Вплив температури на швидкість реакції

Швидкість хімічних реакцій сильно залежить від температури. Згідно емпіричному правилу Вант-Гоффа (1884) при підвищенні температури на 10 градусів швидкість більшості реакцій збільшується в 2-4 рази. Число, що показує, у скільки разів зростає швидкість реакції при підвищенні температури на 10 градусів, називається температурним коефіцієнтом (γ) швидкості даної реакції.

Однак, розрахунки, виконані відповідно до молекулярно-кінетичної теорії газів і рідин показують, що число зіткнень реагуючих молекул дуже велика і нагрів на 100С збільшує його незначно. Якби кожне зіткнення завершувалося хімічним взаємодією, то практично всі реакції закінчувалися б миттєво, подібно до вибуху. Однак цього не відбувається. Значить не будь-яке зіткнення молекул реагуючих речовин призводить до утворення продуктів реакції.

Шведський хімік Сванте Арреніус в 1889 висловив думку, що в реакцію вступають лише ті зіткнулися молекули, у яких кінетична енергія перевищує деяку мінімальну величину, характерну для даної реакції, звану енергією активації. Такі молекули отримали назву активних.

Молекули мають різний кінетичної енергією і, отже, неоднаковою швидкістю руху. Використовуючи спеціальні методи математичної статистики і теорії ймовірності, для кожної температури можна отримати кількісний опис цього розподілу (Максвелла).

Мал. 3. Розподіл молекул кисню за швидкостями при різних температурах

Максимуми на кривих відповідають найбільш вірогідною швидкості при вказаній температурі.

Наприклад: при 20 ° С близько 10% молекул кисню володіють швидкостями, що перевищують 700 м / с. А при 100 градусів частка молекул зі швидкостями, що перевищують 700 м / с, стає рівною 17%.

Та додаткова енергія, яку треба надати молекулам реагентів для того, щоб зробити їх активними, називається енергією активації Е а. Вона визначається природою реагуючих речовин і служить важливою кінетичної характеристикою будь-якої хімічної реакції.

Рівняння Арреніуса пов'язує константу швидкості реакції з її енергією активації:

де: k - константа швидкості реакції;

A -предекспоненціальний множник (множник Арреніуса), постійний для даної реакції;

e- основа натурального логарифма;

Ea- енергія активації, Дж / моль;

Т - температура, K;

R - універсальна газова стала, 8,314 Дж / моль K.

З наведеного рівняння очевидно, що чим вище енергія активації, тим менше буде константа швидкості реакції. Тому реакції з дуже малими значеннями Е а (менше 40 кДж / моль), протікають практично миттєво. Якщо Е а дуже велика (перевищує 120 кДж / моль), наприклад, в разі окислення молекулярного азоту або діоксиду сірки киснем, то хід реакції при звичайних температурах помітити неможливо.

Важливим фактором, який впливає на швидкість хімічних реакцій, є природа утворюються проміжних продуктів, які в хімічній кінетиці іменуються активованими комплексами або перехідними станами. На їхню освіту як раз і необхідна енергія активації.

Розглянемо їх на прикладі взаємодії в газовій фазі йоду і водню з утворенням иодоводорода:

H2 + I2 → 2 HI + 15,9 кДж

В ході хімічного перетворення система з вихідного енергетичного стану (з сумарною ентальпії всіх компонентів ΣHісх.) Переходить в кінцевий стан (з сумарною ентальпії ΣHпрод.) Зі зміною ентальпії ΔH = -15,9 кДж.

Взаємодіють тільки молекули, які мають енергію, що дорівнює або перевищує енергію активації. При зближенні активних молекул H2 і I2 виникає проміжний стан - активоване комплекс певної конфігурації:

Рис.4. Конфігурація активованого комплексу

В активованому комплексі молекули вихідних речовин ще не зовсім зникли, а молекули продуктів реакції не зовсім утворилися. Тому по суті своїй він є перехідним, нестійким і існує дуже короткий час. Він швидко розпадається з утворенням кінцевого продукту реакції HI.

Розрахунки показують, що протікання реакції через освіту активованого комплексу вимагає меншої енергії активації, ніж через виникнення нових зв'язків після повної дисоціації молекул вихідних речовин. Експериментально знайдена енергія активації даної реакції (170,5 кДж / моль) виявляється набагато менше, ніж енергія повного розриву зв'язків в молекулах йоду і водню (580,5 кДж / моль). Тому більшість хімічних реакцій проходить через формування активованих комплексів. З утворенням активних комплексів пов'язане явище каталізу.