Решение задачи: Влияние температуры на экзотермическую реакцию

Задача:

Если протекает необратимая экзотермическая реакция, то повышение температуры приводит:

Выберите один ответ:

1. к увеличению равновесной степени превращения реагента
2. к уменьшению равновесной степени превращения реагента
3. к увеличению скорости реакции
4. к уменьшению скорости реакции

Решение:

Для решения этой задачи нам нужно вспомнить основные принципы химической кинетики и термодинамики.

1. Что такое экзотермическая реакция?

Экзотермическая реакция – это химическая реакция, которая сопровождается выделением теплоты в окружающую среду. То есть, в ходе такой реакции энергия системы уменьшается, а окружающая среда нагревается.

Пример: горение метана \( \text{CH}_4 + 2\text{O}_2 \rightarrow \text{CO}_2 + 2\text{H}_2\text{O} + \text{тепло} \).

2. Что такое необратимая реакция?

Необратимая реакция – это реакция, которая протекает только в одном направлении, до полного расходования одного из реагентов или до достижения практического завершения. В отличие от обратимых реакций, для необратимых реакций понятие "равновесной степени превращения" не имеет смысла, так как равновесие не устанавливается.

3. Как температура влияет на скорость реакции?

Согласно правилу Вант-Гоффа, при повышении температуры на каждые 10 градусов Цельсия скорость большинства химических реакций увеличивается в 2-4 раза. Это связано с тем, что при повышении температуры увеличивается кинетическая энергия молекул, что приводит к увеличению числа эффективных столкновений между ними и, как следствие, к увеличению скорости реакции.

Математически зависимость скорости реакции от температуры описывается уравнением Аррениуса:

где:

• \( k \) – константа скорости реакции;
• \( A \) – предэкспоненциальный множитель (фактор частоты);
• \( E_a \) – энергия активации;
• \( R \) – универсальная газовая постоянная;
• \( T \) – абсолютная температура (в Кельвинах).

Из этого уравнения видно, что с увеличением температуры \( T \) значение \( -\frac{E_a}{RT} \) становится менее отрицательным, а значит, \( e^{-\frac{E_a}{RT}} \) увеличивается, что приводит к увеличению константы скорости \( k \) и, соответственно, скорости реакции.

Анализ вариантов ответа:

• Варианты 1 и 2 (про равновесную степень превращения): Поскольку реакция необратимая, понятие равновесия к ней неприменимо. Поэтому эти варианты неверны.
• Вариант 3 (к увеличению скорости реакции): Как мы выяснили, повышение температуры всегда приводит к увеличению скорости химической реакции, независимо от того, является ли она экзотермической или эндотермической, обратимой или необратимой.
• Вариант 4 (к уменьшению скорости реакции): Этот вариант противоречит правилу Вант-Гоффа и уравнению Аррениуса.

Вывод:

Повышение температуры всегда приводит к увеличению скорости химической реакции.

Правильный ответ:

3. к увеличению скорости реакции