Зависимость скорости химических реакций от температуры, площади раздела фаз, катализатора

Площадь раздела фазС ростом температуры кинетическая энергия частиц возрастает, увеличивается число частиц, обладающих энергией, равной и превышающей энергию активации. Отсюда следует, что и скорость химической реакции должна увеличиваться с повышением температуры. Действительно, при возрастании температуры химические реакции протекают быстрее. Во второй половине XIX столетия эту зависимость изучал голландский ученый Я.Х. Вант-Гофф, который установил, что скорость большинства реакций возрастает в 2 – 4 раза при увеличении температуры на каждые 10°. Эта эмпирически (т.е. опытным путем) установленная зависимость называется правилом Вант-Гоффа

Зависимость скорости гетерогенных реакций от площади раздела фаз.

Скорость гетерогенных реакций прямо пропорциональна площади раздела фаз, т.е. чем сильнее измельчено вещество (чем больше степень его дисперсности), тем выше скорость реакции. Помимо этого она зависит от скорости подвода реагентов к границе раздела фаз и отвода продуктов реакции от этой границы.

Зависимость скорости химических реакций от наличия в системе катализатора.

Скорость некоторых реакций зависит от наличия в системе катализатора. Такие реакции называют каталитическими, а реакции, протекающие без катализатора, называют некаталитическими. Катализ — изменение скорости реакции под действием катализатора. Катализатор — это вещество, изменяющее скорость химической реакции, но после реакции остающееся неизменным по составу и массе. Очень высокой активностью обладают биологические катализаторы (биокатализаторы, ферменты, энзимы).

В большинстве случаев действие катализатора объясняется тем, что он снижает энергию активации химической реакции. В присутствии катализатора реакция проходит через другие промежуточные стадии, чем без него, причем эти стадии энергетически более доступны.

Ea пр. и Ea обр. — энергии активации прямой и обратной реакции без катализатора cоответственно, E?a пр. и E?a обр. — энергии активации прямой и обратной реакции в присутствии катализатора, Qреакции — тепловой эффект химической реакции.

Введение катализатора может изменить направление протекания химической реакции. Так, при нагревании без катализатора хлорат калия (бертолетова соль) разлагается преимущественно с образованием перхлората и хлорида калия. При нагревании хлората калия в присутствии небольших (каталитических) количеств оксида марганца (IV) наблюдается выделение кислорода. Различают гомогенный и гетерогенный катализ. Если катализатор находится в той же фазе, что и реагирующие вещества, то катализ называют гомогенным.

Примеры гомогенного катализа.

Окисление оксида серы (IV) в присутствии NO2 (вторая стадия нитрозного способа производства серной кислоты). Все вещества, включая катализатор, находятся в газовой фазе:

Разложение пероксида водорода в присутствии растворимых дихроматов, (вольфраматов, молибдатов). В этом случае исходное вещество и катализатор находятся в водном растворе:

Если каталитическая реакция идет на границе раздела фаз, то катализ называют гетерогенным. В этом случае для повышения эффективности катализатора стараются увеличить площадь его поверхности, «развить» поверхность.

Примеры гетерогенного катализа.

Для повышения активности катализатора используют специальные добавки — промоторы. Например, железный катализатор, используемый в промышленном синтезе аммиака, промотируют (активизируют) оксидами алюминия и калия. Оксидами щелочных металлов промотируют V2O5 — промышленный катализатор окисления SO2 в SO3.

Однако существуют вещества, снижающие активность катализатора, — каталитические яды. Снижение активности катализатора называют его отравлением. Например, при производстве серной кислоты контактным способом печной газ очищают от оксидов мышьяка и селена — каталитических ядов для V2O5. Исходные газы (водород и азот), направляемые в колонну синтеза аммиака, предварительно тщательно очищают от примесей сероводорода и других соединений, которые могут отравить катализатор синтеза — металлическое губчатое железо.

Вещества, снижающие скорость химических реакций, называются ингибиторами. Ингибиторы применяют для защиты металлов и сплавов от коррозии, в химической промышленности для снижения активности агрессивных веществ при их транспортировке, в пищевой промышленности для защиты продуктов питания от порчи при хранении (консерванты) и др.