Зависимость времени протекания химической реакции от температуры

↑

▷ Содержание

⇐ ПредыдущаяСтр 6 из 13Следующая ⇒

Зависимость времени протекания химической реакции от температуры

Температура, ⁰C

Продолжительность протекания реакции

Столетие

80 дней

2 часа

Мгновенно, со взрывом

Высокая энергия активации делает практически невозможными многие химические реакции, которые, с точки зрения термодинамики, могли бы происходить. Это обусловлено тем, что большинство веществ находится в термодинамически неустойчивом состоянии, и только наличие энергетического барьера препятствует их превращению в другие вещества. Исчезни энергия активации, тогда азот, кислород воздуха с водой образовали бы, например, азотную кислоту, и все живые ткани разрушились бы вследствие окисления, гидролиза и других реакций. Однако, эта химическая хаотизация невозможна именно из-за энергии активации. Химические соединения потому и существуют, что изменения состояния их молекул связано с преодолением энергетического барьера.

2.4. Влияние катализатора на скорость химических реакций.

Понятие о катализе

Изменение скорости химической реакции под воздействием веществ - катализаторов называетсякатализом(от греч.katálisis –разрушение).

Катализатор –вещество, которое изменяет скорость химической реакции или вызывает её, но не входит в состав продуктов.

Влияние катализатора на скорость химической реакции заключается в его участии в этой реакции и изменении её механизма. Катализатор образует с каким-либо из реагентов промежуточное соединение, которое с другим реагентом образует продукт (продукты) реакции с высвобождением катализатора.

Например, для реакции А + В → АВ

А + К → [А…К] → АК; АК + В  → [АК…В] → АВ + К,

В присутствии катализатора изменяется механизм химической реакции, и она направляется по пути с меньшей энергией активации каждой стадии, что и приводит к увеличению её скорости (рис. 6). Активность катализатора характеризуется величиной изменения скорости реакции при введении его в химическую систему.

 [А…В]

АК

 [АВ + К]

  [АК…В]

[А…К]

E´_а

ΔНp < 0

А + В + К

Реагенты и катализатор

E_а

Продукты реакции

и катализатор

 а

б

E´´_а

                                                          Координата (путь) реакции

Рис. 6. Энергетический профиль (от итал. profilo – очертание) реакции, протекающей без катализатора (а) и с участием катализатора (б):

А и В – исходные вещества;

АВ – продукт реакции;

К – катализатор;

[А…В] – активированный комплекс;

[А…К], [АК…В] – активированные комплексы с участием катализатора;

АК –интермедиат (промежуточное вещество);

Е_а – энергия активации реакции;

Е^'_а , Е^''_а – энергии активации двухстадийной  каталитической реакции.

Типичные катализаторы кислотно-основных реакций: растворы кислот и оснований (щелочей) или твёрдые вещества с кислотными (Al₂O₃,TiO₂, алюмосиликаты, цеолиты) или основными (CaO, BaO, MgO) свойствами. Для окислительно-востановительных реакций наиболее распространёнными катализаторами являются переходные металлы (Pt, Pd, Ni, Fe, Co), оксиды (V₂O₅, MnO₂, MoO₃, Cr₂O₃) и сульфиды (MoS₂, WS₂, CoS).

На скорость химической реакции в ряде случаев влияет присутствие в системе ингибитора, который в отличие от катализатора, замедляет реакцию.

Ингибитор – это вещество, которое замедляет химическую реакцию или прекращает её.

Ингибирование характерно для каталитических и цепных реакций, которые протекают с участием активных центров или активных частиц. Тормозящее действие ингибитора обусловлено тем, что он блокирует активные центры катализатора или реагирует с активными частицами с образованием неактивных или малоактивных веществ.

Ингибитор изменяет путь реакции, переводя какое-либо исходное вещество в интермедиат. Энергия активации процесса перехода интермедиата в продукты реакции оказывается чрезвычайно большой, и такой процесс становится маловероятным.

Ингибирование широко применяется для регулирования скорости радикальной полимеризации, стабилизации полиолефинов и каучуков при их переработке и в условиях эксплуатации, для стабилизации смазочных материалов и углеводородных топлив, сохранение пищи, жиров, лекарственных препаратов, при защите металлов от коррозии.

Различают два типа катализа: гомогенный, при котором катализатор и реагирующие вещества находятся в одной фазе  и гетерогенный, при котором катализатор и реагирующие вещества находятся в разных фазах. При гетерогенном катализе реакция протекает на поверхности раздела фаз: газ – твёрдое тело, жидкость – твёрдое тело, причём твёрдое тело обычно является катализатором.

Скорость гомогенных каталитических реакций прямо пропорциональна количеству катализатора, хотя оно в системе и невелико. Гомогенный катализ в растворах и биологических средах может вызываться ионами водорода Н⁺ (кислотный катализ) и гидроксила ОН⁻ (оснóвный катализ), некоторыми ионами и комплексами металлов.

Скорость гетерогенных каталитических реакций сильно зависит от площади и состояния поверхности твёрдого катализатора, так как реакция происходит не на всей его поверхности, а только на её активных центрах, способных адсорбировать[10], то есть концентрировать вещества из жидкой или газовой фазы.

Некоторые вещества даже при незначительном их содержании снижают или полностью подавляют активность твёрдого катализатора. Такие вещества называются каталитическими ядами. Ими являются, например, соединения мышьяка, ртути, свинца и цианиды, к которым особенно чувствительны платиновые катализаторы. Специфичность действия каталитических ядов заключается в хемосорбции их на активных центрах катализаторов. В промышленных условиях исходные вещества подвергают очистке от каталитических ядов, а «отравленные» катализаторы восстанавливают (регенерируют), обрабатывая определёнными веществами.

Существуют и такие вещества, которые увеличивают активность, селективность и устойчивость катализаторов, но сами катализаторами не являются. Эти вещества называются промоторами, или сокатализаторами (промотирование платиновых катализаторов осуществляется, например, добавками металлических железа или алюминия).

Действие катализаторов избирательно, поэтому, применяя разные катализаторы, можно получить из одного вещества разные продукты.

Так, например, в присутствии оксида алюминия при 300 °С этиловый спирт дегидратируется, превращаясь в этилен:

CH₃CH₂OH  H₂C = CH₂ + H₂O.

При этой же температуре, но в присутствии мелко раздробленной меди этиловый спирт дегидрируется, превращаясь в уксусный альдегид (ацетальдегид):

CH₃CH₂OH  CH₃-CНО + Н₂.

Особую роль играют биологические катализаторы – ферменты[11], или энзимы[12], при участии которых протекают биохимические процессы в растительных и животных организмах.

Познавательные статьи:



Коммуникативные барьеры и пути их преодоления

Рынок недвижимости. Сущность недвижимости

Решение задач с использованием генеалогического метода

История происхождения и развития детской игры