Номер 5, страница 119 - гдз по химии 11 класс учебник Мычко, Прохоревич

5. Почему скорость большинства реакций возрастает при повышении температуры?

Скорость большинства химических реакций возрастает при повышении температуры, что объясняется с точки зрения теории столкновений и кинетической теории газов. Для того чтобы произошла химическая реакция, частицы реагентов (молекулы, атомы, ионы) должны столкнуться. Однако не каждое столкновение приводит к образованию продуктов. Столкновение должно быть эффективным.

Эффективность столкновения определяется двумя ключевыми факторами:

Энергия столкновения. Сталкивающиеся частицы должны обладать суммарной кинетической энергией, достаточной для преодоления энергетического барьера, который называется энергией активации ($E_a$). Энергия активации — это минимальная энергия, необходимая для разрыва старых химических связей и начала образования новых.

Ориентация частиц. Частицы должны столкнуться в определенной пространственной ориентации, благоприятной для перестройки химических связей.

Повышение температуры влияет на скорость реакции в основном через увеличение энергии частиц, что приводит к двум последствиям:

Увеличение частоты столкновений.

Температура является мерой средней кинетической энергии частиц. С ростом температуры частицы начинают двигаться хаотичнее и с большей скоростью. Это приводит к тому, что они сталкиваются друг с другом чаще. Увеличение частоты столкновений вносит свой вклад в ускорение реакции, но он является второстепенным.

Увеличение доли активных молекул (основной фактор).

Наиболее существенное влияние на скорость реакции оказывает изменение распределения частиц по энергиям. Согласно распределению Максвелла-Больцмана, в любой момент времени молекулы в системе имеют разную энергию. Только те молекулы, энергия которых равна или превышает энергию активации ($E \ge E_a$), способны вступить в реакцию при столкновении. Такие молекулы называют активными.

При повышении температуры средняя кинетическая энергия всех частиц растет. Важно то, что доля частиц, обладающих энергией, достаточной для преодоления активационного барьера, возрастает экспоненциально. Даже небольшое повышение температуры может в несколько раз увеличить количество активных молекул, что и является главной причиной резкого роста скорости реакции.

Эта зависимость математически выражается уравнением Аррениуса, которое связывает константу скорости реакции $k$ с температурой $T$:

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

где:

$k$ — константа скорости реакции,

$A$ — предэкспоненциальный множитель (учитывает общую частоту и стерический фактор столкновений),

$E_a$ — энергия активации (Дж/моль),

$R$ — универсальная газовая постоянная (8,314 Дж/(моль·К)),

$T$ — абсолютная температура (в Кельвинах).

Из уравнения видно, что с ростом $T$ показатель степени $(-\frac{E_a}{RT})$ становится менее отрицательным, а значит, экспоненциальный множитель $e^{-\frac{E_a}{RT}}$, отражающий долю эффективных столкновений, увеличивается. Это приводит к росту константы $k$ и, соответственно, скорости реакции.

Ответ:

Скорость большинства реакций возрастает при повышении температуры, потому что увеличивается средняя кинетическая энергия реагирующих частиц. Это приводит, во-первых, к увеличению частоты их столкновений, и, во-вторых, что более важно, к экспоненциальному росту доли "активных" частиц — тех, чья энергия достаточна для преодоления активационного барьера реакции ($E_a$). В результате резко увеличивается количество эффективных столкновений в единицу времени, что и вызывает ускорение реакции.