Чем больше энергия активации, тем меньше активных молекул при данной температуре и тем медленнее идет реакция

Поясним на примере реакции в общем виде:

А₂ + В₂ = 2АВ

По оси ординат откладываем потенциальную энергию системы, а по оси абсцисс – ход реакции:

исходное состояние ---- переходное состояние – конечное состояние.

Чтобы войти в химический контакт друг с другом, реагирующие вещества А₂ и В₂ должны преодолеть энергетический барьер С. На это затрачивается энергия активации Е_а.

Энергия активации – это своеобразный энергетический барьер, который отделяет исходные вещества от продуктов реакции.

При этом в ходе реакции из частиц реагирующих веществ образуется промежуточная неустойчивая группировка, называемая переходным состоянием или активированным комплексом (в точке С), последующий распад которого приводит к образованию конечного продукта АВ.

Активированный переходный комплекс представляет собой соединение, в котором ослаблены и удлинены связи, разрываемые в ходе данной реакции.

Механизм реакции можно изобразить схемой

А В А …. А А А

│ + │ ® . ® │ + │

А В В….. В В В

исходные реагенты активированный продукты реакции

начальное состояние комплекс конечное состояние

Энергетические барьеры ограничивают протекание реакций. Благодаря этому многие, в принципе, возможные реакции (при D G < O) задерживаются или практически не протекают. Так, дерево, бумага, уголь, нефть, различные ткани способны окисляться и гореть в воздухе. Причина, по которой они не загораются сами собой в обычных условиях (при высоких температурах), заключается в значительной энергии активации соответствующих реакций.

Почему нагревание вызывает столь значительное ускорение химических превращений? Для ответа на этот вопрос нужно вспомнить, в чем заключается сущность химической реакции. Химическое превращение происходит тогда, когда возникают условия для перераспределения электронной плотности столкнувшихся частиц. Этот процесс требует затраты времени и энергии. Мгновенных процессов в природе вообще не существует. Реакционную систему можно охарактеризовать 3-мя последовательно совершающимися состояниями:

начальное - переходное – конечное.

А₂ + В₂ = 2АВ

Можно записать ее состояние

А --- А А А А А

+ → → │ + │

В --- В В В В В

Переходное состояние системы отвечает образованию так называемого активированного комплекса А₂ В₂. В этом комплексе происходит перераспределение электронной плотности между атомами: связи А-В начинают образовываться одновременно с разрывом связей А-А и В-В. В активированном комплексе как бы объединены «полуразрушенные» молекулы А₂ и В₂ и полуобразовавшиеся молекулы АВ. Активированный комплекс существует очень короткое время (порядка 10^-13сек).

Его распад приводит к образованию молекул АВ либо А₂ и В₂ Образование активированного комплекса требует затраты энергии. Вероятность того, что при столкновении 2-х молекул образуется активированный комплекс и произойдет реакция, зависит от энергии сталкивающихся частиц. Реагируют только те из молекул, энергия которых для этого достаточна. Такие молекулы называются активными. Необходимую энергию для перехода веществ в состояние активированного комплекса называют энергией активации ( Еа ).

Если при распаде активированного комплекса выделяется больше энергии, чем это необходимо для активации частиц, то реакция экзотермическая.

Видно, что разность энергий активации прямой и обратной реакций равна тепловому эффекту.DН = – ,

когда D Н < О – экзотермический процесс, т.е. < ,

D Н > О - эндотермический процесс, т.е. > ,

для протекания эндотермических реакций требуется подвод энергии извне.

Скорость реакции непосредственно зависит от значения энергии активации, если она мала, то за определенное время протекания реакции энергетический барьер преодолеет большое число частиц и скорость будет высокой, но если энергия активации велика, то реакция идет медленно.

Шведский ученый Аррениус предложил уравнение, выражающее более точно зависимость скорости реакции от температуры:

,

где К – константа скорости реакции ;

А – предэкспоненциальный множитель, зависящий от числа столкновений молекул за единицу времени;

е - основание натуральных логарифмов (е = 2,72 );

Е_а – энергия активации;

R - универсальная газовая постоянная;

Т - абсолютная температура.

Из уравнения видно, что чем больше энергия активации, тем меньше константа скорости реакции, т.е. тем меньше скорость реакции.

В логарифмической форме

ln k = ln A – E_а/RT

Если известны константы скорости k_T1 и k_T2 при двух температурах Т₁ и Т₂ можно найти значение Еа из уравнения Аррениуса в логарифмической форме:

ln k_T1 = lnA – E_а/RT₁ (1)

ln k_T2 = lnA - E_а/RT₂ (2)

Из уравнения 2 вычитаем уравнение 1:

ln k_T2 – ln k_T1 = -E_а/RT₂ + E_а/RT₁

ln k_T2/k_T1 = E_а/R(1/T₁ - 1/T₂)

Из уравнения Аррениуса видно, что поскольку Т входит в показатель степени, скорость химической реакции очень чувствительна к изменению температуры.

Поиск по сайту: