Энергия активации.

Скорость большинства химических реакций с нагреванием возрастает. Так, синтез воды из простых веществ при 20 ⁰С осуществить практически невозможно, настолько мала скорость реакции при этой температуре. Но при 500 ⁰С эта реакция протекает всего за 50 мин, а при 700 ⁰С процесс осуществляется практически мгновенно.

Почему нагревание вызывает столь значительное ускорение химических превращений? Для ответа на этот вопрос нужно вспомнить, в чем заключается сущность химической реакции. Химическое превращение происходит тогда, когда возникают условия для перераспределения электронной плотности столкнувшихся частиц. Этот процесс требует затраты времени и энергии. Мгновенных процессов в природе вообще не существует. Реакционную систему можно охарактеризовать тремя последовательно совершающимися состояниями:

[начальное] ® [переходное] ® [конечное]

Для реакции взаимодействия газообразных А₂ и В₂

А₂ + В₂ = 2АВ

можно записать ее состояния:

А А А----А А А

+ ® ® +

В В В---- В В В

начальное переходное конечное

(исходные (активированный (продукты

реагенты) комплекс) реакции)

Переходное состояние системы отвечает образованию так называемого активированного комплекса (А₂В₂). В этом комплексе происходит перераспределение электронной плотности между атомами: связи А - В начинают образовываться одновременно с разрывом связей А - А и В - В. В активированном комплексе как бы объединены «полуразрушенные» молекулы А₂ и В₂ и «полуобразовавшиеся» молекулы АВ. Активированный комплекс существует очень короткое время (порядка 10 ^-13 с). Его распад приводит к образованию молекул АВ либо А₂ и В₂.

Образование активированного комплекса требует затраты энергии. Вероятность того, что при столкновении двух молекул образуются активированный комплекс и произойдет реакция, зависит от энергии сталкивающихся частиц. Реагируют только те из молекул, энергия которых для этого достаточна. Такие молекулы называют активными. Необходимую для перехода веществ в состояние активированного комплекса энергия называют энергией активацией (Е_а).

Энергетические изменения в реагирующей системе можно представить схемой. Здесь ось абцисс характеризует ход реакции:

[исходное состояние] ® [переходное состояние] ® [конечное состояние].

По оси ординат отложена потенциальная энергия системы. Исходное состояние имеет энергия SН _нач, конечное SН _кон. Разность энергии начального и конечного состояний системы равна тепловому эффекту реакции DН:

DН = SН _кон - SН _нач.

Энергия активированного комплекса выше энергии начального и конечного состояния системы. Таким образом, энергия активации - это своеобразный энергетический барьер, который отделяет исходные вещества от продуктов реакции.

Обратная реакция - превращение АВ в газообразные А₂ и В₂, естественно, также протекает через образование активированного комплекса А₂В₂. Но величина энергии активации в этом случае иная, чем при синтезе АВ.

Затраченная на активацию молекул энергия затем, при образовании продуктов реакции, полностью или частично выделяется. Если при распаде активированного комплекса выделится энергии больше, чем это необходимо для активирования молекул, то реакция экзотермическая, в противном случае - эндотермическая.

Итак, скорость реакции непосредственно зависит от числа молекул, обладающих энергией, достаточной для образования активированного комплекса, а следовательно, способных к химическому превращению. Чем больше в системе активных молекул, тем скорость реакции больше. Один из путей увеличения числа активных молекул - нагревание.

Установлено правило: при повышении температуры на каждые 10 ⁰С скорость реакции увеличивается примерно в 2-4 раза (правило Вант -Гоффа).

V_{t + Dt} / V_t = g ^Dt/10 Температурный коэффициент лежит в области 2-4.

Энергетические барьеры ограничивают протекание реакций. Благодаря этому многие в принципе возможные реакции задерживаются или практически не протекают. Так, дерево, бумага, уголь, нефть, различные ткани способны окисляться и гореть в воздухе. Причина, по которой они не загораются сами собой в обычных условиях (при невысоких температурах), заключается в значительной энергии активации соответствующих реакций.

Кроме энергии активации важным условием осуществления химической реакции является ориентация молекул в момент столкновения. Нетрудно заметить, что перераспределению электронной плотности в активном комплексе А₂ ... В₂ более всего благоприятствует условие, когда при столкновении молекулы А₂ и В₂ ориентированы, как это показано на рис.1а, тогда как при ориентации, показанной на рис 1б, вероятность гораздо меньше. Она становится еще меньше при ориентации молекул, показанной на рис.1в.

 

 

 

а б в

Рис.1. Благоприятная (а) и неблагоприятная (б, в) ориентация молекул А₂ и В₂ при столкновении.