Чому всі можливі хімічні реакції ще не відбулися? Енергія активації

А + Б = В

Для того, щоб молекули А і Б прореагували між собою, вони повинні спочатку зіткнутися. Причому зіткнення повинне бути досить енергійним. Енергія, запасена в молекулах А і Б, повинна бути більше якоїсь певної величини – інакше вони просто відштовхуються один від одного, не вступаючи в реакцію (рис.1 – 4а). Якщо ж енергія зіткнення достатня, утворюється продукт В.

а) Молекули реагентів не вступає в хімічну реакцію після зіткнення, так як енергія молекул недостатня. б) Енергія молекул А і Б достатня для того, щоб зіткнення між ними призвело до хімічної реакції з утворенням продукту В.

Мірою ” енергійності ” молекул може служити, наприклад, швидкість їх руху, яка зростає з підвищенням температури газу. До речі, тепло або холод ми сприймаємо саме як результат зіткнень оточуючих нас ” швидких ” або ” повільних ” молекул атмосфери з нашою шкірою.

Однак не всі молекули при даній температурі мають однаковою енергією і рухаються з однаковою швидкістю. Існує розподіл молекул за швидкостями, а значить і по енергії. Тільки частина молекул рухається з дуже малої або дуже великою швидкістю, але більшість – з деякою середньою швидкістю (рис. 1-5). Реагувати може тільки та частина молекул, в яких запасена енергія вище деякого певної межі для кожної конкретної реакції (ця область заштрихована на рис.1 -5).

Рис. 1-5. Розподіл молекул по енергії при якійсь певній температурі. По горизонтальній осі відкладена енергія молекул. На вертикальній осі показано кількість молекул даної енергії. Значення Emin являє собою деяку мінімальну енергію, якою повинна володіти молекула, щоб вступити в якусь хімічну реакцію. Кількість таких ” активних ” молекул приблизно пропорційно заштрихованої площі під кривою.

Пояснити ситуацію може простий приклад, який одного разу вже приводився в 1- й книзі: по міських вулицях рухається безліч машин, причому тільки невелика їх частина їде або з дуже маленькою, або, навпаки, з дуже великою швидкістю. Основна ж маса транспорту рухається по місту з якоїсь середньої (не дуже великий і не дуже маленькою) швидкістю. У реакційному посудині молекули теж розподіляються за швидкостями (і по енергії) нерівномірно. Необхідної для хімічної реакції енергією володіє тільки ЧАСТИНА зіштовхуються молекул.

** Розрахунки показують, що в звичайних умовах молекули газу стикаються між собою надзвичайно часто. Однак, як ми бачимо, далеко не всі зіткнення молекул А і Б призводять до хімічної реакції між ними. Значна частина молекул “чекає ” вдалого зіткнення, щоб переміститися в закрашеної на рис. 1-5 область. Такий спосіб придбання молекулами енергії називається термічної активацією молекул. Але цей спосіб – не єдиний. Наприклад, якщо молекула А щойно утворилася в результаті якої-небудь екзотермічної реакції і ще не встигла віддати енергію в навколишнє середовище, вона виявляється активованої для подальших реакцій. Такий спосіб активації не вимагає зіткнень з іншими молекулами і називається хімічної активацією. Ще один спосіб активації молекул без сутичок – поглинання ними енергії світла. Але, підкреслимо, в більшості спостережуваних нами реакцій активовані молекули перебувають у меншості порівняно з основною масою»не активних ” молекул.

Звідси випливає важливий висновок: ніяка хімічна реакція не може відбуватися миттєво (відразу між усіма молекулами), оскільки значна їх частина просто не володіє достатньою енергією для цього. Отже, кожна хімічна реакція відбувається з якоюсь кінцевої ШВИДКІСТЮ. Під швидкістю реакції ми будемо розуміти число молекул, які вступають в хімічну взаємодію з іншими молекулами за одиницю часу. Зручно це число молекул висловлювати в молях і відносити до одиниці об’єму суміші.

Швидкістю хімічної реакції називається кількість речовини, що вступає в реакцію або утворюється при реакції за одиницю часу в одиниці об’єму системи.

З математичним виразом для швидкості хімічної реакції ми познайомимося в наступному параграфі. Поки ж обговоримо, що відбувається з ” енергійної ” молекулою А в той момент, коли вона вступає в хімічну взаємодію з молекулою Б.

У цей час з молекулами А і Б відбувається справжня катастрофа – старі хімічні зв’язки вже майже зруйнувалися, а нові, характерні для молекули В, ще не встигли цілком сформуватися. У такий момент речовина, укладену в цих молекулах, хитке і має високу енергію. Подібний стан в хімічній реакції називається перехідний стан (коли молекула являє собою щось “середнє” між молекулами А, Б і В).

Графічно перехідний стан реакції можна зобразити так, як показано на рис. 1-6. Тут по вертикальній осі відкладена СЕРЕДНЯ енергія молекул на різних стадіях хімічного перетворення – коли вони ще є молекулами А і Б, потім коли вже перетворилися на перехідний стан і, нарешті, коли стали молекулою В. Горизонтальна вісь називається координатою реакції і відображає ступінь “схожості ” речовини в процесі реакції на кінцеву молекулу В. Перехідний стан речовини займає найвищу позицію на осі енергії.

Посилання на основну публікацію