Влияние температуры на скорость химической реакции

Экспериментальные исследования химических реакций показывают, что при повышении температуры скорость реакции увеличивается. Так, например, скорость реакции соединения водорода с кислородом при температуре 300^◦С неизмеримо мала; а при 700^◦С эта реакция идет с громадной (взрывной) скоростью.

Количественная оценка влияния температуры на скорость реакции, а, следовательно, и на константу скорости оценивается температурным коэффициентом скорости реакции . Температурный коэффициент скорости равен отношению констант скоростей

.

и показывает, во сколько раз увеличилась скорость реакции при увеличении температуры на 10градусов.

Рисунок 18.1 – Влияние энергии рассматриваемой системы молекул на горизонтальный ход реакции.

Опытными исследованиями установлено, что при повышении температуры на 10 градусов скорость гомогенных реакций увеличивается в 2-4 раза.

Уравнение вида можно вывести из уравнения изохоры химической реакции (17.17)

,

которая выражает температурный коэффициент константы равновесия через тепловой эффект реакции. Но так как константа равновесия , то

. (18.7)

Рассмотрим тепловой эффект реакции как разность двух энергетических величин

,

где Е₁ и Е₂ относятся к прямой и обратной реакции.

На вертикальной оси (рисунок 18.1) отложена энергия рассматриваемой системы молекул на горизонтальный ход реакции. Если идет прямая экзотермическая реакция, т. е. из вещества А и В получаются вещества С и D, то общий запас энергии продуктов реакции меньше, чем исходных и система в результате переходит на более низкий энергетический уровень. Разность этих уровней равна теплоте реакцииQ. Верхний уровень определяет тот наименьший запас энергии, которым должны обладать молекулы, чтобы их столкновения могли привести к химическому взаимодействию. Разность между этим верхним уровнем и уровнем 1 представляет энергию активации прямой реакции Е₁, а разность между максимальным уровнем и уровнем 2 – энергию активации обратной реакции Е₂. Таким образом, в ходе реакции система должна перейти через энергетический барьер.

Уравнение (18.7) можно разложить на два, относящихся к прямой и обратной реакциям, и оно будет удовлетворено если

и .

В общем случае . (18.8)

Это уравнение было выведено Вант-Гоффом.

На основании опытных данных можно принять Н=0, тогда уравнение (18.8) примет вид

. (18.9)

Интегрируя это уравнение при постоянной величине Е, получим

, (18.10)

где С ─ константа интегрирования.

Откуда

. (18.11)

Это уравнение позволяет выразить зависимость константы скорости химической реакции от температуры в виде прямой в координатах 1п к, 1/Т.

Пользуясь уравнением (18.10), можно определить зависимость температурного коэффициента скорости реакции от температуры.

Для температур Т₁ и Т₂ получим

, , или

.

Принимая Т₂=Т₁+10; Т₁Т₂=Т² ср и R=8,3143 кДж/(моль град),

, (18.12)

. (18.13)

Откуда

. (18.14)

Полученная зависимость показывает, что с повышением температуры уменьшается, т. е. с повышением температуры уменьшается рост константы скорости, следовательно, и рост скорости реакции. Скорость реакции при низких температурах возрастает более интенсивно, чем при высоких.