Причины ускорения реакций при нагревании.

1) Скорость реакции между двумя молекулами (атомами, ионами) зависит от числа их соударений. Увеличение температуры приводит к возрастанию скорости движения частиц, а следовательно, и к увеличению количества их соударений в единицу времени.

2) Не все соударения приводят к реакции, а только те, при которых энергия соударяющихся частиц выше некоторого предела, называемого энергетическим барьером реакции или энергией активации. Чем выше температура, тем больше энергия частиц, тем выше количество активных соударений, приводящих к реакции между частицами.

Согласно теории активации в химическое взаимодействие вступают только активные молекулы (частицы), обладающие энергией, достаточной для осуществления данной реакции. Неактивные частицы можно сделать активными, если сообщить им необходимую дополнительную энергию (процесс активации). Один из способов активации – увеличение температуры.

Энергия, которую надо сообщить молекулам (частицам) реагирующих веществ, чтобы превратить их в активные, называется энергией активации (Е_а, кДж/моль).

Энергия активации зависит от природы реагирующих веществ и служит характеристикой каждой реакции.

На примере реакции в общем виде:

А₂ + В₂ = 2АВ

Ось ординат характеризует потенциал энергии системы, ось абсцисс – ход реакции: исходное состояние → переходное состояние → конечное состояние. Чтобы реагирующие вещества А₂ и В₂ образовали продукт реакции АВ, они должны преодолеть энергетический барьер С (рисунок). На это затрачивается энергия активации, на значение которой возрастает энергия системы. При этом в ходе реакции из частиц реагирующих веществ образуется промежуточная неустойчивая группировка, называемая переходным состоянием или активированным комплексом (в точке С), последующий распад которого приводит к образованию конечного продукта АВ.

Если при распаде активированного комплекса выделяется больше энергии, чем это необходимо для активации частиц, то реакция экзотермическая.

Из рисунка видно, что разность энергий конечного состояния системы (Н_кон) и начального (Н_нач) равна тепловому эффекту реакции: ∆Н = Н_кон - Н_нач.

Скорость реакции непосредственно зависит от значения энергии активации: если оно мало, то за определенное время протекания реакции энергетический барьер преодолеет большое число частиц и скорость реакции будет высокой. Но если энергия активации велика, то реакция идет медленно. Использование катализатора снижает энергетический барьер.

Понятие о катализе.

Увеличить скорость реакции можно с помощью катализаторов. Одни катализаторы ускоряют реакцию – положительный катализ, другие замедляют – отрицательный катализ (ингибирование). Сам катализатор в реакциях не расходуется и в конечные продукты не входит.

Гомогенный катализ – катализатор и все реагирующие вещества находятся в одной фазе. Например, разложение Н₂О₂ (катализатор – раствор солей).

Гетерогенный катализ – каталитические процессы протекают на границе раздела фаз. Например, окисление NH_3(г) (катализатор – Pt(_тв)); разложение Н₂О_2(ж) (катализатор – уголь_(тв) или MnO_2(тв).

Поверхность катализатора неоднородна. На ней имеются активные центры, на которых главным образом протекают каталитические реакции. Реагирующие вещества адсорбируются на этих центрах, в результате увеличивается концентрация их на поверхности катализатора. А это отчасти приводит к повышению химической активности адсорбированных молекул. Под действием катализатора у адсорбированных молекул ослабляются связи между атомами и они становятся более реакционноспособными. В этом случае реакция ускоряется благодаря снижению энергии активации (в том числе за счет образования поверхностных промежуточных соединений).

Таким образом, действие катализаторов сводится к уменьшению энергии активации реакции, т.е. к снижению высокого энергетического барьера. При этом образуется активированный комплекс с более низким уровнем энергии. В результате скорость реакции возрастает.

Механизм действия катализаторов обычно объясняют образованием промежуточных соединений с одним из реагирующих веществ.

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

SO₂ + O₂ = SO₃ (катализатор NO)

А + К = АК: O₂ + NO = NO₂

Реакция протекает быстро, т.к. энергия активации этого процесса мала. Затем промежуточное соединение АК взаимодействует с другим исходным веществом, при этом катализатор высвобождается:

АК + В = АВ + К: NO₂ + SO₂ = SO₃ + NO

Энергия активации этого процесса также мала, поэтому реакция протекает достаточно быстро.