Температурная зависимость

Химическая кинетика

Скорость реакции — это скорость, с которой происходит химическая реакция. Скорость реакции определяется как изменение концентрации компонента в реакции во времени. Скорость реакции зависит от нескольких факторов, в том числе от концентрации реагентов и температуры, при которой протекает реакция. Каждый реагент вносит свой вклад в скорость реакции определенным фактором. Это соотношение определяется законом скорости реакции.

Закон о тарифах

Закон скорости — это уравнение, описывающее соотношение между концентрацией реагентов А и В и порядками их реакции m и n. Константа скорости, k, связывает концентрации и порядок реагентов со скоростью реакции. Она зависит от реакции, как и от температуры, при которой протекает реакция.

r = k [A]^m[B]ⁿ for aA + bB → cC

Уравнение Аррениуса

Уравнение Аррениуса связывает константу скорости реакции с энергией активации химической реакции. Энергия активации определяется как количество энергии, необходимое для протекания химической реакции. Если реакция не удовлетворяет этому требованию энергии активации, она не будет продолжаться.

Отрицательная экспоненциальная зависимость между k и температурой указывает на то, что с повышением температуры величина k также увеличивается. Поскольку константа скорости может быть определена экспериментально в диапазоне температур, энергия активации может быть рассчитана с помощью уравнения Аррениуса. Беря натуральный логарифм обеих сторон, уравнение Аррениуса переписывается как линейное уравнение.

График ln k против 1/T дает прямую линию с наклоном, равным -E_a/R, и y-пересечение ln A. Поскольку известна идеальная газовая постоянная R, E_a может быть определена графически с использованием ряда k значений при различных температурах.

Катализаторы и энергия активации

Некоторые химические реакции обладают достаточно большой энергией активации, из-за чего реакция протекает медленно или вообще протекает вообще. Реакция разложения перекиси водорода на кислород и воду происходит спонтанно, но происходит с невероятно медленной скоростью. Одним из способов преодоления этого первоначального барьера является поставка энергии в виде тепла. Однако это не всегда идеальный вариант, так как чрезмерный нагрев может повлиять на стабильность продуктов или реагентов или способствовать возникновению побочных реакций.

Энергия активации химических реакций может быть изменена с помощью катализаторов. Катализатор снижает энергию активации химической реакции, но не расходуется на реакцию. Другими словами, катализатор облегчает химическую реакцию, облегчая преодоление критической потребности в энергии активации. При разложении перекиси водорода добавление нитрата железа снижает энергию активации и позволяет реакции протекать более быстрыми темпами. Тем не менее, важно отметить, что в то время как катализатор может влиять на скорость реакции, катализатор НЕ ИЗМЕНЯЕТ количество продукта, производимого в результате реакции.

Ссылки

1. Kotz, J.C., Treichel Jr, P.M., Townsend, J.R. (2012). Химия и химическая реакционная способность. Бельмонт, Калифорния: Брукс/Коул, Cengage Learning.
2. Silberberg, M.S. (2009). Химия: молекулярная природа материи и изменения. Бостон, Массачусетс: Макгроу Хилл.

Мера того, насколько быстро протекает реакция, называется скоростью реакции. Скорость химической реакции определяется законом скорости, который описывает соотношение между скоростью реакции и концентрациями реагентов. В этом уравнении k — константа скорости, A и B — два реагента, а m и n — соответствующие порядки реакций.

Константа скорости преобразует отношение в собственные единицы скорости, моли на литр в секунду. Таким образом, константа скорости имеет различные единицы измерения, в зависимости от общего порядка реакции. Однако константа скорости имеет большее значение, чем просто преобразование единиц измерения. Константа скорости связана с минимальным количеством энергии, необходимым для протекания химической реакции, называемым энергией активации.

В ходе реакции реагенты находятся в начальном состоянии потенциальной энергии. По мере того, как реакция протекает, она должна преодолеть определенную потенциальную энергию, энергию активации, прежде чем достигнет своего конечного состояния. Суммарная энергия реакции — это разница между начальным и конечным состояниями. Эта разница может быть отрицательной, что означает, что реакция высвобождает энергию, или положительной, что означает, что она поглощает энергию.

Если энергии недостаточно для преодоления энергии активации, реакция не будет продолжаться. В некоторых случаях энергия может подаваться в виде тепла. Это дает дополнительную энергию для преодоления барьера на пути активации, и реакция может протекать. Также может быть добавлен катализатор, который обеспечивает альтернативный путь с более низкой энергией активации между реагентами и продуктами.

Катализаторы не расходуются в реакции и, следовательно, не влияют на суммарную энергию реакции. Энергия активации определяется экспериментально и связана с константой реакции k уравнением Аррениуса, где A — предэкспоненциальный или частотный коэффициент, R — универсальная газовая постоянная, а T — абсолютная температура, при которой протекает реакция.

Из этого уравнения мы знаем, что увеличение температуры реакции или уменьшение энергии активации увеличивает константу скорости. Возвращаясь к уравнению закона скорости, следует, что более высокая константа скорости приводит к более высокой скорости реакции. Это имеет смысл, потому что по мере повышения температуры молекулы движутся быстрее и сталкиваются чаще, что приводит к увеличению доли молекул с энергией, превышающей энергию активации.

В этой лабораторной работе вы узнаете, как измерить энергию активации реакции экспериментально с использованием разложения перекиси водорода в качестве модельной реакции.