Влияние температуры и катализаторов на скорость химических реакций

k =k₀× ,

где k – константа скорости реакции при температуре Т; k₀ – предэкспоненциальный множитель; е – основание натурального логарифма; Е_А – энергия активации, Дж/моль; R – универсальная газовая постоянная.

Энергией активации называют избыток энергии, которым должны обладать молекулы, по сравнению со средним значением энергии частиц в системе, чтобы их столкновение привело к образованию продуктов реакции. Величина энергии активации зависит от природы реагирующих веществ. Для 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 формуле

Е_А = ,

где Т₁, Т₂ – абсолютные значения температур, К; k₁, k₂ – значения констант скоростей реакции при данных температурах.

Для ускорения очень медленно протекающих химических реакций применяют катализаторы – вещества, способные понижать энергию активации реакции, ослабляя связи между молекулами. При этом молекулы становятся реакционно-способными при более низких температурах. Изменение скорости реакции путем добавления небольших порций катализатора называют катализом. Увеличение скорости реакции в присутствии катализатора можно оценить по уравнению

,

где u_кат, k_кат – скорость и константа скорости реакции в присутствии катализатора; u, k –скорость и константа скорости реакции без катализатора; Е_{А, кат}, Е_А – энергия активации реакции в присутствии катализатора и без него.

Пример 1.При 150 °С реакция заканчивается за 16 минут. Определите время, необходимое для протекания реакции при 200 °С, если температурный коэффициент Вант-Гоффа равен 2,5.

Р е ш е н и е

Между скоростью протекания химической реакции и ее продолжитель-ностью существует обратно пропорциональная зависимость

,

тогда правило Вант-Гоффа в данном случае можно записать в виде

, откуда мин.

Пример 2.Вычислите энергию активации реакции, если при повышении температуры от 290 К до 300 К скорость реакции увеличивается в 2 раза.

Р е ш е н и е

Согласно основному закону химической кинетики, скорость реакции и константа скорости реакции прямо пропорциональны друг другу, то есть выполняется соотношение

.

Подставим это в формулу для расчета энергии активации

Е_А = Дж/моль.

Пример 3. Определите, на какую величину произошло снижение энергии активации при введении в систему катализатора, если при температуре 450 К в присутствии катализатора скорость реакции увеличилась в 1000 раз.

Р е ш е н и е

Преобразуем уравнение к виду

(Е_{А, кат} – Е_А) = R×T×ln .

По условию задачи , тогда

(Е_{А, кат} – Е_А) = 8,314 × 450 × ln1000 = 25844 Дж/моль.