9.3. Влияние температуры на скорость химических реакций

На рисунках 23 - 26 представлена зависимость скорости химических реакций разных типов от температуры.

У большинства химических реакций скорость увеличивается при повышении температуры (рисунок 23).

Рисунок 23. — Влияние температуры на скорость большинства химических реакций

Скорость тримолекулярных реакций при повышении температуры уменьшается (рисунок 24).

Рисунок 24. — Влияние температуры на скорость тримолекулярных реакций

Скорость радикальных (цепных) реакций с ростом температуры постепенно увеличивается вплоть до достижения взрывного режима. Взрывной режим соответствует резкому увеличению скорости процесса при постоянной температуре (рисунок 25).

Рисунок 25. — Влияние температуры на скорость радикальных реакций

Увеличение скорости ферментативных реакций с ростом температуры наблюдается приблизительно до 60^оС, а затем повышение температуры приводит только к понижению скорости процесса. Такая закономерность объясняется особенностями поведения ферментов (веществ белковой природы). При повышенной температуре происходит денатурация белка и понижение каталитической активности ферментов (рисунок 26).

Рисунок 26. — Влияние температуры на скорость ферментативных реакций

Для большинства химических реакций выполняется правило Вант-Гоффа: при повышении температуры на каждые 10⁰ скорость реакции возрастает в 2 - 4 раза. Данное правило можно представить в виде уравнения:

= ×_,

где Т₁ и Т₂ — начальная и конечная температура,

γ — температурный коэффициент реакции (2 < g < 4).

Для биохимических реакций 1,5 < g < 3, поэтому при повышении температуры больного до 39,5⁰С скорость биохимических реакций возрастает в 1,13 – 1,39 раза (увеличивается на 13-19%).

Значительно точнее зависимость скорости и температуры описывается уравнением Аррениуса:

= или = ,

где и k₀ — коэффициенты пропорциональности, называемые предэкспоненциальными множителями,

Е_а — энергия активации, кДж/моль.

С точки зрения теории активного комплекса, энергия активации — это энергия образования активного комплекса из реагирующих веществ. Активный комплекс — это промежуточная частица, в которой старые связи еще не полностью разорвались, а новые — не полностью образовались.

Схема химической реакции: A + B A…B → Р

активный

комплекс

Другими словами, химическая реакция протекает тогда, когда молекулы реагирующих веществ преодолевают энергетический барьер реакции.

Энергетические изменения, имеющие место при протекании химической реакции, отображаются при помощи энергетических диаграмм (рисунок 27).

Рисунок 27. — Энергетическая диаграмма экзотермической реакции

Энергия активации зависит от природы реагирующих веществ и не зависит от температуры. С повышением температуры в реакционной смеси возрастает доля активных молекул, способных преодолеть энергетический барьер химической реакции, что приводит к увеличению ее скорости. Кроме термических, существуют нетермические способы активации молекул: фотохимические, электрические и радиационные.