Номер 8, страница 83 - гдз по химии 11 класс учебник Мычко, Прохоревич

8. Объясните, почему молекулы водорода и фтора вступают во взаимодействие мгновенно, а для взаимодействия молекул водорода и азота нужны высокие температура и давление.

Различие в скорости и условиях протекания этих двух реакций объясняется фундаментальным фактором в химической кинетике — энергией активации. Энергия активации — это минимальная энергия, которую необходимо сообщить реагирующим частицам, чтобы их столкновение привело к химическому превращению. Величина энергии активации напрямую связана с прочностью химических связей, которые необходимо разорвать в молекулах исходных веществ.

Взаимодействие водорода ($H_2$) и фтора ($F_2$)

Реакция $H_2 + F_2 \rightarrow 2HF$ характеризуется чрезвычайно низкой энергией активации. Ключевая причина этого кроется в строении молекулы фтора. Атомы в молекуле $F_2$ связаны одинарной ковалентной связью ($F-F$), которая является аномально слабой. Ее энергия разрыва составляет всего $159 \text{ кДж/моль}$. Такая низкая прочность обусловлена сильным электростатическим отталкиванием неподеленных электронных пар двух маленьких и высокоэлектроотрицательных атомов фтора. Поскольку для разрыва этой связи требуется очень мало энергии, реакция легко инициируется, протекает по цепному механизму и носит взрывной характер даже при низких температурах или на свету.

Взаимодействие водорода ($H_2$) и азота ($N_2$)

В отличие от предыдущей, реакция синтеза аммиака $N_2 + 3H_2 \rightleftharpoons 2NH_3$ имеет очень высокую энергию активации. Это связано с исключительной прочностью тройной связи в молекуле азота ($N \equiv N$). Энергия разрыва этой связи огромна — около $945 \text{ кДж/моль}$. Молекула $N_2$ является одной из самых инертных двухатомных молекул. При обычных условиях у сталкивающихся молекул водорода и азота недостаточно кинетической энергии, чтобы преодолеть этот высокий энергетический барьер и разорвать прочнейшую тройную связь. Поэтому для осуществления реакции требуются жесткие условия: высокая температура (400–500 °C) для сообщения молекулам необходимой энергии, высокое давление (сотни атмосфер) для увеличения частоты их столкновений, а также катализатор для снижения самой энергии активации.

Ответ: Реакция между водородом и фтором протекает мгновенно, так как энергия активации этой реакции очень низка из-за слабой химической связи в молекуле фтора ($F_2$). Напротив, для взаимодействия водорода и азота необходимы высокие температура и давление, потому что энергия активации этой реакции чрезвычайно высока из-за необходимости разрыва очень прочной тройной связи в молекуле азота ($N_2$).