"Химия. Базовый и углублённый уровни", Савинкина Е.В., Логинова Г.П.; под ред. Вахрушева А.А.
Скорость химической реакции показывает, как быстро расходуются реагенты и образуются продукты. Её определяют по изменению концентрации за время, поэтому она помогает сравнивать реакции и рассчитывать, сколько вещества превращается за выбранный промежуток. Скорость обычно меняется по мере протекания процесса. На неё влияют концентрация, температура, давление газов, площадь поверхности твёрдых веществ и катализатор; объяснение этих факторов связано со столкновениями частиц.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Скорость химической реакции — изменение концентрации реагента или продукта за единицу времени. Её обозначают v и обычно выражают в моль/(л·с), если концентрацию измеряют в моль/л, а время — в секундах. Эта величина показывает, насколько быстро меняется состав реакционной смеси. По ней можно сравнивать реакции и описывать, как быстро идёт превращение.
Средняя скорость реакции — изменение концентрации за выбранный промежуток времени: vср = Δc/Δt, где Δc — изменение концентрации, а Δt — длительность промежутка. Для реагента скорость расходования записывают со знаком минус: vср = −Δc/Δt. Средняя скорость зависит от границ интервала, потому что в разные моменты концентрация и ход реакции могут меняться неодинаково. Поэтому всегда нужно указывать, за какое время сделан расчёт.
Мгновенная скорость реакции — скорость в конкретный момент времени. На графике зависимости концентрации от времени её определяют по наклону касательной, проведённой к кривой в нужной точке. Чем круче касательная, тем больше модуль скорости изменения концентрации. Для реагента с убывающей концентрацией наклон отрицательный, а скорость расходования при этом указывают положительной.
Эффективное столкновение — столкновение частиц, которое приводит к химическому превращению. Для этого частицы должны обладать достаточной энергией, чтобы преодолеть энергетический барьер реакции, и столкнуться в подходящей ориентации. Большинство столкновений не обязательно эффективны: частицы могут разлететься, не вступив в реакцию. Это понятие помогает объяснить, почему скорость зависит от условий.
Когда реагенты превращаются в продукты, концентрации обычно изменяются в противоположных направлениях: реагентов становится меньше, продуктов — больше. Поэтому скорость можно находить по концентрации любого вещества, но нужно учитывать знак изменения. Убывание концентрации реагента даёт отрицательное Δc, а рост концентрации продукта — положительное. Чтобы получить положительную скорость расходования реагента, используют −Δc/Δt, а для образования продукта — Δc/Δt.
В уравнении реакции коэффициенты задают соотношение, в котором расходуются реагенты и образуются продукты. Например, в реакции A + 2B → C на каждую израсходованную частицу A расходуются две частицы B. Поэтому за один и тот же промежуток уменьшение концентрации B вдвое больше уменьшения концентрации A, если сравнивать их изменения в согласованных единицах. Скорость самой реакции нормируют на коэффициенты: v = −Δ[A]/Δt = −(1/2)Δ[B]/Δt = Δ[C]/Δt.
Скорость обычно не остаётся постоянной, потому что состав смеси меняется со временем. По мере расходования реагентов их частицы встречаются реже, и число столкновений, способных привести к превращению, обычно снижается. Из-за этого за одинаковые промежутки времени концентрации могут изменяться на разные величины. На графике это проявляется изменением наклона кривой: например, кривая реагента постепенно становится более пологой.
В гомогенной реакции реагирующие вещества находятся в одной фазе — например, все растворены в жидкости или являются газами. Частицы могут перемещаться и сталкиваться во всём объёме этой фазы. В гетерогенной реакции вещества находятся в разных фазах, а превращение идёт на их границе раздела. Поэтому для твёрдого реагента значение имеет площадь поверхности, которая соприкасается с другой фазой: большая площадь даёт больше доступных мест для столкновений.
Факторы влияют на скорость, меняя частоту столкновений или долю столкновений, которые становятся эффективными. Повышение концентрации обычно сближает частицы в объёме, а увеличение давления газа при неизменной температуре повышает его концентрацию. Нагревание увеличивает энергию частиц, поэтому большая их доля может преодолеть энергетический барьер. Катализатор предлагает иной путь реакции с меньшим барьером и ускоряет превращение, не расходуясь в общем уравнении.
| Фактор | Как влияет на скорость | Объяснение |
|---|---|---|
| Концентрация реагентов | Обычно увеличение концентрации ускоряет реакцию. | В единице объёма становится больше частиц, поэтому чаще происходят столкновения. |
| Давление газообразных реагентов | При повышении давления скорость обычно возрастает. | При сжатии газа увеличивается его концентрация и частота столкновений частиц. |
| Температура | Повышение температуры обычно ускоряет реакцию. | Частицы движутся быстрее, а доля частиц с достаточной энергией становится больше. |
| Площадь поверхности твёрдого реагента | Увеличение площади контакта обычно ускоряет гетерогенную реакцию. | Больше частиц твёрдого вещества доступно для взаимодействия на границе фаз. |
| Катализатор | Обычно увеличивает скорость реакции. | Он предоставляет путь реакции с меньшим энергетическим барьером и не расходуется в общем процессе. |
Чтобы пользоваться таблицей, сначала определите, какие реагенты и фазы участвуют в реакции, а затем — какое условие изменили. В объяснении проследите, меняется ли частота столкновений или доля эффективных столкновений. Указанные тенденции типичны, но конкретный результат зависит от условий и механизма реакции.
Концентрация реагента за 20 с уменьшилась с 0,80 до 0,50 моль/л. Нужно найти среднюю скорость его расходования. Поскольку спрашивается скорость расходования, ответ должен быть положительным, хотя изменение концентрации отрицательно. Сначала найдём изменение, а затем используем его модуль.
Ответ: средняя скорость расходования равна 0,015 моль/(л·с). Отрицательное значение Δc подтверждает, что реагент расходовался, но в ответе скорость расходования указана положительной. Единицы получены делением моль/л на секунды.
В реакции A + 2B → C концентрация B за некоторый промежуток уменьшилась на 0,12 моль/л. Требуется определить изменение концентрации A и средние скорости расходования A и B. Коэффициент перед B вдвое больше коэффициента перед A, значит, B расходуется вдвое больше по изменению концентрации. Длительность промежутка не дана, поэтому численные значения скоростей найти нельзя, но можно выразить их через это время.
Ответ: концентрация A уменьшилась на 0,06 моль/л; скорости расходования равны 0,06/Δt и 0,12/Δt соответственно. Их численные значения зависят от длительности промежутка. Скорость реакции вдвое меньше скорости расходования B, поскольку коэффициент B равен двум.
По графику концентрации реагента от времени нужно сравнить среднюю скорость на двух интервалах и оценить мгновенную скорость в заданный момент. Среднюю скорость определяет наклон секущей — прямой, соединяющей точки графика на концах интервала. Для сравнения скоростей расходования используют модуль наклона. Мгновенную скорость находят по наклону касательной в нужной точке.
Ответ: на интервале 0–1 с средняя скорость больше, чем на интервале 3–5 с; оценки равны 0,28 и 0,075 моль/(л·с). Численное значение мгновенной скорости зависит от момента, указанного в задаче, и наклона касательной там. Если момент не задан или касательная не проведена, её можно оценить графически, но нельзя получить точное значение только по двум интервалам.
Первая ошибка — записать скорость расходования реагента отрицательной. Так бывает, когда значение Δc сразу принимают за скорость: концентрация действительно уменьшается, но скорость расходования принято выражать положительно. Проверьте направление изменения и используйте vрасх = −Δc/Δt или модуль Δc. При образовании продукта знак изменения концентрации, напротив, положительный.
Вторая ошибка — разделить изменение концентрации не на тот промежуток или забыть единицы. Например, время 20 с нельзя подменять одним значением концентрации или длительностью другого интервала. Перед расчётом отдельно выпишите начало и конец интервала, а затем найдите Δt. Проверьте единицы: моль/л, делённые на секунды, дают моль/(л·с).
Третья ошибка — считать, что скорость постоянна на протяжении реакции. Такое предположение может возникнуть, если в условии не приведены промежуточные данные или скорость найдена только один раз. Но концентрации реагентов меняются, и вместе с ними обычно меняется число эффективных столкновений. Для проверки сравните наклоны графика на разных участках или рассчитайте среднюю скорость для нескольких интервалов.
Четвёртая ошибка — считать влияние температуры или концентрации одинаковым для любых реакций. Обычно их повышение ускоряет многие реакции, но результат зависит от условий и механизма превращения. Не стоит переносить вывод с одного случая на другой без оговорок. Проверьте, какой фактор меняют, какие вещества участвуют и что именно требуется сравнить: скорость конкретной реакции или общую тенденцию.
Для расчётов скорости нужны понятия концентрации раствора и количества вещества: концентрация показывает, сколько вещества приходится на заданный объём. Уравнение реакции и его стехиометрические коэффициенты позволяют установить, в каких соотношениях расходуются реагенты и образуются продукты. Без этих знаний можно вычислить изменение концентрации, но сложнее связать его с превращением в целом. Поэтому полезно уверенно читать уравнения реакций и работать с единицами.
Знание скорости помогает понять, почему химическое равновесие устанавливается не мгновенно и как реагируют прямой и обратный процессы. Оно также лежит в основе химической кинетики — изучения скорости и механизмов реакций. Практическое применение связано с управлением химическими процессами: подбором температуры, концентрации, давления и катализатора. Так можно добиваться нужной скорости превращения в лаборатории и производстве.
Почему скорость реакции обычно меняется со временем?
По мере реакции концентрации реагентов обычно уменьшаются, поэтому частицы сталкиваются реже. Число столкновений, способных привести к превращению, тоже меняется, и скорость обычно становится другой.
Почему скорость расходования реагента записывают положительной, если его концентрация уменьшается?
Изменение концентрации реагента за время отрицательно: Δc/Δt < 0. Скорость расходования принято указывать как положительную величину, поэтому перед отношением ставят минус: v = −Δc/Δt.
Как найти скорость реакции по изменению концентрации?
Нужно разделить изменение концентрации на длительность выбранного промежутка времени. Для скорости расходования реагента берут модуль изменения или ставят перед отношением знак минус; результат выражают, например, в моль/(л·с).
Чем средняя скорость отличается от мгновенной?
Средняя скорость характеризует изменение концентрации за конечный промежуток времени. Мгновенная относится к определённому моменту и соответствует наклону касательной к графику концентрации от времени.
Почему измельчение твёрдого вещества может ускорить реакцию?
При измельчении увеличивается суммарная площадь поверхности твёрдого реагента. На границе раздела фаз становится доступно больше частиц, поэтому за то же время возможно больше эффективных столкновений.
§ 20. Скорость химической реакции
