Исходные Активированный Продукты

молекулы комплекс реакции

В

энергия

ABCD^*

H_KOH

Е_а. энд.

AD+BC

Н_НАЧ

Ход реакции

активированном комплексе старые связи еще не разорваны, но уже ослаблены, новые связи наметились, но еще не образовались. Время существования активированного комплекса невелико (порядка 10^-13 с). При распаде комплекса образуются либо продукты реакции, либо исходные вещества. Для образования переходного комплекса необходима энергия. Система в переходном состоянии имеет более высокую энергию, чем в исходном (Н_нач) и конечном (Н_кон) состояниях (рис.3)

Э

Рис. 3

нергия, необходимая для перехода вещества в состояние активированного комплекса, называется энергией активации. Возможность образования активированного комплекса, а соответственно и химического взаимодействия, определяется энергией молекул. Молекула, энергия которой достаточна для образования активированного комплекса, называется активной. С ростом температуры растет доля этих частиц и соответственно скорость реакции. С увеличением энергии активации уменьшается доля активных молекул и скорость реакции.

Пример 5:

Энергия активации некоторой реакции в отсутствие катализатора равна 66,6 кДж/моль, а с катализатором - 40,5 кДж/моль. Во сколько раз возрастет скорость реакции в присутствии катализатора, если реакция протекает при 25 ⁰С ?

Решение:

Используя уравнение Аррениуса, находим:

,

где Е_а^ - энергия активации реакции с катализатором;

Е_а – энергия активации без катализатора

= .

Таким образом, снижение энергии активации на 26,1 кДж привело к увеличению скорости реакции в 40 тысяч раз.

4. Влияние катализаторов на скорость реакции

Наиболее мощным средством интенсификации химических реакций является применение катализаторов, то есть веществ, которые ускоряют химические реакции, но не расходуются при этом. Явление изменения скорости реакции под воздействием катализаторов называется катализом.

Механизм катализа зависит от типа реакции. Различают гомогенный и гетерогенный катализ.

Гомогенный катализ: катализаторы и реагенты находятся в одной фазе (в растворе или газовой фазе). Гомогенные катализаторы делятся на две главные группы:

1. кислотно-основные (минеральные кислоты H₂SO₄, H₃PO₄ или растворимые основания: щелочи и амины).

2. окислительно-восстановительные (ионы или комплексы переходных металлов), например, соли меди и марганца.

Механизм гомогенного катализа можно объяснить на основе теории промежуточных соединений. Согласно этой теории, катализатор образует с реагентами промежуточные соединения. Это приводит к уменьшению энергии активизации реакции. Например, реакция:

AB + D  ABD  A + BD.

В присутствии катализатора К может проходить по схеме:

D+K  DK  DK,

DK + AB  ABDK  A + BD + K.

Как видим, в суммарное уравнение реакции катализатор К не входит, то есть в результате реакции он не изменяется.

Примерами газофазных каталитических гомогенных реакций могут быть:

2 CO _(Г) + O_{2 (Г)} 2 CO₂,

2 SO_{2 (Г)} + O_{2 (Г)} 2 SO₃.

Более распространены гомогенные каталитические реакции в жидкой фазе. Например:

2 H₂O_{2 (Ж)} 2 H₂O _(Ж) + O_{2 (Г)}.

Если катализаторы и реагенты находятся в разных фазах и имеют границу раздела, то катализ называется гетерогенным. Гетерогенными обычно являются твердые катализаторы, на поверхности которых реагируют газообразные или жидкие вещества. В качестве гетерогенных катализаторов обычно используются высокодисперсные порошки или высокопористые твердые тела, так как гетерогенные катализаторы могут влиять на протекание химической реакции лишь своей поверхностью, контактирующей с реакционной системой. Здесь также можно выделить кислотно-основной тип катализаторов (например, оксиды алюминия и магния) и окислительно-восстановительный (например, платина и серебро).

Особую роль играют биологические катализаторы. Ими являются комплексы белков особого вида (апоферментов) с низкомолекулярными органическими соединениями (коферментами), а реакционной сферой – высокоструктурированная внутриклеточная жидкость или клеточная мембрана. Ферменты участвуют в сложных химических процессах, протекающих в живых организмах, например: гидролиз жиров, углеводов, белков.

Наряду с катализаторами, ускоряющими протекание химических реакций, известны вещества, добавление которых в систему вызывает замедление реакций. Такие вещества называются ингибиторами. Типичным примером ингибиторов являются антиоксиданты – вещества, добавляемые в пищевые продукты для увеличения срока хранения.