Химическая кинетика. Факторы, влияющие на скорость химических реакций. Основные факторы влияющие на скорость химической реакции Факторы влияющие на скорость химических процессов

04.02.2024

Существует область в физической химии, которая занимается анализом скорости химических процессов, определением условий, воздействующих на увеличение или снижение скорости. Это направление называется химическая кинетика. Данная область науки изучает механизмы проведения и термодинамические особенности процессов. Полученные знания используются в научных целях, при производстве химических веществ, когда важно контролировать взаимодействие ингредиентов в реакторах.

Под термином «скорость реакции» подразумевают эквивалентное изменение концентраций ингредиентов, участвующих в реакции, за обозначенную временную единицу. Для расчетов скорости предназначена специальная формула: ᴠ = ±C/t.

Единица измерения скорости – моль/л*с при проведении гомогенного процесса, когда реагирует весь объем. Для многостадийной реакции, когда есть четко обозначенные фазы, применяют другую единицу измерения – моль/м2*с.

Разноскоростные химические процессы

Химические компоненты могут взаимодействовать между собой с разной скоростью. К примеру, сталактиты формируются в результате нарастания карбоната кальция. Скорость роста образования – полмиллиметра за 100 лет. Так же медленно проходят другие биохимические реакции. Довольно низкой скоростью отличаются процессы синтеза белка и коррозия металлов.

Быстрее проходят другие процессы, для завершения которых требуется один или несколько часов. К таким реакциям относится приготовление пищи, когда происходит разложение и преобразование соединений, имеющихся в продуктах питания.

На протяжении определенного промежутка времени следует нагревать реакционный состав, который используется для синтеза некоторых полимеров.

К быстрым химическим реакциям следует отнести нейтрализацию, контактирование разбавленной уксусной кислоты с обычной пищевой содой, в результате чего выделяется углекислый газ. В перечень можно добавить реакцию натриевых солей с нитратом бария, по завершении которой в осадок выпадает нерастворимый сульфат бария.

Важно! Существует огромное количество химических процессов, которые протекают очень быстро и завершаются взрывом. Яркий пример – соединение калия и воды.

Факторы, влияющие на скорость реакции

Соединяя химические вещества, получают реакцию, которая в разных условиях протекает с различной скоростью. К примеру, при комбинации водорода и кислорода в газовом состоянии смесь долгое время находится в бездействии, но если емкость встряхнуть либо ударить, то реакция закончится взрывом.

В связи с такими особенностями специалисты химической кинетики выделили ряд факторов, имеющих способность повлиять на быстроту прохождения химической реакции.

Среди таких условий различают:

природные свойства реагирующих компонентов;
концентрация реагентов;
температурные перепады;
применение катализатора;
скачки давления (при использовании газообразных компонентов);
площадь взаимодействия веществ.

Природные свойства реагентов

Большая разница в скоростях химреакций обусловлена разными коэффициентами энергии активации – лишнего объема энергии, количество которого превышает средние значения, необходимые частицам для соударения и осуществления взаимодействия. Параметр имеет свою единицу измерения кДж/моль. Эти значения варьируются от 50 до 250.

При избытке энергии в количестве 150 кДж/моль в нормальных условиях реакция не протекает. Объем выделенной энергии израсходуется на предотвращение отталкивания молекул, минимизацию связей внутри вещества. От активационной энергии зависит прочность химсвязей в ингредиентах. Значение энергии отображает активность реакции:

менее 40 – взаимодействие проходит быстро, все удары молекул заканчиваются реакцией;
больше 40, но меньше 120 – средняя скорость, только половина столкновений являются эффективными;
более 120 – медленное взаимодействие, поскольку незначительная часть соударений частиц заканчивается реакцией.

Концентрация веществ

Количество молекул в единице объема воздействует на быстроту взаимодействия. Процесс подпадает под закон действующих масс. Закон применяется для простейших реакций, проходящих за одну стадию. Также подходит для многоэтапных реакций, когда процесс происходит на конкретной стадии.

Скорость химпроцесса с учетом условия закона определяется формулой V=k·[A]a·[B]b. В математическом уравнении a и b выступают в роли стехиометрических коэффициентов, [A] и [B] – это концентрации реагентов, k является константой скорости.

Значение скорости отображает идентичный коэффициент, если концентрации реагирующих ингредиентов равны единице. Для корректных расчетов с использованием формулы нужно брать во внимание агрегатное состояние компонентов. Концентрация твердого ингредиента равна единице, поэтому в уравнение не входит, так как во время реакции она не меняется.

Для определения коэффициента скорости в формулу включают исключительно компоненты жидкого и газообразного состояния.

Температурный режим

Течение химреакции зависит также от температурных условий. Опытным путем выявлено, что активность некоторых химических процессов увеличивается в несколько раз, если температуру поднять минимум на 10 градусов. Следующие 10 градусов также провоцируют увеличение активности в 2–4 раза.

К сожалению, не изучен механизм воздействия температуры на быстроту отдельно взятой реакции. Также не определен перечень закономерностей. Можно предположить с точки зрения логики, что рост температуры способствует усилению хаотического движения молекул и атомов, в результате чего количество их столкновений значительно возрастает.

Однако от этой особенности воздействия не увеличивается эффективность соударения частиц, ведь главным катализатором этого процесса является энергия активации. Также для эффективности взаимодействия молекул необходимо их пространственное соответствие.

Применение катализаторов

Активность реакции в химии изучает также и другое направление, которое называется катализ. Его задача – выяснить, как и по какому алгоритму небольшие объемы обозначенных веществ увеличивают скорость отзыва реагентов. Такими веществами называют катализаторы. Причем сам катализатор, ускоряя реакцию, практически не расходуется.

Ускорители способны изменить механизм химического процесса и спровоцировать образование таких переходных состояний вещества, которые имеют более низкий энергетический барьер. Катализатор может сократить энергию активации, увеличить число результативных столкновений молекул. Если взаимодействие энергетически невозможно, то использование ускорителя бессмысленно.

Площадь контакта компонентов

При смешивании веществ, пребывающих в разных агрегатных состояниях, либо компонентов, которые не способны соединиться в гомогенную смесь, на скорость химреакции в значительной мере влияет площадь взаимодействия ингредиентов.

Это обусловлено протеканием гетерогенной реакции на границе контактирования реагентов. То есть чем шире эта граница, тем большее количество частиц сталкивается и провоцирует быструю реакцию.

Яркие примеры подобных свойств:

мелкие щепки горят намного активнее, чем целые бревна;
в жидкости лучше растворяются измельченные твердые вещества, чем целый кусок.

Важно! При измельчении твердого ингредиента происходит произвольное разрушение кристаллической решетки реагента, поэтому реакционные свойства частиц увеличиваются.

Влияние давления

Перепады давления во время реакции могут повлиять на активность, только когда в качестве реагентов применяются газообразные вещества. Высокое давление способствует увеличению количества молекул компонента в единице объема, плотность реагента возрастает. При низком давлении количество частиц уменьшается, следовательно, концентрация снижается.

Скорость химического взаимодействия – это количество и эффективность столкновения молекул реагентов. Этот процесс может происходить быстрее или медленнее, если создать соответствующие условия. На возрастание скорости могут влиять факторы, которые можно в разной степени регулировать:

температурный режим;
уровень концентрации реагирующих компонентов;
увеличение или уменьшение давления;
преобразование разнородных компонентов в одинаковое агрегатное состояние.

Полезное видео

Подведем итоги

В значительной мере быстрота реагирования веществ зависит от стартовой энергии и геометрических особенностей молекул. Данные два параметра контролировать и корректировать невозможно. Изучение ответных реакций химкомпонентов на воздействие перечисленных факторов имеет большую ценность для многих отраслей промышленности. Данные используются при проведении лабораторных исследований, в фармакологической сфере, металлургии, кулинарии, на атомных предприятиях, при производстве лакокрасочной продукции, полимеров.

Вконтакте

1) Природа реагирующих веществ . Большую роль играет характер химических связей и строение молекул реагентов. Реакции протекают в направлении разрушения менее прочных связей и образования веществ с более прочными связями. Так, для разрыва связей в молекулах H 2 и N 2 требуются высокие энергии; такие молекулы мало реакционноспособны. Для разрыва связей в сильнополярных молекулах (HCl , H 2 O ) требуется меньше энергии, и скорость реакции значительно выше. Реакции между ионами в растворах электролитов протекают практически мгновенно.

Примеры

Фтор с водородом реагирует со взрывом при комнатной температуре, бром с водородом взаимодействует медленно и при нагревании.

Оксид кальция вступает в реакцию с водой энергично, с выделением тепла; оксид меди - не реагирует.

2) Концентрация . С увеличением концентрации (числа частиц в единице объема) чаще происходят столкновения молекул реагирующих веществ - скорость реакции возрастает.

Закон действующих масс (к. Гульдберг, п.Вааге, 1867г.)

Один из основных законов физической химии; устанавливает зависимость скорости химической реакции от концентраций реагирующих веществ и соотношение между концентрациями (или активностями) продуктов реакции и исходных веществ в состоянии химического равновесия. Норвежские учёные К. Гульдберг и П. Вааге, сформулировавшие Д. м. з. в 1864-67, назвали «действующей массой» вещества его количество в единице объёма, т. е. концентрацию, отсюда - наименование закона.

При постоянной температуре скорость химической реакции прямо пропорциональна произведению концентраций реагирующих веществ, взятых в степенях, равных стехиометрическим коэффициентам в уравнении реакции.

Для мономолекулярной реакции скорость реакции  определяется концентрацией молекул вещества А:

где k - коэффициент пропорциональности, который называется константой скорости реакции;[А] - молярная концентрация вещества А.

В случае бимолекулярной реакции , ее скорость определяется концентрацией молекул не только вещества А, но и вещества В:

В случае тримолекулярной реакции, скорость реакции выражается уравнением:

В общем случае, если в реакцию вступают одновременно т молекул вещества А и n молекул вещества В, т. е.

тА + пВ = С,

уравнение скорости реакции имеет вид:

Вид уравнения определяется тем, что необходимым условием элементарного акта реакции является столкновение молекул исходных веществ, т. е. их встреча в некотором малом объёме (порядка размера молекул). Вероятность найти в данный момент в данном малом объёме молекулу А пропорциональна [А], т. е., чем больше концентрация реагирующих веществ, тем больше скорость реакции в данный момент времени.

Константа скорости реакции k зависит от природы реагирующих веществ, температуры и катализатора, а в случае жидкого раствора - также и от давления; последняя зависимость существенна лишь при высоких давлениях, но не зависит от значения концентраций реагентов.

Физический смысл константы скорости заключается в том, что она равна скорости реакции при единичных концентрациях реагирующих веществ.

Для гетерогенных реакций концентрация твердой фазы в выражение скорости реакции не входит.

Пример

Запишите выражение закона действия масс для следующих реакций:

a)N 2(г) + 3 H 2(г) = 2 NH 3(г)

b) 2 C (к) + O 2(г) = 2 CO (г)

Механизмы протекания химических превращений и их скорости изучает химическая кинетика. Химические процессы протекают во времени с различными скоростями. Какие-то происходят быстро, почти мгновенно, для протекания других требуется весьма продолжительное время.

Вконтакте

Скорость реакции - скорость с которой расходуются реагенты (их концентрация уменьшается) или образуются продукты реакции в единице объёма.

Факторы, способные влиять на скорость химической реакции

На то, насколько быстро будет происходить химическое взаимодействие, могут повлиять следующие факторы:

концентрация веществ;
природа реагентов;
температура;
присутствие катализатора;
давление (для реакций в газовой среде).

Таким образом, изменяя определённые условия протекания химического процесса, можно повлиять на то, насколько быстро будет протекать процесс.

В процессе химического взаимодействия частицы реагирующих веществ сталкиваются друг с другом. Количество таких совпадений пропорционально числу частиц веществ в объёме реагирующей смеси, а значит и пропорционально молярным концентрациям реагентов.

Закон действующих масс описывает зависимость скорости реакции от молярных концентраций веществ, вступающих во взаимодействие.

Для элементарной реакции (А + В → …) данный закон выражается формулой:

υ = k ∙С A ∙С B,

где k - константа скорости; С A и С B - молярные концентрации реагентов, А и В.

Если одно из реагирующих веществ находится в твёрдом состоянии, то взаимодействие происходит на поверхности раздела фаз, в связи с этим концентрация твёрдого вещества не включается в уравнение кинетического закона действующих масс. Для понимания физического смысла константы скорости, необходимо принять С, А и С В равными 1. Тогда становится понятно, что константа скорости равна скорости реакции при концентрациях реагентов, равных единице.

Природа реагентов

Так как в процессе взаимодействия разрушаются химические связи реагирующих веществ и образуются новые связи продуктов реакции, то большую роль будет играть характер связей, участвующих в реакции соединений и строение молекул реагирующих веществ.

Площадь поверхности соприкосновения реагентов

Такая характеристика, как площадь поверхности соприкосновения твёрдых реагентов, на протекание реакции влияет, порой, довольно значительно. Измельчение твёрдого вещества позволяет увеличить площадь поверхности соприкосновения реагентов, а значит и ускорить протекание процесса. Площадь соприкосновения растворимых веществ легко увеличивается растворением вещества.

Температура реакции

При увеличении температуры энергия сталкивающихся частиц возрастёт, очевидно, что с ростом температуры и сам химический процесс будет ускоряться. Наглядным примером того, как увеличение температуры влияет на процесс взаимодействия веществ, можно считать приведённые в таблице данные.

Таблица 1. Влияние изменения температуры на скорость образования воды (О 2 +2Н 2 →2Н 2 О)

Для количественного описания того, как температура может влиять на скорость взаимодействия веществ используют правило Вант-Гоффа. Правило Вант-Гоффа состоит в том, что при повышении температуры на 10 градусов, происходит ускорение в 2−4 раза.

Математическая формула, описывающая правило Вант-Гоффа, выглядит следующим образом:

Где γ — температурный коэффициент скорости химической реакции (γ = 2−4).

Но гораздо более точно описывает температурную зависимость константы скорости уравнение Аррениуса:

Где R - универсальная газовая постоянная, А - множитель, определяемый видом реакции, Е, А - энергия активации.

Энергией активации называют такую энергию, которую должна приобрести молекула, чтобы произошло химическое превращение. То есть она является неким энергетическим барьером, который необходимо будет преодолеть сталкивающимся в реакционном объёме молекулам для перераспределения связей.

Энергия активации не зависит от внешних факторов, а зависит от природы вещества. Значение энергии активации до 40 - 50 кДж/моль позволяет веществам реагировать друг с другом довольно активно. Если же энергия активации превышает 120 кДж/моль , то вещества (при обычных температурах) будут реагировать очень медленно. Изменение температуры приводит к изменению количества активных молекул, то есть молекул, достигших энергии большей, чем энергия активации, а значит способных к химическим превращениям.

Действие катализатора

Катализатором называют вещество, способное ускорять процесс, но не входящее в состав его продуктов. Катализ (ускорение протекания химического превращения) разделяют на · гомогенный, · гетерогенный. Если реагенты и катализатор находятся в одинаковых агрегатных состояниях, то катализ называют гомогенным, если в различных, то гетерогенным. Механизмы действия катализаторов разнообразны и достаточно сложны. Кроме того, стоит отметить, что для катализаторов характерна избирательность действия. То есть один и тот же катализатор, ускоряя одну реакцию, может никак не изменять скорость другой.

Давление

Если в превращении участвуют газообразные вещества, то на скорость протекания процесса будет влиять изменение давления в системе. Это происходит потому , что для газообразных реагентов изменение давления приводит к изменению концентрации.

Экспериментальное определение скорости химической реакции

Определить быстроту протекания химического превращения экспериментально можно, получив данные о том, как в единицу времени меняется концентрация веществ, вступающих в реакцию, или продуктов. Методы получения таких данных делят на

химические,
физико-химические.

Химические методы достаточно просты, доступны и точны. С их помощью скорость определяют, непосредственно замеряя концентрацию или количество вещества реагентов или продуктов. В случае медленной реакции, для контроля за тем, как расходуется реагент отбирают пробы. После чего определяют содержание в пробе реагента. Осуществляя отбор проб через равные промежутки времени, можно получить данные об изменении количества вещества в процессе взаимодействия. Чаще всего используют такие виды анализа, как титриметрия и гравиметрия.

Если реакция протекает быстро, то чтобы отобрать пробу, её приходится останавливать. Это можно сделать с помощью охлаждения, резкого удаления катализатора , также можно произвести разбавление либо перевести один из реагентов в не реакционноспособное состояние.

Методы физико-химического анализа в современной экспериментальной кинетике используются чаще, чем химические. С их помощью можно наблюдать изменение концентраций веществ в реальном времени. При этом реакцию нет необходимости останавливать и отбирать пробы.

Физико-химические методы основываются на измерении физического свойства, зависящего от количественного содержания в системе определённого соединения и изменяющегося со временем. Например, если в реакции участвуют газы, то таким свойством может быть давление. Также измеряют электропроводность, показатель преломления, спектры поглощения веществ.

Скорость реакции определяется изменением молярной концентрации одного из реагирующих веществ:

V = ± ((С 2 - С 1) / (t 2 - t 1)) = ± (DС / Dt)

Где С 1 и С 2 - молярные концентрации веществ в моменты времени t 1 и t 2 соответственно (знак (+) - если скорость определяется по продукту реакции, знак (-) - по исходному веществу).

Реакции происходят при столкновении молекул реагирующих веществ. Ее скорость определяется количеством столкновений и вероятностью того, что они приведут к превращению. Число столкновений определяется концентрациями реагирующих веществ, а вероятность реакции - энергией сталкивающихся молекул.
Факторы, влияющие на скорость химических реакций.
1. Природа реагирующих веществ. Большую роль играет характер химических связей и строение молекул реагентов. Реакции протекают в направлении разрушения менее прочных связей и образования веществ с более прочными связями. Так, для разрыва связей в молекулах H 2 и N 2 требуются высокие энергии; такие молекулы мало реакционноспособны. Для разрыва связей в сильнополярных молекулах (HCl, H 2 O) требуется меньше энергии, и скорость реакции значительно выше. Реакции между ионами в растворах электролитов протекают практически мгновенно.
Примеры
Фтор с водородом реагирует со взрывом при комнатной температуре, бром с водородом взаимодействует медленно и при нагревании.
Оксид кальция вступает в реакцию с водой энергично, с выделением тепла; оксид меди - не реагирует.

2. Концентрация. С увеличением концентрации (числа частиц в единице объема) чаще происходят столкновения молекул реагирующих веществ - скорость реакции возрастает.
Закон действующих масс (К. Гульдберг, П.Вааге, 1867г.)
Скорость химической реакции прямо пропорциональна произведению концентраций реагирующих веществ.

AA + bB + . . . ® . . .

[A] a [B] b . . .

Константа скорости реакции k зависит от природы реагирующих веществ, температуры и катализатора, но не зависит от значения концентраций реагентов.
Физический смысл константы скорости заключается в том, что она равна скорости реакции при единичных концентрациях реагирующих веществ.
Для гетерогенных реакций концентрация твердой фазы в выражение скорости реакции не входит.

3. Температура. При повышении температуры на каждые 10°C скорость реакции возрастает в 2-4 раза (Правило Вант-Гоффа). При увеличении температуры от t 1 до t 2 изменение скорости реакции можно рассчитать по формуле:

		(t 2 - t 1) / 10
Vt 2 / Vt 1	= g

(где Vt 2 и Vt 1 - скорости реакции при температурах t 2 и t 1 соответственно; g- температурный коэффициент данной реакции).
Правило Вант-Гоффа применимо только в узком интервале температур. Более точным является уравнение Аррениуса:

e -Ea/RT

где
A - постоянная, зависящая от природы реагирующих веществ;
R - универсальная газовая постоянная ;

Ea - энергия активации, т.е. энергия, которой должны обладать сталкивающиеся молекулы, чтобы столкновение привело к химическому превращению.
Энергетическая диаграмма химической реакции.


Экзотермическая реакция	Эндотермическая реакция

А - реагенты, В - активированный комплекс (переходное состояние), С - продукты.
Чем больше энергия активации Ea, тем сильнее возрастает скорость реакции при увеличении температуры.

4. Поверхность соприкосновения реагирующих веществ. Для гетерогенных систем (когда вещества находятся в разных агрегатных состояниях), чем больше поверхность соприкосновения, тем быстрее протекает реакция. Поверхность твердых веществ может быть увеличена путем их измельчения, а для растворимых веществ - путем их растворения.

5. Катализ. Вещества, которые участвуют в реакциях и увеличивают ее скорость, оставаясь к концу реакции неизменными, называются катализаторами . Механизм действия катализаторов связан с уменьшением энергии активации реакции за счет образования промежуточных соединений. При гомогенном катализе реагенты и катализатор составляют одну фазу (находятся в одном агрегатном состоянии), при гетерогенном катализе - разные фазы (находятся в различных агрегатных состояниях). Резко замедлить протекание нежелательных химических процессов в ряде случаев можно добавляя в реакционную среду ингибиторы (явление "отрицательного катализа ").

Скорость реакции зависит от природы и концентрации реагирующих веществ, температуры, давления, присутствия катализатора и его свойств, степени измельчения твердой фазы, от облучения квантами света и других факторов.

1. Природа реагирующих веществ . Под природой реагирующих веществ понимают природу химической связи в молекулах реагентов и ее прочность. Разрыв связей и образование новых связей определяют величину константы скорости, и, тем самым, влияют на процесс протекания реакции.

Величина энергии активации является тем фактором, посредством которого сказывается влияние природы реагирующих веществ на скорость реакции: если энергия активации мала, то скорость такой реакции большая, например, все реакции ионного обмена протекают практически мгновенно, очень велики скорости реакций с участием радикалов; если энергия активации велика, то скорость такой реакции мала, например, это многие реакции между веществами с ковалентными химическими связями, между газообразными веществами.

2. Концентрация реагирующих веществ . Количественную характеристику зависимости скорости реакции от концентрацииустанавливает закон действующих масс (Гульдберг и Вааге, 1867г.): скорость химической реакции прямо пропорциональна концентрации реагирующих веществ, возведенных в степени, равные стехиометрическим коэффициентам в уравнении реакции .

Для реакции аА + bВ =сС + dD математическое выражение закона действующих масс имеет вид:

υ =k·[А] а ·[ В] b или υ =k·С А а ·С В b ,

где v – скорость химической реакции; [А] , [В] или С А , С В – молярные концентрации реагирующих веществ; а, b – стехиометрические коэффициенты реагирующих веществ;k – коэффициент пропорциональности.

Подобные выражения называют кинетическими уравнениями реакций . Коэффициент пропорциональностиk вкинетическом уравнении называют константой скорости . Константа скорости численно равна скорости реакции при концентрациях реагирующих веществ 1 моль/л; k зависит от природы реагирующих веществ, температуры, способа выражения концентрации, но не зависит от величины концентрации реагирующих веществ.

Для гетерогенных реакций концентрации твердых веществ в уравнение скорости не включаются, так как реакция идет только на поверхности раздела фаз. Например, кинетическое уравнение реакции горения угля С(тв)+О 2 (г)=СО 2 (г) будет иметь вид: υ =k·[О 2 ].

Сумма показателей степеней концентраций реагентов в кинетическом уравнении реакции называется порядком химической реакции . Порядок по данному веществу (частный порядок ) определяется как показатель степени при концентрации этого вещества. Например, общий порядок реакции: H 2 + I 2 = 2HI равен двум, частные порядки по водороду и по иоду равны единице, т.к. υ=k · · .

3. Температура. Зависимость скорости реакции от температурывыражается правилом Вант-Гоффа (1884г.): при повышении температуры на каждые десять градусов скорость реакции возрастает примерно в 2 - 4 раза . Математическое выражениеправила Вант-Гоффа:

υ 2 = υ 1 · γ ∆ t/10

где υ 1 и υ 2 – скорость реакции при t 1 и t 2 ; ∆t = t 2 – t 1 ; γ – температурный коэффициент, показывающий, во сколько раз увеличивается скорость реакции при повышении температуры на 10 ºС.

Зависимость константы скорости реакции от температуры выражается уравнением Аррениуса (1889г.):

k = A· е – Е/ RT

где Е – энергия активации, кал/моль; Дж/моль; е – основание натурального логарифма; А – постоянная, не зависящая от температуры; R – газовая постоянная.

Влияние температуры на скорость реакции объясняется тем, что при повышении температуры резко (в геометрической прогрессии) возрастает число активных молекул.

4. Поверхность реагирующих веществ и давление. В гетерогенных реакциях взаимодействие веществ происходит на поверхности раздела фаз, и чем больше площадь этой поверхности, тем выше скорость реакции . В данном случае увеличение поверхности соприкосновения соответствует увеличению концентрации реагирующих веществ.

На скорость реакций с участием газообразных веществ , влияет изменение давления . Уменьшение или увеличение давления приводит к соответствующим изменениям объема, а поскольку количества веществ при этом не изменяются, будут изменяться концентрации реагирующих веществ.

5. Катализ. Одним из методов ускорения химической реакции является катализ, который осуществляется при помощи введения катализаторов, увеличивающих скорость реакции, но не расходующихся в результате ее протекания. Механизм действия катализатора сводится к уменьшению энергии активации реакции, т.е. к уменьшению разности между средней энергией активных молекул и средней энергией молекул исходных веществ. Скорость химической реакции при этом увеличивается. Как правило, термин «катализатор » применяют к тем веществам, которые увеличивают скорость химической реакции. Вещества, которые уменьшают скорость реакции, называют ингибиторами .

Катализаторы принимают самое непосредственное участие в процессе, но по окончании его могут быть выделены из реакционной смеси в исходном количестве. Для катализаторов характерна селективность , т.е. способность влиять на прохождение реакции в определённом направлении, поэтому из одних и тех же исходных веществ могут быть получены различные продукты в зависимости от используемого катализатора.

Особое место занимают биокатализаторы–ферменты , представляющие собой белки. Ферменты оказывают влияние на скорости строго определенных реакций, т. е. обладают очень высокой селективностью. Ферменты ускоряют реакции в миллиарды и триллионы раз при комнатной температуре. При повышенной температуре они теряют свою активность, так как происходит денатурация белков.

Различают два типа катализа: гомогенный катализ , когда катализатор и исходные вещества находятся в одной фазе, и гетерогенный ,когдакатализатор и исходные вещества находятся в разных фазах, т.е. реакции протекают на поверхности катализатора. Катализатор не влияет на состояние равновесия в системе, а лишь изменяет скорость, с которой достигается это состояние. Это следует из того, что равновесию отвечает минимум изобарно-изотермического потенциала (энергии Гиббса), и константа равновесия имеет одинаковое значение, как в присутствии катализатора, так и без него.

Действие гомогенного катализатора заключается в том, что он реагирует с одним из исходных веществ с образованием промежуточного соединения, которое, в свою очередь, вступает в химические реакции с другим исходным веществом, давая желаемый продукт реакции и «освобождая» катализатор. Таким образом, при гомогенном катализе процесс протекает в несколько стадий, но с меньшими значениями энергии активации для каждой стадии, чем для прямого некаталитического процесса.

Пусть вещество A реагирует с веществом B, образуя соединение AB:

Реакция протекает с незначительной скоростью. При добавлении катализатора K протекают реакции: A + K = AK и AK + B = AB + K .

Сложив эти два уравнения, получим: A + B = AB .

Примером реакции, протекающей с участием гомогенного катализатора, может служить реакция окисления оксида серы (IV) до оксида серы (VI): без катализатора: SO 2 + 0,5O 2 = SO 3 ;

с катализатором NO 2: SO 2 + NO 2 = SO 3 + NO , NO + 0,5O 2 = NO 2 .

Действие гетерогенного катализатора заключается в том, что молекулы газа (или жидкости) адсорбируются на поверхности кристалла катализатора, что приводит к перераспределению электронной плотности в адсорбированных молекулах и ослаблению химической связи в них вплоть до полной диссоциации молекулы на атомы. Это значительно облегчает взаимодействие адсорбированных молекул (атомов) реагирующих веществ между собой. Чем больше поверхность, тем эффективнее катализатор. В качестве гетерогенных катализаторов широко используются металлы (никель, платина, палладий, медь), кристаллические алюмосиликаты цеолиты, Al 2 O 3 , Al 2 (SO 4) 3 и др.