Влияние температуры на скорость реакции

Температура оказывает сильное влияние на скорость химической реакции. В соответствии с эмпирическим правилом Вант-Гоффа с увеличением температуры на каждые 10 °С скорость химической реакции увеличивается приблизительно в 2 – 4 раза:

,

где g - температурный коэффициент скорости химической реакции.

Ответ на вопрос, почему температура так сильно влияет на скорость реакции, дает теория активных соударений Аррениуса.

Согласно теории Аррениуса к единичному акту химического взаимодействия приводят не все соударения молекул реагирующих веществ, а только активные соударения. Активным соударением называется такое соударение, в результате которого молекулы реагирующих веществ получают избыточную (дополнительную) энергию, которую называют энергией активации. Доля активных соударений от общего числа столкновений невелика и составляет
10^-20 – 10^-10. Скорость реакции пропорциональна количеству активных соударений; с повышением температуры тепловое движение молекул интенсифицируется, в результате доля активных соударений молекул увеличивается, а, следовательно, увеличивается скорость реакции.

Энергия активации – это минимальное значение избыточной энергии, получаемое молекулами в момент соударения, достаточное для протекания элементарного акта химического взаимодействия. Эта энергия ослабляет существующие химические связи между атомами в молекулах и способствует перераспределению связей, то есть приводит к химическому взаимодействию. Энергия активации не зависит от температуры, а определяется только природой реагирующих веществ и характером химического взаимодействия.

Энергия активации приближенно равна повышению энергии системы по сравнению с уровнем энергии исходных веществ. На рис. представлен график, характеризующий изменение энергии реагирующих веществ в ходе обратимой реакции: U₁ – внутренняя энергия исходных веществ; U₂ – внутренняя энергия продуктов реакции; ΔU – тепловой эффект реакции; Е _{а 1}, Е _{а 2} – энергия активации прямой и обратной реакций.

Как видно из рис., тепловой эффект реакции равен

.

Запишем уравнение изохоры химической реакции

,

где К_с – константа химического равновесия.

,

где k₁, k₂ – константа скорости прямой и обратной реакций соответственно.

Подставим в уравнение изохоры выражения для К_с и ∆U:

.

С математической точки зрения полученное уравнение справедливо лишь в том случае, если

где В(Т) – некоторая постоянная, имеющая одно и то же значения для прямой и обратной реакций, зависящая от температуры.

Аррениус доказал, что для химических реакций В(Т) = 0, тогда

,

где k – константа скорости реакции;

Е_а – энергия активации.

Полученное уравнение называется уравнением Аррениуса.

Разделим переменные и проинтегрируем уравнение Аррениуса:

где i – константа интегрирования.

Из полученного уравнения следует, что для любой химической реакции зависимость lnk от 1/Т выражается прямой линией. Тангенс угла наклона прямой равен

.

Преобразуем уравнение (*):

,

где – предэкспоненциальный множитель.

Энергия активации и предэкспоненциальный множитель – важнейшие характеристики химической реакции. Для расчета энергии активации и предэкспоненциального множителя достаточно знать константу скорости реакции при двух температурах.

При интегрировании уравнения Аррениуса в интервале температур от T₁ до Т₂ получаем уравнение, которое часто применяют в расчетах:

.

Дата добавления: 2013-12-11