6.4. Влияние катализаторов на скорость химической реакции

Наиболее мощным средством интенсификации химических реакций является применение катализаторов, т.е. веществ, которые ускоряют химические реакции, но не испытывают химические превращения в их результате. Явление изменения скорости реакции под воздействием катализаторов называется катализом.

Катализаторы не влияют на термодинамику реакции, т.е. не изменяют энтальпию и энергию Гиббса реакции. Если энергия Гиббса реакции положительна, то в присутствии катализаторов эта реакция не станет самопроизвольной.

6.6. Химическое равновесие

Все химические реакции подразделяются на необратимые и обратимые, которых большинство. Обратимые реакции протекают одновременно в двух противоположных направлениях.

Для обратимого химического процесса между веществами А и В можно записать выражение скоростей прямой и обратной реакций. В состоянии равновесия они равны:

mA + nB  pC + qD

υ₁ = k₁[A]^m[B]ⁿ; υ₂ = k₂[C]^p[D]^q

k₁[A]^m[B]ⁿ = k₂[C]^p[D]^q

.

Найдя отношение констант скоростей прямой и обратной реакций, заменим их постоянной величиной K, называемой константой химического равновесия. Константа химического равновесия определяется природой реагирующих веществ и температурой, но не зависит от концентрации.

.

(6.6)

Состояние же химического равновесия зависит от концентрации реагирующих веществ, температуры и если в реакции участвуют газы, то и давления. Изменение одного из указанных параметров вызывает смещение равновесия, при этом изменяются концентрации всех реагирующих веществ. Изменение концентраций продолжается до равенства скоростей прямой и обратной реакций. Тогда равновесие установится уже при других концентрациях веществ.

6.7. Принцип Ле-Шателье

Направление, в котором смещается равновесие, определяется принципом Ле-Шателье: если на систему, находящуюся в равновесии, оказывается внешнее воздействие, то равновесие смещается в таком направлении, которое ослабляет внешнее воздействие.

Для примера можно рассмотреть реакцию синтеза аммиака. Прямая реакция является экзотермической и идет с уменьшением объема.

N₂ + 3H₂  2NH₃ –Н.

Если увеличить концентрацию азота, то ускоряется та реакция, в которой данное вещество расходуется (концентрация азота ↑→).

Если повысить температуру системы, то ускоряется эндотермическая (обратная) реакция (ΔH > 0), (t°↑←), при понижении температуры равновесие смещается в сторону экзотермического процесса (ΔH < 0); (t°↓→).

Поскольку в реакции участвуют газы, то повышение давления ускоряет ту реакцию, которая ведет к уменьшению числа молей газообразных веществ, т.е. уменьшению объема газов и общего давления (р↑→).

Катализаторы не смещают равновесия реакции. Катализаторы могут ускорять наступление химического равновесия, но не влияют на константу равновесия. Катализатор одновременно увеличивает скорости прямой и обратной химических реакций.

Таким образом, для увеличения выхода аммиака можно:

- увеличить концентрацию азота и водорода и уменьшить концентрацию аммиака;

- уменьшить температуру;

- увеличить давление;

- использовать катализатор (для увеличения скорости достижения состояния равновесия).