При протекании химической реакции происходит перераспределение электронной плотности в результате разрушения химическиих связей в молекулах исходных веществ и возникновения новых химических связей при образовании продуктов реакции.
Условием протекания реакции является столкновение частиц. Но при сближении частиц появляется энергетический барьер – силы взаимного отталкивания между электронными оболочками атомов (рис. 7.8). Если частицы не обладают достаточной энергией, то они не могут преодолеть энергетический барьер и взаимодействия между ними не происходит. А если энергия частиц больше, чем энергия отталкивания электронных оболочек, то столкновение приводит к химическому взаимодействию.
Избыточная энергия, необходимая для преодоления энергетического барьера, называется энергией активации ЕА.
Рисунок 7.8 – Упрощенная схема хода реакции через преодоление энергетического барьера
Таким образом, не все столкновения являются эффективными, то есть такими, которые завершаются химическим взаимодействием (рис. 7.9).
Эффективными называются столкновения, при которых энергия частиц превышает энергию отталкивания между электронными оболочками (энергетический барьер) и является достаточной для разрыва старых связей.
Рисунок 7.9 – Столкновения частиц: а) молекулы не обладают достаточной энергией, и взаимодействия не происходит; б) образование молекул продуктов реакции в результате эффективного столкновения
Повышение температуры вызывает увеличение общей энергии реакционной системы, ускоряет движение частиц и увеличивает число эффективных столкновений, поэтому реакция протекает значительно быстрее.
Влияние температуры на скорость реакции выражается с помощью эмпирического правила Вант-Гоффа:
повышение температуры на каждые 10 градусов увеличивает скорость реакции приблизительно в 2–4 раза:
где Т2 – Т1 =DТ – разность температур;J1 иJ2 – скорости реакции при температурах Т1 и Т2 соответственно;g– температурный коэффициент скорости, который показывает, во сколько раз увеличивается скорость реакции при повышении температуры на каждые 10о. Для большинства реакцийgизменяется в пределах 2–4, но значениеgдля эндотермических реакций обычно выше, чем для экзотермических (gэнд >gэкз).
Простое преобразование уравнения путем деления левой и правой его частей наJ1 дает еще одно математическое выражение правила Вант-Гоффа:
с помощью которого легко рассчитать, во сколько раз скорость реакцииJ2 при температуратуре Т2 больше (или меньше) скоростиJ1 при температуратуре Т1.
Например, для некоторой реакции повышение температуры на 100 приводит к увеличению скорости в 2 раза. Легко рассчитать, во сколько раз возрастет скорость этой реакции при изменении температуры от 20 0С до 80 0С:
J80/J20 = 2(80-20)/10 = 26 = 64.
Значит, скорость реакции возрастет в 64 раза.
Пример 7.6. Температурный коэффициент некоторой реакции равен 3. Как изменится скорость реакции при снижении температуры на 400?
Решение. Воспользуемся уравнением Вант-Гоффа (6.15а) и подставим данные, учитывая, что происходит понижение температуры, т. е.DТ = (Т2 – Т1) = –40:
Значит, при понижении температуры скорость на 40о этой реакции уменьшится в 81 раз.
Пример 7.7. При повышении температуры от 400С до 600С скорость реакции увелилась в 9 раз. Чему равен температурный коэффициент этой реакции?
Решение. Повышение температуры составляетDТ = 60 – 40 = 20, тогда показатель степени в уравнении Вант-Гоффа равенDТ /10 = 20/10 = 2.
Подставим имеющиеся данные в преобразованное уравнение Вант-Гоффа (J2/J1 =gDT / 10):
J2/J1 =g2 = 9, откудаg= 3, т.к. 32 = 9.
Ключевые слова и термины
Русский
Украинский
Английский
Французский
Арабский
столкновение
зіткнення
clash
collision
?????
температурный коэффициент
температурний коефіцієнт
temperature coefficient
coefficient de temp?rature
????????? ???????
энергетический барьер
енергетичний бар’єр
energy barrier
barri?re d’?nergie
??????????
энергия активации
енергія активації
activation energy
?nergie d’activation
???????????
эффективный
ефективний
efficacious, effective
?ffectif
????
Контрольные вопросы
Какие столкновения между частицами называются эффективными?
а) средняя энергия реагирующих веществ; б) избыточная энергия (по сравнению со средней энергией молекул системы), необходимая для перехода системы в состояние активированного комплекса и протекания химической реакции; в) разность энергий прямой и обратной реакций; г) сумма потенциальной и кинетической энергий всех частиц в системе?
Какие столкновения между реагирующими частицами называются эффективными:
а) те, при которых не изменяется энергия частиц; б) те, которые происходят мгновенно; в) те, которые наблюдаются при прямом соударении частиц, а не по касательной; г) те, при которых частицы обладают избыточным запасом энергии, необходимым для взаимодействия между ними.
В соответствии с каким теоретическим утверждением определяется зависимость скорости реакции от температуры:
а) закон Гесса; б) правило Вант-Гоффа; в) закон Гульдберга–Вааге; г) принцип Ле-Шателье?
С повышением температуры на 20оС скорость большинства реакций возрастает в: