Проблема, страница 96 - гдз по химии 11 класс учебник Кузнецова, Левкин

Задания в параграфе. Параграф 13. Скорость химической реакции. Катализ. Глава 4. Химические реакции - страница 96.

Условие.

Проблема. Как и почему под влиянием температуры будет изменяться скорость химической реакции?

Решение.

Решение 2.

Решение

Зависимость скорости химической реакции от температуры является одним из фундаментальных принципов химической кинетики. В подавляющем большинстве случаев с повышением температуры скорость химической реакции значительно возрастает. Рассмотрим, как именно и почему это происходит.

То, как изменяется скорость, можно приблизительно описать эмпирическим правилом Вант-Гоффа. Оно гласит, что при повышении температуры на каждые 10 градусов Цельсия скорость многих реакций увеличивается в 2–4 раза. Математически это правило выражается формулой:

$v_{T_2} = v_{T_1} \cdot \gamma^{\frac{T_2 - T_1}{10}}$

где $v_{T_1}$ и $v_{T_2}$ — скорости реакции при начальной ($T_1$) и конечной ($T_2$) температурах, а $\gamma$ — температурный коэффициент скорости реакции, показывающий, во сколько раз увеличивается скорость при нагревании на 10°C.

Объяснение того, почему скорость так сильно зависит от температуры, дает теория активных столкновений. Согласно этой теории, для того чтобы произошла химическая реакция, частицы реагентов (молекулы, атомы, ионы) должны столкнуться друг с другом. Однако не каждое столкновение приводит к образованию продуктов. Столкновение должно быть эффективным, что требует соблюдения двух условий:

1. Энергетический фактор: сталкивающиеся частицы должны обладать достаточной кинетической энергией, чтобы преодолеть энергетический барьер. Минимальная избыточная энергия, которой должны обладать частицы для вступления в реакцию, называется энергией активации ($E_a$). Эта энергия идет на разрыв старых химических связей и создание переходного состояния (активированного комплекса).
2. Стерический (пространственный) фактор: частицы должны столкнуться в определенной взаимной ориентации, благоприятной для перестройки связей.

Температура является мерой средней кинетической энергии частиц в системе. При её повышении происходят два ключевых процесса:

• Частицы начинают двигаться быстрее, что приводит к увеличению общего числа столкновений в единицу времени. Этот фактор вносит свой вклад, но он не является основным.
• Самое главное: значительно возрастает доля частиц, обладающих энергией, равной или превышающей энергию активации ($E \geq E_a$). Эта зависимость носит экспоненциальный характер. Таким образом, даже небольшое повышение температуры приводит к резкому увеличению числа "активных" молекул, способных вступить в реакцию. Именно это является основной причиной сильного роста скорости реакции при нагревании.

Более фундаментальную и точную количественную связь между скоростью реакции (через константу скорости $k$), температурой и энергией активации описывает уравнение Аррениуса:

$k = A \cdot e^{-\frac{E_a}{RT}}$

где:

• $k$ – константа скорости реакции;
• $A$ – предэкспоненциальный множитель, учитывающий общее число столкновений и стерический фактор;
• $E_a$ – энергия активации (в Дж/моль);
• $R$ – универсальная газовая постоянная (8,314 Дж/(моль·К));
• $T$ – абсолютная температура (в Кельвинах).

Из этого уравнения видно, что поскольку температура $T$ находится в знаменателе отрицательного показателя степени, её увеличение вызывает экспоненциальный рост значения $e^{-\frac{E_a}{RT}}$ (этот множитель как раз и представляет долю активных молекул), а следовательно, и константы скорости $k$.

Ответ:

Скорость большинства химических реакций возрастает с повышением температуры. Это происходит потому, что при нагревании увеличивается средняя кинетическая энергия реагирующих частиц. В результате не только возрастает общая частота их столкновений, но и, что является главным фактором, экспоненциально увеличивается доля "активных" частиц, обладающих достаточной энергией (энергией активации) для осуществления эффективного столкновения и химического превращения. Количественно эта зависимость описывается уравнением Аррениуса.