Енергія активація
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
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…
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.