Вплив тиску на швидкість хімічної реакції, вплив температури на швидкість хімічної

Вплив тиску на швидкість хімічної реакції

Тиск так само робить дуже помітний вплив на швидкість хімічної реакції, але воно має сенс лише для гомогенних систем, а саме для газової. Оскільки при взаємодії твердих і рідких речовин між собою або в гомогенних реакціях не якогось зміни в швидкості не спостерігається.

При стисненні газових реакційних сумішей в області тиск, обмежених десятками МПа, спостерігається збільшення швидкості реакцій і зміщення хімічної рівноваги. Це пояснюється головним чином зміною концентрацій реагуючих речовин. Для речовин у конденсованої фазі або для газів при тиску вище 200-300 МПа підвищення концентрації реагентів з ростом тиск невеликий, проте багато процесів чутливі до тиску. Так, тиск істотно впливає на рівновагу електролітичноїдисоціації кислот і підстав, змінює концентрацію комплексів з переносом заряду, впливає на рівновагу кето-енольной таутомерія, на конфірмаціонное рівновагу, зміщує рівновагу мономер-полімер і т.д. Під тиском вдається здійснити полімеризацію речовин, для яких рівновагу мономер-полімер при атмосферному тиск зміщено в бік мономера.

Швидкості реакцій по-різному змінюються з тиском. Бімолекулярні реакції зазвичай прискорюються з тиск, мономолекулярні - сповільнюються. Так, швидкість дієнового синтезу при підвищенні тиск до 1000 МПа може зростати в тисячі разів, а реакції розпаду зазвичай загальмовуються. Згідно активованого комплексу теорії, залежність від тиску константи швидкості елементарної реакції до (Т, р) при постійній температурі визначається зміною молярного об'єму реагентів при утворенні активованого комплексу

Зміна швидкості хімічних процесів може бути обумовлено також впливом тиск на фізичні властивості середовища. Так, внаслідок зростання в'язкості з підвищенням тиск реакції можуть перейти з кінетичної області протікання в дифузійну, коли швидкість реакції контролюється дифузією реагують частинок. Зміна середовища, тиск впливає на швидкість іонних реакцій. При цьому об'ємні ефекти. викликані сольватацией іонів або заряджених груп молекул, враховуються за допомогою рівняння Друде-Нернста-Борна.

Хімічна взаємодія в твердій фазі зазвичай сповільнюється зі зростанням тиску. Для інтенсифікації твердофазних реакцій (синтез мінералів, полімеризація і ін.) Їх проводять при високих температурах.

Взаємодія твердих речовин під тиском різко посилюється, якщо реагенти піддаються пластичної деформації зсуву. У цих умовах реалізуються багато твердофазні хімічні процеси: полімеризація, нуклеофільне приєднання аміаку, води, карбоксильної групи до зв'язку С = С, синтез амідів і пептидів, розкладання пероксидів, карбонилов і оксидів металів, неорганічних солей, реакції етерифікації та інших. Ароматичні сполуки при деформації під тиском нерідко зазнають перетворення, що супроводжуються розривом циклу:

Швидкості хімічних реакцій при одночасній дії високих тиск і деформацій зсуву дуже великі і можуть перевершувати швидкості відповідних жидкофазная процесів при тих же тиск і температурах в мільйони і більше разів. Реакційна здатність твердих речовин (константи швидкості, виходи продуктів) в значній мірі залежать від фізичних властивостей середовища (пластичності, граничного напруження зсуву, кристалічної структури). Як правило, реакційна здатність речовини зростає, якщо його деформувати в суміші з пластичним речовиною, що володіє напругою зсуву більшим, ніж у чистого реагенту. В умовах деформації вихід продуктів реакції є функцією деформації зсуву (при постійних тиск і температурі) і в широких межах не залежить від часу деформування реакційної суміші. Час деформування може бути дуже малим і обчислюватися частками секунд. Залежність виходу продуктів від деформації зсуву вдається описати в ряді випадків (наприклад, при полімеризації акриламіду) методами формальної кінетики при заміні в диференціальних рівняннях часу на деформацію зсуву.

Вплив температури на швидкість хімічної реакції

Що стосується впливу температури, то цей фактор діє однаково як на швидкість реакції v, так і на константу швидкості k - обидві ці величини швидко зростають з підвищенням температури. Підвищення температури призводить до збільшення кінетичної енергії хімічних часток, тобто збільшує число часток, що мають енергію вище енергії активації. При підвищенні температури число зіткнень частинок також збільшується, що в деякій мірі збільшує швидкість реакції. Однак підвищення ефективності зіткнень за рахунок збільшення кінетичної енергії має більший вплив на швидкість реакції, ніж збільшення числа зіткнень.

Ще в XIX столітті голландський фізико-хімік Вант-Гофф досвідченим шляхом виявив, що при підвищенні температури швидкості багатьох реакцій збільшується в число разів, рівна температурному коефіцієнту швидкості (приблизно в 2-4 рази)

При підвищенні температури від T до T '

відношення швидкостей реакцій T 'і T одно

температурному коефіцієнту швидкості в ступеня (T '- T) / 10:

Для багатьох гомогенних реакцій температурний коефіцієнт швидкості дорівнює 2-4 (правило Вант-Гоффа). Залежність швидкості реакції від температури можна простежити на прикладі взаємодії оксиду міді (II) з розбавленою сірчаною кислотою.

СuО + Н2SО4 = СuSO4 + Н2О.

При кімнатній температурі реакція протікає дуже повільно. При нагріванні реакційна суміш швидко забарвлюється в блакитний колір за рахунок утворення сульфату міді (II) у водному розчині:

Вплив природи реагуючих речовин на швидкість хімічної реакції

Отже, на швидкість реакції впливає природа реагуючих речовин. Розглянемо для прикладу реакції металів з кислотами. Якщо опустити в пробірки з розведеною сірчаної кислотою однакові шматочки міді, цинку, магнію і заліза, можна побачити, що інтенсивність виділення бульбашок газоподібного водню, що характеризує швидкість протікання реакції, для цих металів істотно різниться. У пробірці з магнієм спостерігається бурхливе виділення водню, в пробірці з цинком бульбашки газу виділяються кілька спокійніше. Ще повільніше протікає реакція в пробірці з залізом (рис.). Мідь взагалі не вступає в реакцію з розбавленою сірчаною кислотою. Таким чином, швидкість реакції залежить від активності металу.

Розчинення заліза (а) і магнію (б) в розведеної сірчаної кислоти

При заміні сірчаної кислоти (сильної кислоти) на оцтову (слабку кислоту) швидкість реакції у всіх випадках істотно сповільнюється. Можна зробити висновок, що на швидкість реакції металу з кислотою впливає природа обох реагентів - як металу, так і кислоти.