Se llaman catalizadores. Aceleran la reacción química al reducir la energía de activación que aumenta el número de colisiones exitosas.
Para explicar cómo funciona, utilizaré la producción de amoníaco (NH3) a partir de nitrógeno (N2) e hidrógeno (H2). Los átomos y las moléculas dentro del líquido o gas se mueven con una energía cinética particular. Una porción de estas moléculas chocan entre sí. La energía cinética de la molécula se transfiere a la energía de colisión. Las moléculas como el nitrógeno tienen una energía de enlace de 946 kJ / mol.
En el caso de esta reacción, N2 + H2 -> NH3, se forman muchos intermedios y hay energía asociada para pasar entre la etapa de transición (ver figura a continuación).
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Dado que cada molécula en el gas se mueve a una velocidad diferente (por lo tanto, variación de la energía cinética), podemos trazar una distribución de frecuencia para las moléculas con diferente energía cinética (como se muestra en la figura a continuación). Solo las moléculas que tienen energía por encima del umbral de energía experimentarán una reacción exitosa. En la producción de NH3, necesita un umbral de energía de 100 kcal / mol.
Entonces, ¿puede cambiar el valor umbral de energía? Si tiene una reacción que progresa en una vía alternativa (que involucra intermedios diferentes a los representados en el diagrama anterior). En el caso de N2, se puede introducir hierro porque el N2 puede adsorberse en la superficie del hierro y formar intermedios de nitrógeno y hierro. La producción de NH3 usando en presencia de hierro requiere solo 25 kcal / mol (en oposición a 100 kcal / mol sin hierro). Otros metales como el vanadio también pueden formar nitrógeno-metal intermedio. Pero la fuerza del enlace nitrógeno-vanadio es más fuerte que el enlace nitrógeno-hierro. La producción de NH3 en presencia de vanadio requiere 106 kcal / mol (más que sin ningún metal).
¿Cómo se ve en el diagrama de curva de distribución? Podemos ver el desplazamiento de la energía del umbral hacia la izquierda (a una energía de colisión más baja). Dado que esta región se compone de más moléculas que colisionan con suficiente energía. Vemos una mayor tasa de producción de NH3.
¿Cómo calcular la velocidad de reacción? Svante Arrhenius ha formulado la constante de Arrhenius (ecuación a continuación) al introducir un concepto llamado energía de activación. La energía de activación es diferente de la energía umbral.
La energía de activación se ve en un gráfico que representa el nivel de energía (como se muestra a continuación)
Para la reacción con el catalizador, la energía de activación es menor.
Pero en el caso de la producción de NH3, la reacción es reversible. Lo que significa que hay reacciones hacia adelante y hacia atrás. De ahí que exista la cinética para ambos. Para dar una explicación más larga, hay suficientes moléculas de NH3 que están colisionando entre sí para dar intermedios que están involucrados en la producción de N2 y H2. Si la reacción hacia atrás es significativa, puede obtener una tasa más lenta de producción de la molécula de salida final.
Puede escribir la expresión para la tasa de cambio de cada especie involucrada de la siguiente manera
Si está interesado en la composición de equilibrio (en lugar de la velocidad), puede reorganizar la ecuación anterior igualando la reacción hacia adelante para que sea igual a la reacción hacia atrás. Puede derivar una nueva constante de equilibrio.
LECTURA INTERESANTE:-
[1] http://vallance.chem.ox.ac.uk/pd…
[2] Joseph Johannes Franciscus Scholten, Quimisorción de nitrógeno en catalizadores de hierro en relación con la síntesis de amoníaco.
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