Катализ и катализаторы. Гомогенные и гетерогенные катализаторы. Влияние катализаторов на величину энергии активации и константу скорости реакции

Скорость химической реакции. Гомогенные и гетерогенные реакции. Факторы, определяющие скорость химических реакций. Закон действия масс. Константа скорости реакции. Влияние температуры на скорость химических реакций. Энергия активации, активированный комплекс. Энергетическая диаграмма и тепловой эффект реакции. Уравнение Аррениуса.

Скорость химической реакции определяется числом взаимодействий в единицу времени в единице объема (для гомогенных реакций) или на единице поверхности раздела фаз веществ для реакций, протекающих в гетерогенной системе. Размерность гомогенной реакции – моль/л*с, гетерогенной – моль/см²*с.

Скорость химической реакции зависит от природы реагирующих веществ, их концентрации, температуры, присутствия катализатора. Для реакций с участием твердых веществ скорость реакции зависит также от степени измельчения, а для газов – от давления.

Скорость реакции, протекающей при постоянной температуре в гомогенной среде, прямо пропорциональна произведению концентраций реагирующих веществ, возведенных в степени их стехиометрических коэффициентов согласно закону действия масс: при постоянной температуре скорость химической реакции прямо пропорциональна произведению концентраций реагирующих веществ в некоторых степенях.

При гетерогенных реакциях концентрации веществ, находящихся в твердой фазе, обычно не изменяются в ходе реакции и поэтому не включаются в уравнение закона действия масс.

Для реакции типа aA + bB Û cC + dD (вещества находятся в жидкой или газовой фазе) закон действия масс выражается следующим образом:

Для скорости прямой реакции: u=k[A]^x[B]^y, (k – константа скорости прямой реакции)

Для скорости обратной реакции: u=k[С]ⁿ[B]^k, (k – константа скорости обратной реакции), где степени x, y, n и k для простых (идущих в одну стадию) реакций равны коэффициентам a, b, c и d в стехиометрическом уравнении реакции. Для сложных реакций степени определяются экспериментально, т.к. уравнение реакции не отражает механизм многостадийного процесса.

Зависимость скорости реакции (или константы скорости реакции) от температуры может быть выражена уравнением: u_t2/u_t1=k_t2/k_t1=g^Dt/10,

где g - температурный коэффициент скорости реакции, значение которого для большинства реакций лежит в пределах 2-4 (величина температурного коэффициента зависит от природы реагирующих веществ).

Зависимость скорости химической реакции от температуры определяется правилом Вант-Гоффа: при повышении температуры на каждые 10 ⁰С, скорость реакции увеличивается примерно в 2-4 раза.

Уравнение Аррениуса. Зависимость скорости реакции от температуры обычно описывают уравнением Аррениуса, которое в простейшем виде можно записать как v = v₀ a = v₀e–Ea/RT, где v₀ – скорость, которую имела бы реакция при нулевой энергии активации (фактически это частота столкновений в единице объеме). Поскольку v₀ слабо зависит от температуры, все определяет второй сомножитель – экспоненциальный: с увеличением температуры этот сомножитель быстро увеличивается, причем тем быстрее, чем больше энергия активации Еа. Указанная зависимость скорости реакции от температуры называется уравнением Аррениуса, оно – одно из важнейших в химической кинетике. Если реакция подчиняется уравнению Аррениуса, логарифм ее скорости (измеренной, например, в начальный момент) должен линейно зависеть от абсолютной температуры, то есть график зависимости lnv от 1/Т должен быть прямолинейным. Наклон этой прямой равен энергии активации реакции. По такому графику можно предсказать, какова будет скорость реакции при данной температуре или же – при какой температуре реакция будет идти с заданной скоростью.

Энергия активации – это, избыточная энергия, которой должны обладать молекулы, для того, чтобы их столкновение могло привести к образованию нового вещества. Молекулы, обладающие такой энергией, называются активными молекулами. Количество активных молекул при повышении температуры резво увеличивается.

Катализатор – вещество, которое изменяет скорость реакции, но не расходуется в результате реакции.

Катализ – явление изменения скорости реакции в присутствии катализатора. Реакции, которые протекают с участием катализатора – каталитические реакции.

Катализаторы бывают гомогенными и гетерогенными. Если реагенты и катализатор находятся в одном агрегатном состоянии или являютя компонентами одного раствора, то такой катализ называется гомогенным. В случае гетерогенного катализа реагенты и катализатор обычно является твердым веществом, а реагенты – жидкими или газообразными вещеставами.

Гомогенный NO_(г): 2SO_2(г)+O_2(г)=2SO_3(г)

Гетерогенный Fe_(тв): N_2(г)+3H_2(г)=2NH_3(г)

Механизм действия катализатора является очень сложным. Существует гипотеза об образовании промежуточных соединений при взаимодействии катализатора и реагента. Если реакция А+В=АВ без катализатора протекает медленно, то при добавлении катализатора К он взаимодействует с одним из исходных веществ (например, А) и образует непрочное помежуточное соединение АК: А+К=АК. Это соединение с большой скоростью реагирует с другим исходным веществом, при этом образуется конечный продукт АВ, а катализатор выделяется в свободном состоянии: АК+В=АВ+К.

Обычно катализаторами называют вещества, которые увеличивают скорость реакции. Однако существуют также вещества, в присутствии которых реакции замедляются – ингибиторы.

Дата добавления: 2015-04-24