Влияние температуры на скорость химической реакции

     Именно  так и работали химики во времена  Вант-Гоффа. И изучали они кинетику только таких реакций, которые идут с удобной для измерения скоростью. Если реакция имела небольшую энергию активации и шла слишком быстро, для её замедления температуру понижали. Если же, наоборот, надо было изучить скорость реакции с высокой энергией активации, температуру повышали, чтобы реакцию ускорить до «удобного» значения. В обоих случаях как бы сами собой получались определённые соотношения между энергией активации и температурой — такие, при которых выполняется правило Вант-Гоффа.

     Эти соотношения наглядно представлены на графике: значения энергии активации  и температуры, соответствующие  правилу Вант-Гоффа,

располагаются между двумя ветвями параболы. Если для какой-либо реакции они  окажутся под нижней ветвью, такая  реакция будет ускоряться меньше чем в 2 раза при повышении температуры на 10 °С, а если над верхней — реакция ускорится более чем в 3. В настоящее время экспериментальная техника позволяет изучать как исключительно быстрые, так и очень медленные химические реакции, для которых температурный коэффициент может быть и намного меньше 2, и значительно больше 3. Поэтому правило Вант-Гоффа современным химикам не нужно.

Необычная температурная зависимость  скорости реакции 

     Некоторые реакции проявляют аномальные температурные эффекты. Например, скорость биохимических реакций, катализируемых ферментами, зависит от температуры следующим образом. Вплоть до некоторой критической температуры скорость ферментативной реакции увеличивается в соответствии с уравнением Аррениуса, а затем происходит денатурация фермента (нарушение его природной конфигурации), он теряет каталитические свойства, и скорость реакции уменьшается. Это приводит, в частности, к тому, что у больных людей при высокой температуре биохимические процессы в организме протекают не так, как при нормальной.

Существуют  и реакции, скорость которых уменьшается  при нагревании. Так, реакция 

2NO+O₂=2NO₂

протекает в две стадии, первая из которых  обратима:

2NO↔(NO)₂

(NO)₂+O₂=2NO₂.

     Константа скорости второй реакции, как это обычно и бывает, увеличивается с ростом температуры. Но вот концентрация продукта первой реакции — димера (NO)₂ — при нагревании падает. Концентрация димера уменьшается быстрее, чем растет константа скорости второй реакции, поэтому суммарная скорость всего процесса при нагревании уменьшается.

     Для многих биологически важных реакций  наблюдается ускорение процесса (отрицательная энергия активации) при замораживании водных растворов  реагентов. Это объясняется возрастанием концентрации реагентов в жидких микровключениях, возникающих при медленном замораживании. В результате цикла изменения температуры замороженных пищевых продуктов от -5^oС до -18^oС (“разморозка холодильника без оттайки”) могут вызвать их быструю порчу.

     В 60-е годы обнаружены реакции полимеризации при низких (жидкий азот, 77 К) и сверхнизких температурах (жидкий гелий, 4,2 К). Особенно интересной оказалась полимеризация формальдегида под действием ионизирующих излучений. Скорость превращения:

nCH₂O = (-СH₂O)_n -

при понижении  температуры равномерно снижалась в соответствии с уравнением Аррениуса и энергией активации 8 кДж/моль при температурах 150-80 К. Однако затем скорость полимеризации переставала зависеть от температуры – реакция продолжалась даже при 4,2 К. Чтобы объяснить необычную реакционную способность вблизи абсолютного нуля, пришлось использовать методы квантовой механики. Сейчас подобные процессы объясняют квантовым туннелированием (т.е. волновым перемещением) целой молекулы формальдегида на расстояние около 0,5 ангстрема.

Заключение 

     Опыт  показывает, что скорость разных реакций  может отличаться очень сильно. Практически  мгновенно идут многие реакции в  водных растворах. Так, при добавлении избытка кислоты к щелочному  раствору фенолфталеина малинового цвета раствор мгновенно обесцвечивается, это означает, что реакция нейтрализации, а также реакция превращения окрашенной формы индикатора в бесцветную идут очень быстро. Значительно медленнее идет реакция окисления водного раствора иодида калия кислородом воздуха: желтая окраска продукта реакции – иода появляется лишь через продолжительное время. Медленно протекают процессы коррозии железных и особенно медных сплавов, многие другие процессы. Однако, почти каждый процесс можно ускорить повышением температуры данной системы.

     Температура – один из двух важнейших факторов, помимо концентрации, влияющий на скорость химической реакции. Управляя температурой, можно ускорять или замедлять те или иные процессы, что является важной задачей химической кинетики.

Список  литературы:

1. Энциклопедия по химии под редакцией Володина В.А. -   М.: Аванта +, 2001. – 640с.: ил.;

2. Практический курс химической и ферментативной кинетики. Березин И.В., Клесов А.А. - М.: Издательство Московского Университета 1976. – 321с.;

3. Курс лекций по химической гетерогенной кинетике. Андреев Г.Г., Дьяченко А.Н., Пермяков О.Е. – Томск: Изд. ТПУ, 2008. 120с.;

4. Физическая и коллоидная химия. Левченков С.И.  Конспект лекций.