3 роки тому
Немає коментарів

Sorry, this entry is only available in
Російська
На жаль, цей запис доступний тільки на
Російська.
К сожалению, эта запись доступна только на
Російська.

Почему же температура увеличивает скорость химиче­ских реакций? Прежде всего потому, что чем выше тем­пература, тем больше средняя скорость движения молекул. А при увеличении средней скорости молекул число столк­новений между ними возрастает, и в результате реакция идёт быстрее.

Однако роль температуры заключается не только в этом.

Если бы скорость реакции зависела только от числа столкновений молекул, то, например, реакция окисления двуокиси серы (SO2) в трёхокись серы (SO3) при комнат­ной температуре и большой концентрации газов должна была бы закончиться мгновенно. В действительности эта реакция, если не создать особые условия, практически совсем не происходит. Сколько бы мы ни ждали, смешав в каком-нибудь сосуде сернистый газ с кислородом, трёхокиси серы не будет.

Дело в том, что не всякое столкновение молекул ведёт к реакции, не все молекулы, находящиеся в смеси, спо­собны реагировать. В реакцию вступает только небольшая доля столкнувшихся молекул. При столкновении вступают в химическую реакцию лишь активные молекулы — час­тицы, обладающие избытком энергии по сравнению со всеми остальными молекулами.

Что это значит? Как в газе, так и в жидкостях все молекулы обладают при данной температуре некоторой средней скоростью. Но какая-то небольшая часть молекул обладает большими скоростями, а следовательно, и боль­шей кинетической энергией, чем другие молекулы.

Эти молекулы и обладают избыточной энергией или, как говорят, энергией активации.

Химическая реакция наступает при тесном сближении молекул. Две молекулы, летящие друг другу навстречу, не испытывают никакого взаимного влияния, пока они на­ходятся на расстояниях, равных нескольким диаметрам мо­лекул. Но при дальнейшем сближении возникает взаимное отталкивание электронных оболочек молекул (О строении атомов и молекул см. в брошюрах «Научно-попу­лярной библиотеки» Гостехиздата: В. А. Лешковцев, Атомная энергия, Г. А. 3исман, Мир атома и др.). Если по­ступательная энергия мала и недостаточна для преодоле­ния электрических сил отталкивания, то молекулы за­долго до того, когда их электронные оболочки соприкос­нутся, изменят направление своего движения. Они или разлетятся в разные стороны, или пройдут мимо друг дру­га, не осуществив химического взаимодействия. Активные же молекулы, обладая избыточной энергией, преодолевают взаимное отталкивание, подходят друг к другу очень близко и вступают в химическое взаимодействие.

Но бывает и так, что одной избыточной энергии посту­пательного движения недостаточно для возникновения химической реакции. Иногда реакция может наступить только тогда, когда молекула до соударения с другой сильно возбуждена. При этом атомы в молекуле сильно колеблются относительно друг друга и отходят на боль­шие, по сравнению с их размерами, расстояния; вследст­вие этого связь между ними ослабляется. При соуда­рении таких молекул межатомные связи в них рвутся и происходит реакция — образуются новые комбинации атомов.

Для каждой химической реакции существует своя, присущая только ей, энергия активации, т. е. тот мини­мальный избыток энергии, по сравнению со средней энер­гией всех молекул, которым должны обладать реагирую­щие молекулы для успешного взаимодействия.

На рис. 1 показаны энергетические изменения, проис­ходящие во время химической реакции, идущей с выделе­нием тепла.

Схематическое изображение энергетических изменений при химической реакции

Схематическое изображение энергетических изменений при химической реакции

В этой реакции исходные вещества А вначале обла­дают большим запасом энергии, чем продукты реакции В. На рисунке это изображено различными уровнями. Всту­пающие в реакцию вещества А находятся на уровне 1, а продукты реакции В — на более низком уровне 3. Разность уровней 1 и 3 соответствует теплоте реакции. Из рисунка видно, что для того, чтобы молекулы могли спуститься с уровня 1 на уровень 3, им необходимо сначала подняться на уровень 2, т. е. преодолеть так называемый «энерге­тический барьер». Достигнув вершины этого барьера, мо­лекулы уже беспрепят­ственно «скатятся» на уровень 3, в точку В. Разность уровней 1 и 2 равна энергии актива­ции, т. е. тому избыточ­ному минимуму энер­гии, который необходим для того, чтобы молеку­ла вступила в реакцию. На рис. 2 приведена водяная модель экзо­термической реакции. В левой части рисунка показана модель реак­ции, не требующей для своего течения никакой энергии активации. Стоит открыть отверстие в дне верх­него сосуда, и вся жидкость перетечёт из сосуда «исход­ные вещества» в нижний сосуд «продукты реакции».

Существуют реакции, которые почти не требуют энер­гии активации. Например, реакция нейтрализации кис­лоты щёлочью, в результате которой получаются соль и вода, протекает почти мгновенно, как только будут слиты в один сосуд оба водных раствора.

В правой части рис. 2 изображена модель реакции, которая протекает с большой энергией активации. Для того чтобы жидкость перетекала из верхнего сосуда в ниж­ний, ей нужно преодолеть колено сифона с высотой, рав­ной АВ. А для этого необходимо создать дополнительное давление на поверхность жидкости верхнего сосуда, рав­ное давлению столба жидкости в колене сифона. Как толь­ко жидкость преодолеет это колено, всё содержимое верх­него сосуда «исходные вещества» постепенно перейдёт в нижний сосуд «продукты реакции».

Водяные модели химических реакций...

Водяные модели химических реакций…

Для большинства химических реакций энергия актива­ции лежит в пределах от 10 000 до 50 000 калорий (Калория — это такое количество тепла, которое необходимо для повышения температуры 1 грамма воды на один градус).

При повышении температуры количество активирован­ных молекул увеличивается быстрее, чем число столкно­вений между ними.

Теперь мы уже немного знаем, как управлять скоростью химической реакции. В наших руках есть два способа. Чтобы увеличить скорость реакции, надо или взять боль­шие концентрации реагирующих веществ, или повысить температуру. К последнему способу прибегают чаще всего, так как это наиболее эффективное средство. Как уже говорилось, повышение температуры на 10° ускоряет хи­мическую реакцию в 2—3 раза. Если же повысить темпе­ратуру на 100°, то скорость реакции увеличится в десятки тысяч раз!

Возникает вопрос, а нельзя ли как-нибудь научиться снижать энергию активации, необходимую для данной реакции, не повышая температуры? Ведь есть много реакций, которые практически не протекают даже при повы­шенных температурах.

Такой способ есть — это применение в химических реак­циях катализаторов.