Влияние температуры. Энергия активации 


Мы поможем в написании ваших работ!



ЗНАЕТЕ ЛИ ВЫ?

Влияние температуры. Энергия активации



Влияние температуры на скорость химической реакции выражается эмпирическим (то есть выведенным из опытных данных) правилом Вант-Гоффа [8] (1884 г.).

 

Повышение температуры на каждые 10 градусов увеличивает скорость большинства химических реакций в 2-4 раза.

где

g температурный коэффициент скорости реакции, показывающий, во сколько раз изменяется скорость данной реакции при изменении температуры на 10 0С или 10 К;

υ1 и υ2 скорости реакции соответственно при температурах Т1и Т 2.

 

Для обычных химических реакций значения температурного коэффициента находятся в пределахот 2 до 4, а для биохимических реакций могут достигать значений 7-9. Именно поэтому колебания температуры тела человека в пределах даже 1 °С сильно сказываются на его самочувствии.

Температура влияет на скорость химической реакции, увеличивая константу её скорости, поэтому выше приведённое уравнение можно представить следующим образом:

 

 

По правилу Вант-Гоффа можно лишь примерно оценить влияние температуры на скорость химической реакции. На первый взгляд может показаться, что зависимость скорости реакции от температуры обусловлена увеличением числа столкновений реагирующих веществ. Однако число столкновений с увеличением температуры увеличивается незначительно и не может сравниться с величиной температурного коэффициента скорости химической реакции. Число столкновений в газовой смеси при нормальных условиях (температура 0 ºС, давление 101 325 Па) достигает порядка 1028 соударений в секунду. Если бы каждое соударение приводило к химическому взаимодействию, скорости реакций были бы огромны. Все реакции должны были бы протекать практически мгновенно. Следовательно, далеко не каждое соударение приводит к химическому взаимодействию. Правило Вант-Гоффа справедливо лишь при небольшом изменении температуры и далеко не для всех реакций. Гораздо более точно описывает влияние температуры на скорость химической реакции теория активации Аррениуса [9] (1889 г.).

 

Основные постулаты теории активации:

 

· не каждое столкновение (физическое взаимодействие) приводит к акту химического взаимодействия (химической реакции);

· к химическому взаимодействию приводят лишь те столкновения, в которых участвуют частицы, обладающие энергией, необходимой для такого взаимодействия (энергией активации);

· при соударении частицы должны быть определённым образом ориентированы относительно друг друга.

 

Энергия активации (Еа) − это минимальная энергия частиц, достаточная для того, чтобы они вступили в химическое взаимодействие (Еа , кДж/моль).

На рис. 4 представлена энергетическая диаграмма экзотермической реакции А + В = AB.

Энергия активации (Е ´ а) обратной экзотермической реакции АВ = А + В больше энергии активации (Еа) прямой реакции на величину, равную по модулю тепловому эффекту (энтальпии) реакции ΔНР, то есть Е ' а = Еа + |ΔН|. Активированный комплекс [А…В] один и тот же для прямой и для обратной реакции.

 

 
 


ΣΔН (Продуктов реакции)
ΣΔН (Реагентов)
∆HР
Еа
Е'а
АВ
А+В
Активированный комплекс
[ А…В]

Координата (путь) реакции

Рис. 4. Энергетическая диаграмма экзотермической реакции

Например, для реакции соединения водорода и иода:

 

Н2 + I2 = 2НI, Еа = 167,4 кДж/моль,

 

а для реакции разложения иодоводорода:

 

2НI = Н2 + I2 , Е а = 186,2 кДж/ моль.

Энергия активации характеризует энергетический барьер, преодоление которого взаимодействующими частицами приводит к образованию продуктов реакции. Энергия активации необходима для возникновения непрочного активированного переходного комплекса [А…В] (рис. 4).

Возникновение и распад такого комплекса можно представить общей схемой на примере образования и распада йодоводорода (рис. 5):

 

 

Молекулы исходных веществ [H2…I2] Молекулы продуктов реакции

 

Рис. 5 Схема возникновения и распада активированного комплекса

 

Активированный комплекс не является химическим соединением в подлинном смысле этого слова, так как в нём происходит перераспределение химических связей между взаимодействующими атомами. Квантово-химические расчёты показывают, что осуществление реакции через возникновение промежуточного комплекса (переходного состояния) энергетически выгоднее, чем образование новых химических связей после разрыва таковых в молекулах исходных веществ. Такой комплекс неустойчив вследствие его высокой энергии, и быстро распадается, образуя продукты реакции, или исходные вещества.

Энергия активации зависит от природы реагирующих веществ и протекания реакции и не зависит от температуры, если с её изменением не происходит изменения механизма реакции.

Скорость химической реакции зависит от величины энергии активации. Если энергия активации мала, то за определённое время энергетический барьер преодолеет большое число частиц и скорость реакции будет высокой; если же энергия активации велика, то энергетический барьер преодолеет малое число частиц, и реакция будет протекать медленно. Реакции с Еа < 50 кДж/моль при температуре 298 К (25 0С) протекает с большой скоростью, характерной для реакций с участием радикалов или ионов (практически мгновенно). Если Еа > 100 кДж/моль, то её скорость реакции при 298 К неизмеримо мала.

Способы активации реагирующих веществ:

· подвод теплоты из окружающей среды (термическая активация);

· воздействия различного рода электромагнитных излучений (свет, проникающая радиация);

· воздействия активных частиц, возникающих при радиоактивном распаде ядер или при электрическом разряде;

· воздействие механической энергии – инициирование некоторых химических реакций ударом или трением (взрыв смеси бертолетовых солей).

 

Зависимость между константой скорости и энергией активации химической реакции выражается уравнением Аррениуса:

 


где

kT константа скорости химической реакции при температуре Т;
А предэкспоненциальный множитель (коэффициент Аррениуса), учитывающий частоту столкновения частиц, ориентированных определённым образом;
е основание натурального логарифма, равное приблизительно 2,71828…;
Еа энергия активации реакции, кДж/моль;
R универсальная газовая постоянная, равная 8,31 Дж/(моль × К);
Т температура, К.

 

Из уравнения Аррениуса следует, что чем больше энергия активации, тем меньше будет константа и скорость химической реакции, так как в системе будет меньшее число активных частиц. В обычных условиях лишь небольшая часть молекул обладает достаточной энергией, чтобы преодолеть энергетический барьер. Это обусловлено тем, что молекулы одного и того же вещества при одинаковых условиях движутся с разной скоростью и поэтому обладают разным запасом кинетической энергии.

На рис. 6 представлена зависимость относительного числа молекул газа от их энергиипри различных температурах.

Т1


E
Ea
2 > Т1)
NE
T2

 

Рис. 6. Зависимость относительного числа молекул газа

от их энергиипри различных температурах

 

Площадь под каждой кривой равна общему количеству частиц, NЕ – число молекул, обладающих энергией Е. Доли частиц, обладающих при температурах Т1 и Т2 энергией ЕЕа выражаются заштрихованными под соответствующими кривыми площадями.

При подводе теплоты к системе происходит увеличение доли активных молекул, обладающих достаточной энергией для химического взаимодействия. При повышении температуры резко возрастает число активных молекул, и этим обусловлено значительное повышение скорости химической реакции.

В табл. 2 на примере образования воды из водорода и кислорода показана зависимость времени протекания реакции от температуры:

 

2 + О2 = 2H2О

 

Таблица 2



Поделиться:


Последнее изменение этой страницы: 2017-02-21; просмотров: 4918; Нарушение авторского права страницы; Мы поможем в написании вашей работы!

infopedia.su Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав. Обратная связь - 3.91.245.93 (0.013 с.)