Зависимость скорости химической реакции

От температуры

Уравнение Аррениуса

В большинстве случаев скорость химической реакции увеличивается при повышении температуры.

Зависимость константы скорости реакции от температуры выражается уравнением Аррениуса

,

(2.14)

где k - константа скорости реакции;

A - константа, называемая предэкспоненциальным

множителем;

- основание натурального логарифма;

Е_a - энергия активации, Дж/моль;

Т - температура, К;

R - газовая постоянная, 8,31 Дж/моль×К.

Энергия активации

Для того чтобы произошла реакция, необходимо преодолеть отталкивание электронных оболочек молекул и разорвать или ослабить связи между атомами. На это надо затратить определенную энергию.

Энергия активации в элементарных реакциях – минимальная энергия реагентов (атомов, молекул и др. частиц), достаточная для того, чтобы они вступили в химическую реакцию, т. е. для преодоления барьера на поверхности потенциальной энергии, отделяющего реагенты от продуктов реакции.

Потенциальный барьер – максимум потенциальной энергии, через который должна пройти система в ходе элементарного акта химического превращения.

В ходе реакции вещества переходят в неустойчивое промежуточное состояние, характеризующееся большим запасом энергии. Это состояние называется активированным комплексом или переходным состоянием. Именно для его образования необходима энергия активации (рис. 4, 5).

Число частиц, входящих в активированный комплекс, определяет молекулярность данной стадии реакции.

Неустойчивый активированный комплекс существует очень короткое время ( ). Он распадается с образованием исходных веществ или продуктов реакции.

Рис. 4. Энергетическая диаграмма экзотермической реакции

Переходное состояние возникает в ходе как прямой, так и обратной реакций (рис. 6). Разность энергий активации прямой и обратной реакций равна изменению внутренней энергии (тепловому эффекту) реакции

DН_р = Е_а(пр) - Е_{а (обр).}

В макроскопической химической кинетике энергия активации – параметр Е_a, входящий в уравнение Аррениуса (2.14). В общем случае сложных реакций параметр Е_a является функцией энергий активации отдельных стадий, и определяемая энергия активации называется эффективной (эмпирической, кажущейся).

Рис. 5. Энергетическая диаграмма эндотермической реакции

Рис.6. Соотношение между энергиями активации прямой

и обратной реакций и теплового эффекта

2.6.3. Распределение молекул по энергиям

Элементарный акт химической реакции происходит не при любом столкновении молекул, а только при столкновении молекул, которые обладают повышенным запасом кинетической энергии. Молекулы, обладающие такой энергией, называются активными молекулами.

Если сталкивающиеся молекулы не обладают такой энергией, то столкновение будет неэффективным – не приведет к образованию новой молекулы. Если же кинетическая энергия сталкивающихся молекул достаточна, то столкновение может привести к перестройке атомов и образованию молекулы нового вещества.

На рис. 7 показано распределение молекул идеального газа по кинетической энергии согласно статистическому закону Максвелла-Больцмана при двух разных температурах.

Доля молекул с энергией, превышающей энергию активации Еа (доля активных молекул), с повышением температуры резко возрастает (площадь заштрихованной области).

Величина в уравнении Аррениуса (2.14) численно равна доле активных молекул.

Рис. 7. Распределение молекул по энергиям

при двух разных температурах (Т₂ > Т₁)

Чем выше температура, тем больше в системе активных молекул, тем выше скорость реакции.

Поиск по сайту: