Влияние температуры на скорость химических реакций

Повышение температуры ускоряет большинство химических реакций. Приближенно влияние температуры на скорость реакции описывает эмпирическое правило Вант-Гоффа: при повышении температуры на каждые 10 градусов скорость для большинства реакций увеличивается в 2¸ 4 раза.

V₂ = V₁× , (4)

где V₁, V₂ – скорости реакции при температурах Т₁ и Т₂; g - температурный коэффициент Вант-Гоффа, который показывает во сколько раз увеличивается скорость реакции при повышении температуры на каждые 10⁰ (в интервале температур от комнатных до 400°С).

Точнее значение g можно вычислить по формуле:

, (5)

где k ₁, k ₂ – константы скорости реакции при температурах Т₁ и Т₂.

Небольшое значение температурного коэффициента обусловливает большое возрастание скорости реакции при незначительном повышении температуры. Например, если γ = 2, 9, то при возрастании температуры на 100⁰ скорость реакции увеличится в 2, 9¹⁰ раза, т.е. приблизительно в 42 000 раз.

Такое большое увеличение скорости реакции можно было бы объяснить возрастанием числа соударений между молекулами. Однако кинетическая теория показывает, что увеличение скорости, вызванное увеличением числа столкновений с ростом температуры, совсем незначительное и не может обеспечить наблюдающегося резкого возрастания скорости. Всё это приводит к выводу, что не каждое соударение молекул эффективно, и химическое взаимодействие имеет место, только если сталкивающиеся молекулы обладают определенным избытком энергии по сравнению со средней энергией данных молекул. Эта избыточная энергия называется энергией активации (E_А), а молекулы, обладающие этой избыточной энергией, - активными. Величина энергии активации зависит от природы реагирующих веществ. Для большинства химических реакций значения Е _А лежат в пределах 40¸ 400 кДж/моль. В узком интервале температур энергия активации практически не зависит от температуры и может быть вычислена по уравнению Аррениуса:

k = Аe^(-Е/RT) (6)

где k – константа скорости реакции; А – постоянная, характеризующая каждую конкретную реакцию (константа Аррениуса); Е – энергия активации; R – газовая постоянная (8, 314 ); Т – температура, К (Кельвин).

Обратите внимание: уравнение (6) связывает температуру не со скоростью реакции, а с константой скорости.

Уравнение (6) для температур Т₁ и Т₂ может быть записано после преобразований в удобной для вычислений форме (7а или 7б):

Е = ∙ ln (7а) Е = ∙ lg (7б)

где k₁ и k₂ – константы скорости реакции при температурах Т₁ и Т₂, К

При повышении температуры энергия вещества возрастает и перераспределяется между молекулами таким образом, что значительно возрастает число активных молекул.

Источником энергии активирования может быть энергия в различных формах: тепловая, лучистая, электрическая, энергия радиоактивных частиц и т.д. Если энергия активации очень мала (меньше 40 кДж/моль), это означает, что значительная часть столкновений между частицами реагирующих веществ приводит к реакции. При этом скорость такой реакции будет большой. Напротив, если энергия активации очень велика (больше 120 кДж/моль), то это означает, что очень малая часть столкновений взаимодействующих частиц приводит к химической реакции. Скорость реакции очень мала.

Примером реакции, имеющей высокую энергию активации, является реакция синтеза аммиака:

N₂ + 3Н₂ 2NН₃

Эта реакция при обычных температурах протекает столь медленно, что заметить её протекание практически невозможно.

Большую роль в снижении энергии активации играют катализаторы.