8. Энергия активации. Катализаторы
Многие, даже очень быстрые реакции, при простом соприкосновении реагентов не идут. Например, смесь водорода с кислородом может очень долго находиться при комнатной температуре, не изменяясь. Но стоит только поднести к ней горящую спичку, как реакция начинает протекать очень быстро, часто со взрывом (поэтому смесь водорода с кислородом в объемном отношении 2:1 даже называют " гремучим газом" ). В чем же причина? Мы уже говорили, что не любые соударения молекул или других химических частиц приводят к их взаимодействию, а только эффективные, то есть те соударения частиц, суммарная энергия которых больше какого-то определенного значения. Эта " пороговая" энергия называется энергией активации данной реакции.
Физический смысл энергии активации становится понятным, если рассмотреть графики изменения энергии частиц в ходе реакции, показанные на рис. 9.5.
Левый график соответствует экзотермической реакции, а правый - эндотермической. На этих графиках Е1 - средняя энергия молекул исходных веществ, Е2 - средняя энергия молекул продуктов реакции, Еа - энергия активации, а ± Q - тепловой эффект реакции. Если энергия активации невелика, то в исходных веществах всегда найдутся молекулы, которые смогут преодолеть " энергетический барьер" и превратиться в молекулы продуктов реакции. Если же энергия активации велика, то таких молекул в реакторе может и не оказаться. Таким образом, скорость реакции при прочих равных условиях тем больше, чем меньше ее энергия активации. На практике часто встречаются случаи, когда необходимо осуществить реакцию, энергия активации которой очень велика. Скорость такой реакции, естественно, очень мала или практически равна нулю. Если при этом сильно нагреть реакционную смесь нельзя (например, исходное вещество при таком нагревании разлагается, или равновесие смещается в сторону исходного вещества), то для получения нужного вещества приходится идти " обходным путем" .
Пусть нам необходимо получить вещество АБ по обратимой реакции
А +Б АБ + Q,
энергия активации которой очень велика. Можно, конечно, очень сильно повысить температуру, но тогда равновесие сдвинется влево, и выход продукта АБ будет небольшим. В подобных случаях дополнительно подбирают другое вещество (обозначим его К), такое, чтобы протекали реакции А + К АК и АК + Б АБ + К с небольшими энергиями активации и, следовательно, с необходимой нам скоростью. В результате мы получим нужный нам продукт АБ и исходное вещество К, которое вновь можем использовать в первой стадии реакции. Вещество К и другие, подобные ему по действию, называются катализаторами, а реакции с их участием - каталитическими реакциями.
Катализатор - вещество, ускоряющее протекание химического процесса за счет взаимодействия с реагентами сложной реакции и выделяющееся на последней стадии в химически неизменном виде. |
Катализаторы используются не только для ускорения химических процессов. Если между реагентами возможно несколько реакций, то, используя катализатор, можно провести практически только ту, которая требуется.
Снижая энергию активации, катализатор ускоряет как прямую, так и обратную реакцию, и поэтому он не может быть использован для смещения равновесия.