Факторы, влияющие на скорость химической реакции
Скорость химической реакции зависит не только от температуры, являющейся главным фактором химической реакции, но и от энергии активации, т. е. энергии, необходимой для приведения одного моля реагирующего вещества в реакционно-способное состояние. Эта энергия является функцией, зависящей как от строения и состава реагирующих веществ, так и от способов их возбуждения (термического, радиационного, электронного). Таким образом, далеко не все столкновения молекул реагирующих веществ будут активными (т. е. будут способствовать протеканию реакции), а только те из них, которые будут обладать энергией, равной или большей энергии активации.
Для гомогенных реакций в газовой фазе распределение молекул по энергиям в объеме газа при данной температуре определяют по уравнению Максвелла - Больцмана:
п/п0 =е~{е~г<>)/{кт), (8.85)
где п - число молекул, обладающих энергией в, превышающей наиболее вероятное значение энергии во; щ - число молекул, обладающих наиболее вероятным запасом энергии во; к - постоянная Больцмана; Т - температура.
Из уравнения (8.85) следует, что при Т= const чем больше разность в - Во, тем меньше будет отношение п/щ и тем меньше будет число активных молекул п. При повышении температуры отношение п/щ будет расти и число активных молекул будет увеличи
ваться, т. е. будет расти константа скорости химической реакции К (см. (8.83)).
С. Аррениус и Я. Вант-Гофф независимо друг от друга пришли к уравнению, связывающему константу скорости, температуру и энергию активации,
|
(8.86) |
Кт=К0е-А/^
где Kf - константа скорости химической реакции; - постоянный коэффициент; А - энергия активации.
Если Л—»оо, т. е. энергия активации очень велика, то Kj —>0, т. е. реакции, требующие высоких значений энергии активации, идут с малой скоростью, так как активные столкновения маловероятны. Наоборот, если энергия активации мала, т. е. А —> 0, то Кт -*АТ0, где Kq прямо пропорционально общему числу столкновений, т. е. скорость химической реакции будет очень большой, так как почти каждое столкновение будет активным. Если Г —> оо,
то Кт т. е. при температурах сварки металлов плавлением
3 4
(10 ...10 К) состояние приближается к равновесному, параметры которого рассчитывают методами химической термодинамики.
Как правило, энергию активации А рассчитывают путем экспериментального определения констант скорости Кт при нескольких температурах, используя следующие уравнения:
|
In Кц =пК( |
|
О “■ |
|
(8.87) |
ІП Кт — ІП К. г .
72 0 RT2
|
KTl Г, Т2) RTxT2 |
Вычитая второе уравнение (8.87) из первого, получаем
(8.88)
откуда
Кроме повышения температуры для увеличения скорости химической реакции используют также ввод в реакционную зону катализаторов. Они снижают энергию активации и увеличивают скорость химических реакций при постоянной температуре.
Катализаторы ускоряют химическую реакцию (положительные катализаторы) или снижают ее скорость (отрицательные катализаторы), но сами в результате химической реакции остаются неизменными. Если катализатор находится в той же фазе, что и участвующие в химической реакции вещества, то катализ называют гомогенным, а если катализатор находится в другой фазе, то катализ называется гетерогенным.
Гетерогенный катализ происходит на границах раздела твердое тело - газ или твердое тело - жидкая фаза (раствор). Механизм каталитического воздействия поверхности твердого тела заключается в адсорбции, т. е. в осаждении на поверхности катализатора реагирующих между собой молекул. При этом их концентрация в поверхностном слое возрастает на несколько порядков, а под действием энергии адсорбции ослабляются связи между частицами, составляющими молекулы, и, следовательно, снижается энергия активации. Не исключено и химическое взаимодействие между молекулами реагирующих веществ и адсорбента, т. е. катализатора (топохимические соединения). Каталитическая активность находится в прямой связи с площадью поверхности катализатора.
