5 5.1 Уравнение Аррениуса
Скорость химической реакции зависит не только от концентрации, но и от температуры. Как показывает опыт, скорость большинства реакций увеличивается при повышении температуры в 2 ч 4 раза на каждые 10 градусов.
Приближенной характеристикой зависимости скорости реакции от температуры является коэффициент реакции γ – отношение константы скорости при температуре Т+10 к константе скорости при температуре Т:
. (5.1)
Это соотношение, называемое правилом Вант–Гоффа, может быть применено лишь для приблизительных, ориентировочных расчетов. Это правило не выполняется при высоких температурах, когда температурный коэффициент скорости (γ) перестает быть постоянным, приближаясь к единице. Однако для узкого интервала температур правило Вант–Гоффа часто бывает полезным.
Расчеты показывают, что увеличение скорости реакции при повышении температуры не может быть объяснимо лишь возрастанием числа столкновений. Это происходит потому, что не каждое столкновение частиц приводит к химической реакции. Лишь тогда, когда сталкивающиеся молекулы обладают определенной энергией, столкновение может быть эффективным и привести к химической реакции. Эти предположения были впервые высказаны А. Аррениусом. Согласно ученому, к реакции приводит столкновение лишь тех молекул, энергия которых больше определенной величины Еа.
Таким образом, химическое взаимодействие осуществляется только между соударяющимися молекулами, которые достигли определенного энергетического уровня, характерного для данной реакции, ее энергетического барьера. Такие молекулы часто называют активными.
На основе взглядов Аррениуса была разработана теория активных соударений на базе молекулярно-кинетических представлений. Предложено считать активными столкновения, в которых суммарная энергия сталкивающихся возбужденных молекул А* и В* равна или больше Еа. При столкновении молекулы сближаются до расстояния, которое называется эффективным диаметром столкновений dэфф и при котором электроны и атомы одной молекулы попадают в поле действия электрических сил, возбуждаемых частицами другой молекулы. Только при таких условиях может произойти разрыв связей в исходных веществах и образование новых молекул. В первом приближении
. (5.2)
Все молекулы, запас энергии которых не ниже энергетического барьера реакции, находятся в особом состоянии, которое принято называть переходным, или состоянием активированного комплекса. Можно предположить, что система в состоянии активированного комплекса характеризуется тем, что в ней уже нет исходных веществ, но нет еще и продуктов реакций; исходные вещества переходят в продукты реакции.
Покажем схематически переход от исходных веществ А и В к продуктам реакции С и Д через состояние активированного комплекса А….В (рис. 5.1)
Рисунок 5.1 – Изменение энергии в ходе экзотермической реакции
Примем средний уровень энергии молекул исходных веществ в системе равным Е1, а среднюю энергию переходного состояния – Е|, то разность Е| - Е1 будет выражать энергию активации данной реакции – Еа. Энергия системы в переходном состоянии максимальна, а это значит, что активный комплекс крайне неустойчив. По ходу реакции он превращается в продукты взаимодействия С и D. В рассматриваемом примере средний уровень энергии молекул продуктов реакции Е2 ниже среднего уровня энергии молекул исходных веществ Е1. Это означает, что процесс протекает с выделением энергии (реакция экзотермическая).
Средний уровень энергии молекул продуктов реакции Е2 может быть выше среднего уровня энергии молекул исходных веществ Е1 (рис. 5.2).
Рисунок 5.2 – Изменение энергии в ходе эндотермической реакции
Процесс протекает с поглощением энергии (реакция эндотермическая). Разность Е2 – Е1 равна тепловому эффекту процесса ΔН.
Зависимость константы скорости реакции от температуры Аррениусом была представлена в виде:
, (5.3)
где А – предэкспотенциальный множитель, не зависящий от температур;
Т – температура, К;
R – газовая постоянная;
Eа – энергия активации (кал/моль, Дж/моль).
В химической кинетике часто пользуются уравнением Аррениуса в логарифмической форме:
(5.4)
или
. (5.5)
Из уравнений (5.4) (5.5) следует, что зависимость линейна (рис. 5.3)
Рисунок 5.3 – Зависимость константы скорости химической реакции
от температуры
Линейная зависимость (lnk-1/T) позволяет определить энергию активации Еа по тангенсу наклона прямой и предэкспотенциальный множитель А по отрезку, отсекаемому прямой на оси ординат, когда 1/Т=0.
Дифференцируя уравнение 5.4 по температуре, получим:
. (5.6)
Величина , логарифм константы скорости, а следовательно, и сама константа с температурой возрастает.
Энергию активации можно также найти из уравнения (5.6), проинтегрировав его от Т1 до Т2:
или
. (5.7)
Из уравнения 5.7 можно определить величину энергии активации, если известны значения констант скорости при двух температурах: Т1 и Т2.
5.2 Связь энергии активации с тепловым эффектом
Пусть протекает реакция:
Тогда для прямой реакции
и ;
для обратной реакции
и ,
вычитая из первого уравнения второе, получим:
,
но ,
где К – константа равновесия,
тогда
.
,
где ΔН – тепловой эффект реакции.
Сравнив два последние уравнения, получим:
. (5.8)
Из уравнения 5.8 следует, что разность между энергиями активации прямой и обратной реакции равна тепловому эффекту.
Контрольные вопросы:
Правило Вант–Гоффа. Что такое температурный коэффициент реакции?
Изменение энергии активации в ходе экзотермической реакции.
Изменение энергии активации в ходе эндотермической реакции.
Дать определение энергии активации. Что такое активированный комплекс?
Уравнение Аррениуса. Как зависит константа химической реакции от температуры?
Вывести уравнения связи энергии активации с тепловым эффектом.
Другие работы по теме:
Скорость химических реакций
ИНСТИТУТ ЭКОНОМИКИ, УПРАВЛЕНИЯ И ПРАВА (г. КАЗАНЬ) Нижнекамский филиал КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА по неорганической химии . за 2 .семестр 2007/2008 уч. года
Билеты по химии
и частичные ответы на некоторые из них Билет №1 Простые вещества . Количество вещества. Число Авогадро. Качественный анализ анионов и катионов. Билет №2
Химическая кинетика и равновесие
Химическая кинетика Химическое равновесие Химическая кинетика – раздел химии, который изучает скорость химической реакции и факторы влияющие на неё.
Химическая кинетика
Основные понятия и законы химической кинетики. Кинетическая классификация простых гомогенных химических реакций. Способы определения порядка реакции. Влияние температуры на скорость химических реакций. Сущность процесса катализа, сферы его использования.
Кинетика химических реакций
Понижение температуры замерзания раствора электролита. Нахождение изотонического коэффициента для раствора кислоты с определенной моляльной концентрацией. Определение энергии активации и времени, необходимого для химической реакции между двумя веществами.
Экзаменационные билеты по химии (Ангарск, 2003г.)
ЭКЗАМЕНАЦИОННЫЕ БИЛЕТЫ ПО ХИМИИ Билет№1 1) П.З. и П.С.Х.Э. Д.И.Менделеева. Закономерности изменения свойств элементов малых периодов и главных подгрупп в зависимости от атомного (порядкового) номера.
Подразделения химии
ОГЛАВЛЕНИЕ 1) Аналитическая Химия 2) Бионеорганическая Химия 3) Биоорганическая Химия 4) Биохимия 5) Геохимия 6) Гидрохимия 7) Мезонная Химия 8) Иммуннохимия
Белки-ферменты
В каждой живой клетке непрерывно происходят сотни биохимических реакций. В ходе этих реакций идут распад и окисление поступающих извне питательных веществ. Клетка использует энергию, полученную вследствие окисления питательных веществ; продукты их расщепления служат для синтеза необходимых клетке органических соединений.
Отчет по лабораторной работе Термодинамика
Теоретическая часть. Раздел химии, изучающий скорость и механизм протекания физико-химических процессов, называется химической кинетикой. Кинетика позволяет выяснить реальные механизмы протекания процессов. В химической кинетике различают гомогенные и гетерогенные процессы.
Скорость химических реакций. Катализ и химическое равновесие
Зависимость химической реакции от концентрации реагирующих веществ при постоянной температуре. Скорость химических реакций в гетерогенных системах. Влияние концентрации исходных веществ и продуктов реакции на химическое равновесие в гомогенной системе.
Физические качества и методика их развития
Физическое качество «Сила» - это способность человека преодолевать внешнее сопротивление или противодействовать ему за счет мышечных сопротивлений. Сила зависит от поперечных мышц, от степени возбуждения первичных процессов
Лазер
Глава четвертая ПРИМЕНЕНИЕ ОВ Прежде всего следует отметить, что исследования взаимодействия лазерного излучения с веществом представляют исключительно большой
Химические волокна
Успехи современной химии позволили создать такое химическое волокно из природных полимеров, главным образом целлюлозы, получаемой из дерева, соломы. Такое волокно называется искусственным, а волокно из синтетических полимеров - синтетическим.
Семенов Николай Николаевич
Николай Николаевич Семенов Николай Николаевич Семенов внес значительный вклад в развитие мировой науки. Н. Н. Семенов родился 15 апреля 1986 года в Саратове. В 1917 он окончил физико-математический факультет Петроградского университета. Семенов ученик и соратник выдающегося российского физика А.
ГИА химия 2010 кодификатор
Государственная (итоговая) аттестация 2010 года (в новой форме) по ХИМИИ обучающихся, освоивших основные общеобразовательные программы Кодификатор
ГИА химия 2009 кодификатор
Государственная (итоговая) аттестация выпускников IX классов общеобразовательных учреждений 2009 г. (в новой форме) по ХИМИИ Кодификатор элементов содержания по химии
Действие повреждающих факторов на клетку
Действие повреждающих факторов на клетки осуществляется прямо (первичные факторы повреждения) или опосредованно. В последнем случае речь идет о формировании цепи вторичных реакций, реализующих повреждающее влияние.
Денатурация белков
Природные белковые тела наделены определенной, строго заданной пространственной конфигурацией и обладают рядом характерных физико-химических и биологических свойств при физиологических значениях температуры и рН среды.
Безградиентный реактор
Безградиентный реактор, лабораторный прибор для измерения скоростей химических реакций; проточный реактор, в котором концентрации реагентов и температура одинаковы по всему пространству, благодаря чему скорость реакции определяется наиболее просто.
Катализаторы и ферменты
Катализатором, или ферментом (в случае биохимической реакции), называется вещество, помогающее протеканию химической реакции, но не изменяющееся в ходе нее.
Автокатализ
Автокатализ, ускорение реакции, обусловленное накоплением конечного или промежуточного продукта, обладающего каталитическим действием в данной реакции.
Скорость химических реакций 2
Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное агентство по образованию Тихоокеанский Государственный Экономический Университет
Реакционная способность веществ
2. Скорость химических реакций. 1. Реакционная способность веществ Число известных в природе и технике химических процессов очень велико. Одни из них, например, окисление бронзы на воздухе, протекают веками, другие — горение бензина — очень быстро. Разложение же взрывчатых веществ происходит в миллионные доли секунды.
Концептуальные уровни в познании веществ и химические системы 2
Концептуальные уровни в познании веществ и химические системы Химию обычно рассматривали как науку в составе и качественном превращении различных веществ. Ведь для того чтобы понять, какие именно первоначальные элементы определяют свойства простых и сложных веществ, надо, во-первых, уметь различать простые и сложные вещества, а во-вторых, определить те элемент, от которых зависит их свойства.
Стивен Гейлс
Гейлс, Стивен (Hales, Stephen) (1677–1761), английский физиолог, первым осуществивший количественные эксперименты в области физиологии животных и растений.