3. Залежність швидкості реакції від природи реагуючих речовин і температури

Щоб сталася реакція, тобто щоб утворилися нові молекули, треба спочатку розірвати, або ослабити зв’язки між атомами в молекулах вихідних речовин. На це треба затратити певну енергію.

Надлишкова енергія, яку повинні мати молекули для того, щоб зіткнення їх могло привести до утворення нової речовини, називається енергією активації реакції. Енергію активації (Е) виражають у кДж/моль. Молекули, що мають таку енергію, називаються активними .

Енергія активації різних реакцій різна. ЇЇ величина є тим фактором, за допомогою якого позначається вплив природи реагуючих речовин на швидкість реакції.

Якщо енергія активації дуже мала (менша за 40 кДж/моль) то швидкість такої реакції велика, наприклад іонні реакції в розчинах, які відбуваються практично миттєво.

Навпаки, якщо Е_акт дуже велика (понад 120 кДж/моль), то швидкість таких реакцій мала, наприклад реакція синтезу аміаку при звичайних температурах N₂+3H₂=2NH₃

Нарешті, якщо енергія активації мас величину 40-120 кДж/моль, то такі реакції відбуваються не дуже швидко і не дуже повільно. Швидкість таких реакцій можна виміряти. Наприклад реакція

Na₂S₂O₃ + H₂SO₄ = Na₂SO₄ + S + SO₂ + H₂O

відбувається з вимірною швидкістю.

Необхідною умовою взаємодії реагуючих молекул між собою є їх дотик і утворювання активованого комплексу А...В

А + В → А … В → АВ

Наприклад, для реакції водню є йодом

При цьому реагуючі речовини, вбираючи додаткову енергію (енергію активації), переходять у нестійкий проміжний стан, що характеризується великим запасом енергії. Цей активований комплекс, що утворюється існує дуже короткий час. Він швидко розкладається з утворенням продуктів реакції. При цьому енергія виділяється. Енергетично активований комплекс відрізняється від вихідних речовин на величину енергії активації прямої реакції (Е_{акт. пр}), а від кінцевих - на енергію активації зворотної реакції(Е_{акт. зр})

Рис.2. Енергетична діаграма прямої і зворотної реакцій

Видно, що різниця енергії активації прямої і зворотної реакцій дорівнює тепловому ефекту реакції (ΔH_xn)

Швидкість реакцій завжди збільшується з підвищенням температури. Вплив температури на швидкість реакції в досить широкому інтервалі температур виражається рівнянням Арреніуса

де К - константа швидкості реакції;

А - фактор частоти зіткнень;

Е_акт - енергія активації.

Зростання швидкості реакції із зростанням температури часто характеризують температурним коефіцієнтом швидкості реакції γ - числом, що показує, у скільки разів зростає швидкість певної реакції при підвищенні температури системи на 10 °С. При звичайних температурах значення γ для більшості реакцій лежить у межах від 2 до 4.

Співвідношення:

відоме як правило Вант-Гоффа. Воно має приблизний характер, але дає можливість оцінити поведінку хімічної системи в певних межах температур.

4. Каталіз

Явище зміни швидкості реакції під дією деяких речовин називається каталізом. Такі речовини, що не витрачаються в результаті проходження реакції, але впливають на її швидкість, називаються каталізаторами . Реакції, що відбуваються під дією каталізаторів, називаються каталітичними .

У більшості випадків дія каталізатора пояснюється тим, що він знижує енергію активації як прямої (Е_{акт прк}), так і зворотної (Е_{акт зрк} ) реакцій на одну й ту саму величину. Тому каталізатор на одну й ту саму кількість разів прискорює і пряму, і зворотну реакції

Рис.З. Енергетична діаграма прямої і зворотної реакцій: а - без каталізатора; б - з каталізатором

У випадку гомогенного каталізу каталізатор і речовини, що беруть участь у реакції, утворюють одну фазу - газ або розчин (2SO₂+O₂=2SO₃, каталізатор – NO). У випадку гетерогенного каталізу каталізатор перебуває в системі у вигляді самостійної фази (N₂+3H₂=2NH₃, каталізатор - Рt).

Каталізатори в біологічних системах називаються ферментами. В організмі людини їх близько 30000. Кожен з них є ефективним каталізатором відповідної реакції. Наприклад, фермент, що є в шлунку, - пепсин - каталізує розщеплення білків.