II.2 Зависимость скорости реакции от природы реагирующих веществ

Влияние природы реагирующих веществ определяется их атомным составом, пространственным строением и свойствами молекул. Скорость реакции определяется скоростью разрыва одних химических связей и образованием других. При этом изменяется потенциальная энергия реагирующих частиц и всей системы.

Для того, чтобы произошла реакция, необходимо преодолеть отталкивание электронных оболочек молекул, разорвать связи между атомами в молекулах исходных веществ. На это нужно затратить определенную энергию. Если сталкивающиеся молекулы не обладают такой энергией, то столкновение будет неэффективным и новые молекулы не образуется. Если молекулы обладают достаточной энергией, при их столкновении происходит перестройка атомов и образуются молекулы нового вещества. Такой запас энергии называется энергией активации данной реакции. Энергия активации (Е_а) измеряется в кДж/моль. Молекулы, обладающие такой энергией, называются активными молекулами.

Для различных реакций энергия активации различна. Именно этим и определяется влияние на скорость реакции природы реагирующих веществ. Если энергия активации очень мала, то большая часть столкновений будут эффективными и скорость такой реакции велика. Например, ионные реакции протекают практически мгновенно, так как обладают очень низкими значениями Е_а.

Реакции с очень большими значениями энергии активации протекают очень медленно. Например, реакция синтеза аммиака имеет высокую энергию активации и при обычных температурах протекает очень медленно.

3 H_{2 (г)} + N_{2 (г)} = 2 NH_{3 (г)}

Реакции начинаются с того, что разрываются старые связи между атомами в молекулах исходных веществ. При этом вещества переходят в неустойчивое промежуточное состояние, характеризующееся большим запасом энергии. Это состояние называется активированным комплексом. Именно для его образования необходима энергия активация, это состояние соответствует разрыву старых связей и образованию новых. Активированный комплекс неустойчив, существует очень короткое время. Он распадается с образованием исходных веществ или продуктов реакции, при этом выделяется энергия.

На рис.6 показано изменение потенциальной энергии системы при взаимодействии исходных веществ АВ и PQ. В ходе реакции образуется промежуточный активированный комплекс АВPQ. Энергия активации прямой реакции определяется как разность между энергией активированного комплекса и потенциальной энергией исходных веществ - Е_а1. Энергия активации обратной реакции равна разности энергии активированного комплекса и потенциальной энергией продуктов реакции - Е_а2. Очевидно, что тепловой эффект реакции ΔH определяется как разность энергий активации прямой и обратной реакций, или разности значений потенциальной энергии системы в начальном и конечном состоянии.

Рис.6. Изменение потенциальной энергии системы при взаимодействии веществ АВ и PQ

Пример: По энергетической диаграмме реакции А + Б = АБ определите тепловой эффект реакции (Δ H) и энергию активации (Е_{а .}).

Потенциальная энергия исходных веществ (А+В) 100 кДж, продуктов реакции 200 кДж, энергия активированного комплекса 250 кДж. Энергия активации прямой реакции

Е_{а .}=(250-100)кДж=50 кДж. Тепловой эффект реакции равен разности значений потенциальной энергии продуктов и исходных веществ: ΔH = (200 – 100)кДж=100кДж