Залежність швидкості реакції від температури. Рівняння Арреніуса

Залежність швидкості реакції від температури. Рівняння Арреніуса


Ми постійно стикаємося з різними хімічними взаємодіями. Згоряння природного газу, іржавлення заліза, скисання молока - далеко не всі процеси, які детально вивчаються в шкільному курсі хімії.

Для протікання одних реакцій потрібні долі секунд, а для деяких взаємодій потрібні дні і тижні.

Спробуємо виявити залежність швидкості реакції від температури, концентрації, інших факторів. У новому освітньому стандарті на дане питання відводиться мінімальна кількість навчального часу. У тестах єдиного державного іспиту є завдання на залежність швидкості реакції від температури, концентрації і навіть пропонуються розрахункові завдання. Багато старшокласників відчувають певні труднощі з пошуком відповідей на ці питання, тому детально проаналізуємо дану тему.

Актуальність розглянутого питання

Інформація про швидкість реакції має важливе практичне і наукове значення. Наприклад, у конкретному виробництві речовин і продуктів від цієї величини безпосередньо залежить продуктивність апаратури, вартість товарів.

Класифікація протікаючих реакцій

Існує пряма залежність між агрегатним станом вихідних компонентів і продуктів, що утворюються в ході хімічного процесу: гетерогенні взаємодії.

Під системою прийнято передбачати в хімії речовину або їх сукупність.

Гомогенний вважають таку систему, яка складається з однієї фази (однакового агрегатного стану). Як її приклад можна згадати суміш газів, кілька різних рідин.

Гетерогенною є система, в якій реагуючі речовини знаходяться у вигляді газів і рідин, твердих тіл і газів.

Існує не тільки залежність швидкості реакції від температури, а й від того, в якій фазі використовуються компоненти, що вступають в аналізовану взаємодію.

Для однорідного складу характерно протікання процесу по всьому обсягу, що істотно підвищує його якість.

Якщо вихідні речовини знаходяться в різних фазових станах, в такому випадку максимальна взаємодія спостерігається на кордоні розділу фаз. Наприклад, при розчиненні активного металу в кислоті, утворення продукту (солі) спостерігається тільки на поверхні їх зіткнення.

Математична залежність між швидкістю процесу і різними факторами

Як виглядає рівняння залежності швидкості хімічної реакції від температури? Для гомогенного процесу швидкість визначається кількістю речовини, яка вступає у взаємодію або утворюється в ході реакції в обсязі системи за одиницю часу.

Для гетерогенного процесу швидкість визначається через кількість речовини, що реагує або отримується в процесі на одиниці площі за мінімальний проміжок часу.

Фактори, що впливають на швидкість хімічної реакції

Природа реагуючих речовин - одна з причин різної швидкості протікання процесів. Наприклад, лужні метали при кімнатній температурі утворюють з водою лужі, причому процес супроводжується інтенсивним виділенням газоподібного водню. Благородні метали (золото, платина, срібло) не здатні до подібних процесів ні при кімнатній температурі, ні при нагріванні.

Природа реагуючих речовин - той фактор, який враховують у хімічній промисловості, щоб підвищити рентабельність виробництва.

Виявлено залежність між концентрацією реагентів і швидкістю протікання хімічної реакції. Чим вона буде вище, тим більше частинок буде стикатися, отже, процес буде протікати швидше.

Закон діючих мас у математичному вигляді описує прямо пропорційну залежність між концентрацією вихідних речовин і швидкістю протікання процесу.

Він був сформульований в середині дев'ятнадцятого століття російським хіміком М. М. Бекетовим. Для кожного процесу визначається константа реакції, яка не пов'язана ні з температурою, ні з концентрацією, ні з природою реагуючих речовин.

Для того щоб прискорити реакцію, в якій бере участь тверда речовина, потрібно подрібнити її до порошкоподібного стану.

При цьому відбувається зростання площі поверхні, що позитивно позначається на швидкості протікання процесу. Для дизельного палива застосовують спеціальну систему впорська, завдяки чому при зіткненні її з повітрям швидкість процесу згоряння суміші вуглеводнів істотно зростає.

Нагрівання

Залежність швидкості хімічної реакції від температури пояснюється молекулярно-кінетичною теорією. Вона дозволяє провести розрахунок кількості ударінь між молекулами реагентів за певних умов. Якщо озброїтися подібною інформацією, то за звичайних умов всі процеси повинні протікати миттєво.

Але якщо розглянути конкретний приклад залежності швидкості реакції від температури, виявляється, що для взаємодії необхідно спочатку розірвати хімічні зв'язки між атомами, щоб з них утворилися нові речовини. Це вимагає істотних витрат енергії. Яка залежність швидкості реакції від температури? Енергія активації визначає можливість розриву молекул, саме вона характеризує реальність процесів. Її одиницями вимірювання є кДж/моль.

При недостатньому показнику енергії зіткнення буде малоефективним, тому воно не супроводжується утворенням нової молекули.

Графічний перегляд

Залежність швидкості хімічної реакції від температури можна уявити графічно. При нагріванні число зіткнень між частинками зростає, що сприяє прискоренню взаємодії.

Як виглядає графік залежності швидкості реакції від температури? По горизонталі відкладається енергія молекул, а по вертикалі вказується число частинок, що мають високий енергетичний запас. Графіком є крива, за якою можна судити про швидкість протікання конкретної взаємодії.

Чим більше буде відмінності енергії від середнього показника, тим далі розташовується від максимуму точка кривої, і менший відсоток молекул має такий запас енергії.

Важливі аспекти

Чи можна записати рівняння залежності константи швидкості реакції від температури? Її підвищення відображається на збільшенні швидкості процесу. Така залежність характеризується певною величиною, званою температурним коефіцієнтом швидкості процесу.

Для будь-якої взаємодії виявлена залежність константи швидкості реакції від температури. У разі її підвищення на 10 градусів відбувається збільшення швидкості процесу в 2-4 рази.

Залежність швидкості гомогенних реакцій від температури можна уявити в математичному вигляді.

Для більшості взаємодій при кімнатній температурі коефіцієнт знаходиться в діапазоні від 2 до 4. Наприклад, при значенні температурного коефіцієнта 2,9 зростання температури на 100 градусів прискорює процес майже в 50000 разів.

Залежність швидкості реакції від температури легко можна пояснити різною величиною енергії активації. Мінімальну величину вона має при проведенні іонних процесів, які визначаються тільки взаємодією катіонів і аніонів. Численні експерименти свідчать про миттєве протікання подібних реакцій.

При високому значенні енергії активації лише незначна кількість зіткнень між частинками буде призводити до здійснення взаємодії. При середньому значенні енергії активації, реагенти будуть взаємодіяти із середньою швидкістю.

Завдання на залежність швидкості реакції від концентрації і температури розглядаються тільки на старшому щаблі навчання, часто викликають у дітей серйозні труднощі.

Вимірювання швидкості протікання процесу

Ті процеси, які потребують істотної енергії активації, передбачають початковий розрив або ослаблення зв'язків між атомами у вихідних речовинах. При цьому відбувається їх перехід в якийсь проміжний стан, іменований активованим комплексом. Він є нестійким станом, досить швидко розпадається на продукти реакції, процес супроводжується виділенням додаткової енергії.

У найпростішому варіанті активований комплекс є конфігурацією атомів з ослабленими старими зв'язками.

Інгібітори і каталізатори

Проаналізуємо залежність швидкості ферментативної реакції від температури середовища. Такі речовини здійснюють функцію прискорювачів процесу.

Самі вони не є учасниками взаємодії, їх кількість після завершення процесу залишається без змін. Якщо каталізатори сприяють збільшенню швидкості реакції, то інгібітори, навпаки, уповільнюють цей процес.

Суть цього полягає в утворенні проміжних сполук, в результаті чого і спостерігається зміна швидкості протікання процесу.

Ув'язнення

У світі щохвилини відбуваються різноманітні хімічні взаємодії. Як встановити залежність швидкості реакції від температури? Рівняння Арреніуса є математичним поясненням зв'язку константи швидкості і температури. Воно дає уявлення про ті значення енергії активації, при яких можливе руйнування або ослаблення зв'язків між атомами в молекулах, розподіл частинок у нові хімічні речовини.

Завдяки молекулярно-кінетичній теорії можна передбачати ймовірність протікання взаємодій між вихідними компонентами, розраховувати швидкість протікання процесу. Серед тих факторів, які впливають на швидкість реакції, особливе значення має зміна температурного показника, процентної концентрації взаємодіючих речовин, площа поверхні зіткнення, присутність каталізатора (інгібітора), а також природа взаємодіючих компонентів.