость скорости химической реакции от температуры

Зависимость скорости химической реакции от температурыопределяется правилом Вант-Гоффа и уравнением Аррениуса.

Правило Вант-Гоффа: при увеличении температуры на каждые 10⁰ скорость химической реакции возрастает в 2-4 раза.

Математически это запишется следующим образом:

(7)

где: V_t и k_t – скорость и константа скорости химической реакции при температуре t; V_t+10 и k_t+10 – скорость и константа скорости химической реакции при температуре t+10; g – температурный коэффициент скорости химической реакции, показывающий во сколько раз увеличивается скорость реакции при увеличении температуры на 10 градусов; для большинства реакций значения g = 2 ÷ 4.

В общем случае, когда температура процесса изменилась на Dt, уравнение (7) можно преобразовать к виду

. (8)

Уравнение Аррениуса. Уравнения (7) и (8) лишь приближенно оценивают зависимости V = f(t) и k = f(t). Функциональная зависимость константы скорости химической реакции (скорости химической реакции) от температуры была установлена шведским ученым Св. Аррениусом (1889 г.). Она выражается уравнением, названным в его честь уравнением Аррениуса:

k = A e^-Ea/RT, (9)

где: А – предэкспоненциальный множитель; Е_А – энергия активации химической реакции.

А и Е_А являются важными характеристиками каждой химической реакции. Выясним физический смысл этих величин.

Предэкспоненциальный множитель

А = р·z, (10)

где z – число соударений молекул реагирующих веществ в единице объема за единицу времени; р – стерический (вероятностный) фактор, учитывает влияние пространственной ориентации молекул на скорость реакции (или константу скорости). Значения р = 10^-9 ÷ 1. Малые значения р отвечают реакциям между сложными по своей структуре органическими соединениями.

Энергия активации химической реакции. Не все сталкивающиеся молекулы взаимодействуют с образованием продуктов реакции, а только те активные молекулы, которые обладают достаточной энергией, чтобы разорвать или ослабить связи в исходных молекулах, создав возможность образования новых молекул.

Например, при химическом взаимодействии: H₂ + I₂ = 2HI должны разорваться связи Н-Н и I-I и образоваться связи Н- I. В некоторый момент времени возникает переходное состояние, когда одни связи не полностью разорвались, а другие уже начали формироваться. Такой нестабильный ассоциат называется активным (активированным) комплексом. Его образование можно представить следующей схемой:

Н I Н · · · I Н-I

| + | → ∶ ∶ →

Н I H · · · I Н-I

Исходные вещества Активный комплекс Продукты реакции

Для образования активного комплекса нужно преодолеть некоторый энергетический барьер, затратив энергию Е_А. Эта энергия и есть энергия активации – некоторая избыточная энергия, по сравнению со средней при данной температуре энергией, которой должны обладать молекулы для того, чтобы их столкновения были эффективными.

В общем случае для химической реакции А + В = С +Д переход от исходных веществ А и В к продуктам реакции С и Д через состояние активного комплекса А + В = А¼ В = С + D схематически можно представить в виде энергетических диаграмм (рис. 6.2).

Энергия активации Е_А – один из основных параметров, который характеризует скорость химического взаимодействия. Она зависит от природы реагирующих веществ. Чем больше Е_А, тем меньше (при прочих равных условиях) скорость реакции. При повышении температуры число активных частиц сильно возрастает, благодаря чему резко увеличивается скорость реакции.

Обычно реакции между веществами с прочными ковалентными связями характеризуются большими значениями Е_А и идут медленно, например:

а) взаимодействия между органическими веществами	Скорость этих процессов при стандартных условиях близка к нулю
б) H2 + 1/2О2 = H2О
в) N2 + 3H2 = 2NH3

Низкими значениями Е_А и очень большими скоростями характеризуются ионные взаимодействия в растворах электролитов. Например:

Ca⁺² + SO = CaSO₄.

Объясняется это тем, что разноименно заряженные ионы притягиваются друг к другу и не требуется затрат энергии на преодоление сил отталкивания взаимодействующих частиц.

Влияние катализатора

Изменение скорости реакции под воздействием малых добавок особых веществ, количество которых в ходе процесса не меняется, называется катализом.

Вещества, изменяющие скорость химической реакции, называются катализаторами (вещества, изменяющие скорость химических процессов в живых организмах – ферменты). Катализатор в реакциях не расходуется и в состав конечных продуктов не входит.

Химические реакции, протекающие в присутствии катализатора, называются каталитическими. Различают положительный катализ – в присутствии катализатора скорость химической реакции возрастает - и отрицательный катализ (ингибирование) – в присутствии катализатора (ингибитора) скорость химической реакции замедляется.

Примеры:

1. Окисление сернистого ангидрида в присутствии платинового катализатора:

_Pt

2SO₂ + O₂ = 2SO₃ – положительный катализ.

2. Замедление процесса образования хлороводорода в присутствии кислорода:

О₂

H₂ + Cl₂ = 2HCl – отрицательный катализ.

Различают: а) гомогенный катализ – реагирующие вещества и катализатор образуют однофазную систему; б) гетерогенный катализ – реагирующие вещества и катализатор образуют систему из разных фаз.

Механизм действия катализатора. Механизм действия положительных катализаторов сводится к уменьшению энергии активации реакции. При этом образуется активный комплекс с более низким уровнем энергии и скорость химической реакции сильно возрастает. На рис. 6.3 представлена энергетическая диаграмма химической реакции, протекающей в отсутствие (1) и в присутствии (2) катализатора.

Если медленно протекающую реакцию А + В = АВ вести в присутствии катализатора К, то катализатор вступает в химическое взаимодействие с одним из исходных веществ, образуя непрочное промежуточное соединение: А + К = АК.

Энергия активации этого процесса мала. Промежуточное соединение АК – реакционноспособно, оно реагирует с другим исходным веществом, при этом катализатор высвобождается и выходит из зоны реакции:

АК +В = АВ + К.

Суммируя оба процесса, получаем уравнение быстро протекающей реакции: А + В + (К) = АВ + (К).

Пример. Окисление сернистого ангидрида с участием катализатора NO: 2SO₂ + O₂ = 2SO₃ – медленная реакция;

При введении катализатора – NO – образуется промежуточное соединение: 2NO + O₂ = 2NO₂.

Далее: SO₂ + NO₂ = SO₃ + NO – быстрая реакция.

В гетерогенном катализе ускоряющее действие связано с адсорбцией. Адсорбция – явление поглощения газов, паров, растворенных веществ поверхностью твердого тела. Поверхность катализатора неоднородна. На ней имеются так называемые активные центры, на которых происходит адсорбция реагирующих веществ, что увеличивает их концентрацию.

Есть и такие вещества, которые усиливают действие катализатора, хотя сами катализаторами не являются. Эти вещества называются промоторами.

 

ХИМИЧЕСКОЕ РАВНОВЕСИЕ

⇐ Предыдущая10111213141516171819Следующая ⇒

Поделиться: