4. Залежність швидкості хімічної реакції від температури

Вплив температури на швидкість хімічної реакції приблизно визначається правилом Вант-Гоффа. При підвищенні температури на 10⁰С швидкість хімічної реакції зростає в 2-4 рази.

Математичний запис правила Вант-Гоффа: γ- температурний коефіцієнт швидкості реакції чи коефіцієнт Вант-Гоффа, який для більшості реакцій лежить у межах 2-4. Він показує, у скільки разів збільшується швидкість реакції у разі підвищення температури на кожні 10 градусів.(t=10⁰C).

Задача. В скільки разів зміниться швидкість хімічної реакції, що протікає в газовій фазі, якщо температура змінилася від 80⁰Сдо 120⁰С(γ= 3)?

Розв’язок.

Згідно з правилом Вант-Гоффа записуємо:

.

Збільшення швидкості хімічної реакції при підвищенні температури припускається не тільки збільшенням кінетичної енергії взаємодіючих молекул. Наприклад, число зіткнень молекул росте пропорційно кореню квадратному з абсолютної температури. При нагріванні речовин від нуля до ста градусів за Цельсієм швидкість руху молекул зростає в 1,2 раза, а швидкість хімічної реакції – приблизно в 59 тисяч разів. Таке різке збільшення швидкості реакції з ростом температури з’ясовується часткою активних молекул, зіткнення яких приводить до хімічної взаємодії. Відповідно з теорією активних зіткнень у реакцію вступають тількиактивні молекули,енергія яких перевищує середню енергію молекул даної речовини, тобто молекули, що володіють енергією активації.

Енергія активації (E_А)– це той надлишок енергії в порівнянні із середнім запасом, яким повинні володіти молекули для здійснення хімічної реакції. Якщо Е_А< 40 кДж/моль – реакції проходять швидко, якщо Е_А > 120 кДж/моль – реакції не відбуваються за стандартними умовами, якщо Е_А = 40-120 кДж/моль – реакції проходять у звичайних умовах. Підвищення температури збільшує кількість молекул з енергією активації, робить речовини більш реакційноздатними, швидкість взаємодії при цьому збільшується.

Більш точну залежність швидкості хімічної реакції від температури встановив C.Арреніус: константа швидкості реакції пропорційна основі натурального логарифма, зведеного в ступінь (-Е_А/RT).

,

А– предекспоненційний множник, визначає число активних зіткнень;

е – експонента (основа натурального логарифма).

Логарифмуючи вираження , одержимо рівняння:

. Рівняння Арреніуса показує, що швидкість реакції тим вище, чим менша енергія активації. Для зниження енергії активації використовують каталізатори.

5. Залежність швидкості хімічної реакції від каталізатору

Каталізатор– це речовина, що змінює швидкість хімічної реакції, її механізм та енергетику, кількість якої в результаті реакції залишається незмінною. Зміна швидкості хімічної реакції в присутності каталізаторів називаєтьсякаталізом.Реакції, швидкість яких можна змінити за допомогою каталізаторів, називаютьсякаталітичними. Каталізатори, що сповільнюють швидкість хімічної реакції, називаютьсяінгібіторами. Наприклад, тетраетилплюмбумPb(C₂H₅)₄протидіє детонації палива в двигунах внутрішнього згоряння. Речовини, що підсилюють дію каталізатора, називаютьсяпромоторами. Речовини, що придушують дію каталізатора, називаютьсякаталітичними отрутами; біологічні каталізатори називаютьсяферментами.

Механізм дії каталізаторів під час каталітичних реакцій досить складний і може бути різним. Розглянемо лише дещо спрощений та узагальнений варіант механізму. За теорією проміжних сполук каталізатор (К) з одним з реагуючих речовин (А) утворює проміжну сполукуАК( активований комплекс ) з більш низьким значенням енергії активації, здатну до більш ефективної взаємодії з іншою речовиною (В):

А + В АВ;

А + К АК;

АК + В АВ + К.

Таким чином, каталізатор розбиває реакцію на проміжні стадії; при цьому утворюється ряд нестійких проміжних сполук – активованих комплексів. Наприклад, самовільний процес розкладання гідрогену пероксида йде повільно:Н₂О₂ Н₂О + 1/2О₂ Е_А= 75 кДж/моль. Використання каталізатораMnО₂збільшує швидкість реакції (Е_А= 49кДж/моль) за рахунок утворення активованого комплексуMnО₃ :

Н₂О₂ + MnO₂ H₂O + MnO₃

MnO₃ MnО₂+ 1/2O₂

H₂O₂ + MnO₂ H₂O + MnO₂ + 1/2O₂ .

Каталізатор знижує енергію активації, розбиваючи реакцію на ряд проміжних стадій.

Каталізатор може бути специфічним для однотипних реакцій, наприклад, V₂O₅прискорює реакції окисненняSO₂, NH₃і т.д. Він може бути і універсальним, тобто змінювати швидкості різних реакцій, наприклад,

2SO₂ + O₂ 2SO₃; CH₂ = CH₂ + H₂ CH₃ – CH₃.

Каталізатор може змінювати не тільки швидкість хімічної реакції, але і її механізм.