问题

为什么温度升高会使放热反应速率加快?

回答
这个问题很有意思,咱们这就掰开了揉碎了聊聊,为什么这温度一升高,不少化学反应就跟打了鸡血似的,跑得贼快。

首先得明白,化学反应发生,那不是说你把东西往一块儿一扔,它就自觉地变成另一模样了。这事儿得有个“门槛”,这个门槛就是“活化能”。你可以把活化能理解为,让反应物分子“捅破窗户纸”,变成产物分子所需的最小能量。就像你想从平地走到山顶,得先翻过那座山,这座山就是活化能。

1. 分子运动更“癫狂”了:

想象一下,在一锅汤里,里面的水分子、盐分子、糖分子等等,都在不停地晃悠、碰撞。当温度升高时,这帮分子就像突然喝了咖啡一样,运动得更剧烈了,速度也更快了。它们动得越快,碰撞的次数就越多,而且碰撞的能量也更高。

碰撞频率增加: 跑得快的,撞一块儿的几率自然就大了。单位时间内,反应物分子相互碰撞的总次数多了,这为反应提供了更多的“碰面”机会。
碰撞有效性增加: 但光是碰撞还不行,得是“有效碰撞”才能产生反应。啥叫有效碰撞?就是碰撞的时候,能量足够,而且碰撞的方式也对,能让旧的化学键断开,新的化学键形成。温度升高,分子能量普遍提高,这意味着有更多分子拥有超过活化能的能量。就像你扔一个球,想让它越过墙,温度升高就像是你给这个球加了更多力气,让它有更大几率撞到墙并越过去。

2. 越过“活化能”门槛的分子多了:

这才是关键。我们知道,虽然分子的平均动能随着温度升高而增加,但并不是所有分子都有一样的能量。存在一个能量分布,有些分子能量很高,有些则很低。

麦克斯韦玻尔兹曼分布: 这个分布曲线就像是一个“能量地图”,告诉你不同能量的分子占多大比例。当温度升高时,这个分布曲线会向高能方向移动,并且变得更“平缓”。这意味着,原来能量比较低的分子,现在能量也变高了;而原来就能量比较高的分子,现在能量更是高得惊人。
“翻山越岭”的分子比例剧增: 关键在于,能“越过活化能”这个山峰的分子比例,随着温度的升高,会不成比例地增加。即使是提高一点点温度,都能让本来只有少数几个分子有足够能量去反应,变成一大批分子都能轻松“翻山”。这个增加的幅度,往往比分子运动速度增加的幅度要显著得多。

3. 催化剂的“热情”也更高了(间接影响):

对于有些反应,如果我们使用了催化剂,催化剂的作用就是降低反应的活化能。温度升高,不仅让更多的反应物分子拥有足够的能量去反应,也让它们更有能力“利用”催化剂的帮助,或者说,催化剂在高温下可能更“活跃”。虽然这不是直接原因,但也是一个协同作用。

总结一下,为什么温度升高会加快放热反应速率?

放热反应也是化学反应,所以也受活化能的限制。温度升高,就好比给反应环境注入了更多的能量:

分子运动“加班加点”: 分子碰撞的次数和力度都变大了。
“精英分子”数量爆炸性增长: 拥有足够能量(超过活化能)去发生有效碰撞的分子比例,比你想象的增加得要多得多。

就像一场聚会,平时大家都在小声聊天(低温度),声音都不大,没人能听清别人说话(反应慢)。温度一升,大家开始兴奋地跳舞、大喊(高温度),碰撞和交流的机会自然就多了,而且能真正“聊到一块儿”的人也多了(有效碰撞)。

所以,温度升高,本质上就是让更多的反应物分子获得了“推开对方,重新组合”所需的能量,让反应的“门槛”变得更容易跨越。对于放热反应来说,虽然它本身会放出热量,但外部温度的升高仍然是加速其进行的重要因素,原因就在于此。

网友意见

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这个问题中有太多太多的槽点,我来一个一个地说明。

  1. 热力学 动力学。勒夏特列原理是针对反应平衡的——也就是热力学;反应速率是针对动力学的。如果我们假设按照高中化学的理解,温度升高时反应速率一定加快(反例我将在2.中讨论),那么对于一个平衡反应 ,如果这是一个放热的基元反应的话

正向反应速率就是

逆向反应速率就是

最终达到平衡时,C、D的浓度分别为 和 ,则有平衡常数 ,也就是 ;

根据阿伦尼乌斯方程(基元反应的反应速率常数与温度的关系), , 其中A是指前因子——是个正的常数, 是活化能(对于基元反应必定大于0), 是玻尔兹曼常数,T是温度。由此可见,随着温度的升高, 一定是增大的——也就是说 和 一定都是变大的。——也就是说,随着反应温度的升高,无论是正向反应,还是逆向反应,反应速率都会变快。

那么如何解释放热过程对平衡的影响呢?一个放热过程,就是反应物的能量比产物的要高;而从能级中我们也可以看出,在这种情况下,正向反应的活化能 比逆向反应的活化能 要小。

那么我们对阿伦尼乌斯方程进行求导会得到 . 也就是说,活化能 越大,则 受温度的影响也越大。那么,对于一个放热反应,逆向反应的活化能更大,那么逆向反应速率增加的倍数将比正向反应的更大,这也是为什么根据勒夏特列原理,平衡将会逆向移动。

而因为无论正向还是逆向反应的速率都更快了,所以反应是会更快地达到平衡状态的。

2. 如果你是高中生的话,请不要阅读第2部分,因为它会影响你高考答题。

实际上并不是所有的反应,其反应速率都会随着温度的升高而加快。绝大多数的反应并不是基元反应,因此也不一定会符合阿伦尼乌斯方程。实际上反应速率与温度的关系一共有五种,具体的(包括每一种情况的解释)可以阅读我的这个回答

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