Вплив каталізаторів на швидкість хімічних реакцій
Каталізаторами називають речовини, здатні прискорювати хімічну реакцію, при цьому самі каталізатори в хімічній реакції не витрачаються. Встановлено, що каталізатори змінюють механізм хімічної реакції. При цьому виникають інші, нові, перехідні стани, що характеризуються меншою висотою енергетичного бар'єру. Таким чином, під дією каталізатора знижується
енергія активації процесу (рис.3). Вступаючи в різного роду взаємодії з проміжними частинками, каталізатори після закінчення реакції залишаються в незмінній кількості. Каталізатори надають дію тільки на термодінамі-но дозволені реакції. Каталізатор не може викликати реакцію, тому що не впливає на її рушійні сили. Каталізатор не впливає на константу хімічної рівноваги, тому що в рівній мірі зменшує енергію активації і прямий, і зворотної реакцій.
Рис.3 Енергетична діаграма ходу реакції А + В = АВ а) без каталізатора і б) в присутності каталізатора. Еa - енергія активації некаталітичного реакції; Еa1 і Еa2 - енергія активації каталітичної реакції; АК - проміжне реакційно з'єднання каталізатора з одним з реагентів; А ... К, АК ... В - активовані комплекси каталітичної реакції; А ... В - активоване комплекс некаталітичного реакції; ΔЕкат - зниження енергії активації під впливом каталізатора
Розрізняють гомогенний і гетерогенний каталіз. У першому випадку каталізатор знаходиться в одній фазі з реагентами, а в другому - каталізатором є тверда речовина, на поверхні якого йде хімічна реакція між реагентами.
хімічна рівновага
Хімічні реакції прийнято поділяти на оборотні та необоротні. Необоротні хімічні реакції протікають до повного витрачання хоча б одного з вихідних речовин, тобто продукти реакції або зовсім не вступають у взаємодію один з одним, або утворюють речовини, відмінні від вихідних. Таких реакцій дуже мало. наприклад:
2KСlO3 (тв) = 2kCl (тв) + 3О2 (г)
У розчинах електролітів практично незворотними вважаються реакції, що йдуть з утворенням опадів, газів і слабких електролітів (вода, комплексні сполуки).
Більшість хімічних реакцій є оборотними, тобто вони йдуть як в прямому, так і в зворотному напрямку. Це стає можливим, коли енергії активації прямого і зворотного процесів відрізняються один від одного незначно, а продукти реакції здатні перетворюватися в вихідні речовини. Наприклад, реакція синтезу HIявляется типово оборотної реакцією:
Закон діючих мас (вираз швидкості реакції) для прямого і зворотного процесів відповідно матиме вигляд
У якийсь момент часу настає стан, коли швидкості прямої і зворотної реакцій стають рівними = (рис.4).
Ріс.4Ізмененіе швидкостей прямої (і зворотної (реакцій з плином часу t
Цей стан називається хімічним рівновагою. Воно носить динамічний (рухливий) характер і може зрушуватися в ту або іншу сторону в залежності від зміни зовнішніх умов. Починаючи з моменту рівноваги, при незмінних зовнішніх умовах концентрації вихідних речовин і продуктів реакції не змінюються з плином часу. Концентрації реагентів, які відповідають стану рівноваги, називаються рівноважними. Для визначення рівноважної концентрації реагенту необхідно з його початкової концентрації відняти кількість речовини, прореагує-вавшего до моменту настання рівноважного стану: Сравн = Сісх- Спрореагір Кількість реагентів, що вступили в реакцію і утворилися з них до моменту рівноваги продуктів, пропорційні стехиометрическим коефіцієнтам в рівнянні реакції.
Стан рівноваги при незмінних зовнішніх умовах може існувати як завгодно довго. У стані рівноваги
[H2] [I2] = [[HI] 2. звідки / [= [HI] 2 / [H2] [I2].
При постійній температурі константи швидкостей прямого і зворотного процесу є величинами постійними.
Відношення двох констант є також величиною постійною K = / і носить названіеконстанта хімічної рівноваги. Вона може бути виражена
або через концентрації реагентів =, або через їх парціальні тиску, якщо реакція протікає за участю газів.
У загальному випадку для реакції aA + bB + ... ⇄cC + dD + ... константа хімічної рівноваги дорівнює відношенню твори концентрацій продуктів реакції до добутку концентрацій вихідних речовин в ступенях, рівних їх стехиометрическим коефіцієнтами.
=
Константа хімічної рівноваги не залежить від шляху протікання процесу і визначає глибину його протікання до моменту досягнення рівноважного стану. Чим більше ця величина, тим більше ступінь перетворення реагентів в продукти.
Константа хімічної рівноваги, так само як і константи швидкостей реакцій, є функціями тільки температури і природи реагуючих речовин і не залежить від їх концентрації.
Для гетерогенних процесів концентрація твердих речовин в вираз швидкості реакції і константи хі-чеського рівноваги не включається, так як реакція протікає на поверхні твердої фази, концентрація якої залишається в часі постійною. Наприклад, для реакції:
вираз константи рівноваги матиме вигляд:
=,