1.2 Влияние площади соприкосновения на скорость реакции

Различают гомогенные и гетерогенные реакции.

Гомогенные химические реакции - это реакции, протекающие в гомогенных (однофазных) системах, т.е. системах, в которых нет границы раздела между фазами. Гомогенные реакции протекают во всем объеме.

Гетерогенные химические реакции - это реакции, протекающие в гетерогенных (многофазных) системах, т.е. системах, в которых есть граница раздела между фазами. Гетерогенные реакции протекают на границе раздела фаз, поэтому скорость химической реакции зависит от площади соприкосновения. Твердая фаза в явном виде не входит в закон действия масс. Так, для гетерогенной реакции

aA_(г) + bB_(г) = dD_(г) + eE_(г)

в выражение закона действующих масс не входит кристаллическое вещество B:

Константы скорости k и k₁ учитывают влияние твердой фазы, т.к. k и k₁ определяются поверхностью соприкосновения фаз, которая меняется в ходе реакции.

1.3 Влияние температуры на скорость реакции

Зависимость скорости реакции от температуры, в общем виде, представлена эмпирическим правилом Вант-Гоффа:

При повышении температуры на каждые 10° скорость реакций возрастает в 2-4 раза:

Повышение температуры приводит к увеличению константы скорости химической реакции. Эта зависимость выражается уравнением Аррениуса:

,

где R – универсальная газовая постоянная, R=8,314 Дж/моль∙К;

T – абсолютная температура, K;

k_∞ – константа скорости при T→∞;

E_a – энергия активации химической реакции.

Не каждое соударение молекул или других частиц приводит к химическому взаимодействию, так, например, число соударений в газовой фазе при нормальных условиях достигает порядка 10²⁸ соударений в минуту, при этом реакция синтеза иодоводорода заканчивалась бы за 10^-10 сек, но в действительности она протекает со скоростью в 10¹⁴ раз меньше. Можно сделать вывод, что для осуществления химического взаимодействия, молекулы должны обладать определенным запасом энергии – энергией активации. Энергии активации химических реакций изменяются в пределах от 40 до 400 кДж/моль. Реакции, для которых энергия активации больше 150 кДж/моль не протекают, даже если DG_реакц.<0.

1.4 Влияние катализатора на скорость реакции

Катализ – явление изменения скорости реакций в присутствии веществ – катализаторов, которые вступают в промежуточное взаимодействие с реагирующими веществами, но не входят в состав продуктов реакции.

Катализаторы, увеличивающие скорость реакции, называются положительными, а уменьшающие – отрицательными. Отрицательные катализаторы называются ингибиторами.

Механизм действия катализатора сводится к изменению энергии активации данной реакции: положительные катализаторы уменьшают энергию активации и тем самым увеличивают число активных молекул, а отрицательные – увеличивают энергию активации, тем самым уменьшая число активных молекул. Это происходит за счет образования промежуточных, нестойких комплексов, которые в дальнейшем распадаются на продукты реакции с выделением катализатора в химически неизменном виде.

В отсутствие катализатора реакцию можно представить следующим образом:

А + В = АВ

В присутствии катализатора реакция протекает в две быстро идущие стадии:

1 стадия А + Каt = АКаt

2 стадия AKat + B = AB + Kat ,

в результате которых сначала образуются частицы промежуточного соединения AKat, а затем конечные продукты с регенерацией катализатора.

Если катализатор и реагирующие вещества находятся в одной фазе, то процесс называют гомогенным катализом.

Гетерогенный катализ протекает на границе раздела фаз, катализатор в гетерогенном катализе, как правило, находится в твердой фазе. Процесс в этом случае начинается с адсорбции исходных молекул на поверхности катализатора. Образование промежуточных соединений происходит на активных центрах катализатора. Активные центры составляют незначительную долю всей поверхности. Для увеличения поверхности катализатора и, тем самым, увеличения числа его активных центров его тонко измельчают.

Свойства катализатора:

1. Катализатор не входит в состав исходных веществ и продуктов реакции, поэтому не может оказать влияние на изменение энергии Гиббса DG, следовательно, он не может вызвать протекание реакций, для которых DG>0. Катализатор ускоряет те реакции, для которых DG<0.

2. Для обратимой реакции катализатор не смещает химическое равновесие и не влияет на константу равновесия, а лишь ускоряет достижение химического равновесия.

3. Использование катализатора не влияет на тепловой эффект химической реакции, так как тепловой эффект реакции не зависит от пути процесса.

4. Из возможных параллельных реакций катализатор ускоряет только одну – селективное действие катализатора.

5. Подбор катализатора проводится экспериментально. Для гетерогенного катализа часто используются переходные металлы и их соединения, при этом особенно высоким каталитическим действием отличаются металлы VIII Б подгруппы.

6. Активность и селективность катализатора можно изменить, вводя в объем твердого тела или на поверхность катализатора вещества, не обладающие каталитической активностью, но повышающие активность катализатора – промоторы. Вещества, которые приводят к уменьшению активности катализатора, называются каталитическими ядами.