Влияние температуры на скорость реакции
Повышение температуры системы приводит к увеличению скорости реакции, так как увеличивается скорость движения молекул и возрастает число столкновений между молекулами.
Зависимость скорости реакции в первом приближении подчиняется правилу Вант-Гоффа: “при повышении температуры на каждые 10 градусов скорость химической реакции возрастает на величину температурного коэффициента (γ)” Для большинства химических реакций температурный коэффициент составляет от 2 до 4. Математическое выражение для эмпирического правила Вант-Гоффа имеет вид:
υt2 = υt1 ∙ γ Δt/10 , где:
υt2 – скорость реакции при температуре t2,
υt1 – скорость реакции при температуре t1,
γ – температурный коэффициент,
Δ t = t2 – t1
Задача
Температурный коэффициент реакции равен 3. Температура системы повысилась на 30° С. Как изменится скорость реакции?
Решение
υt2/ υt1 = 230/10 = 23 = 8 - скорость реакции возросла в 8 раз.
Значительные изменения скорости реакции от температуры объяснила кинетическая теория газов. Она позволила рассчитать, что к химическим реакциям приводят столкновения молекул с повышенной (избыточной по отношению к среднему уровню) энергией. Молекулы, обладающие необходимой для протекания реакции энергией, называются активированными молекулами. Избыточная энергия называется энергией активации (Ea). Связь константы скорости реакции с температурой выражается уравнением Аррениуса:
k = A ∙ e Ea/RT, где:
k – константа скорости реакции,
Еа – энергия активации,
R – универсальная газовая постоянная,
Т – температура °К,
е – основание натурального логарифма.
Для реальных процессов энергия активации изменяется в пределах 40 – 120 кДж/моль. Для процессов с Ea< 40 кДж/моль скорость реакции характеризуется взрывом, процессы с Ea > 120 кДж/моль практически не идут.
Величина энергии активации зависит от природы реагирующих веществ и служит одним из параметров, определяющих скорость реакции.
Реакционную систему можно охарактеризовать тремя последовательно совершающимися состояниями.
Например: для реакции А2 + B2 = 2AB
A - A A - - A А А
+ → ¦ ¦ → ↓ + ↓
B - B B - - B В В
начальное состояние переходное состояние конечное состояние
(исходные реагенты) (состояние активированного комплекса) (продукты реакции)
Переходное состояние отвечает образованию активированного комплекса А2 - - В2. В этом комплексе происходит перераспределение электронной плоскости между атомами; начинают образовываться связи А – В, одновременно с разрывом связей А – А и В – В. Образование активированного комплекса требует затраты энергии. Именно энергию необходимую для перехода веществ в состояние активированного комплекса называют энергией активации.
Энергетические изменения в реагирующей системе можно представить схемой, на которой ось абсцисс характеризует ход реакции или путь реакции, а ось ординат потенциальную энергию системы (рис.4).
Рис.4Схема энергетических изменений системы в ходе реакции
Разность энергии конечного и начального состояния системы равна тепловому эффекту реакции: ∆H = Σ∆Hкон - Σ∆Hнач
Если при распаде активированного комплекса выделится больше энергии, чем это необходимо для активирования молекул – реакция экзотермическая (рис. 2), в противном случае – эндотермическая. Значит, чем больше в системе активных молекул, тем скорость больше.