"Химия. Базовый уровень", Габриелян О.С.
Скорость химической реакции показывает, как быстро расходуются реагенты или образуются продукты. Её определяют по изменению концентрации за промежуток времени, поэтому для расчёта нужны данные о концентрации и времени. Скорость зависит от природы веществ, концентрации, температуры, площади соприкосновения фаз и катализатора. Понимание этих факторов помогает объяснять ход реакций и выбирать условия для их проведения.
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 рассчитывают как отношение изменения концентрации Δc к промежутку времени Δt: vср = Δc/Δt для продукта и vср = −Δc/Δt для реагента. Знак минус учитывает, что концентрация реагента уменьшается, а сама скорость обычно указывается положительной. Такая величина позволяет сравнивать, насколько быстро протекают разные реакции.
Средняя скорость реакции — изменение концентрации за выбранный промежуток времени, делённое на длительность этого промежутка. Например, если концентрация изменилась за 10 секунд, находят её разность между началом и концом опыта и делят на 10 с. Среднее значение характеризует весь выбранный отрезок, а не отдельный момент. Оно удобно, когда известны только начальные и конечные измерения.
Гомогенная реакция — реакция между веществами, находящимися в одной фазе, например между газами или веществами в растворе. В таких условиях реагенты распределены в общем объёме, поэтому скорость характеризуют изменением концентрации во всём объёме системы. Для расчётов сравнивают концентрацию вещества в разные моменты времени. Это помогает оценить, как быстро идёт превращение в смеси.
Гетерогенная реакция — реакция между веществами, находящимися в разных фазах, например твёрдым веществом и газом. Превращение происходит там, где фазы соприкасаются, поэтому скорость зависит от площади этой поверхности. Чем больше доступная площадь, тем больше частиц могут встретиться на границе фаз. Это понятие объясняет, почему измельчение твёрдого реагента часто ускоряет реакцию.
Частицы веществ постоянно движутся и сталкиваются, но столкновение само по себе ещё не означает реакцию. Чтобы произошёл разрыв старых связей и образование новых, частицам нужно сблизиться подходящим образом и получить достаточную энергию. Такие столкновения называют эффективными. Чем больше их происходит за единицу времени, тем быстрее меняется состав смеси.
Среднюю скорость находят, сравнивая концентрацию вещества в начале и конце выбранного промежутка. Для продукта разность конечной и начальной концентраций положительна, поэтому её делят на время. Для реагента конечная концентрация меньше начальной: чтобы получить положительную скорость, берут минус перед изменением или используют модуль убыли. Например, уменьшение концентрации на 0,30 моль/л за 15 с означает скорость расходования 0,30/15 моль/(л·с).
Природа реагирующих веществ определяет, насколько легко перестраиваются их частицы и связи, поэтому разные вещества могут реагировать с разной скоростью. При увеличении концентрации в том же объёме становится больше частиц реагента. Они чаще сталкиваются друг с другом, а значит, за то же время возрастает число возможных эффективных столкновений. Поэтому повышение концентрации обычно ускоряет реакцию.
При нагревании частицы движутся быстрее и чаще сталкиваются, но особенно важно, что большая их доля приобретает энергию, достаточную для реакции. Для приблизительной оценки используют правило Вант-Гоффа: при повышении температуры на каждые 10 °C скорость возрастает примерно в γ раз, где γ — температурный коэффициент. Если температура изменилась на n таких интервалов, отношение скоростей оценивают как v₂/v₁ = γⁿ. Это приближённое правило, а не точный закон для любых условий.
В гетерогенной реакции измельчение твёрдого реагента открывает большую площадь для контакта с другой фазой. На этой границе за то же время может столкнуться больше частиц, поэтому реакция обычно ускоряется. Катализатор влияет на скорость иначе: он создаёт путь реакции с меньшим энергетическим барьером. В ходе промежуточных стадий катализатор участвует, но в итоге восстанавливается и не расходуется.
| Фактор | Как влияет на скорость | Объяснение |
|---|---|---|
| Природа реагирующих веществ | Может ускорять или замедлять реакцию | Вещества различаются строением частиц и прочностью связей. |
| Концентрация реагентов | Обычно при увеличении концентрации скорость растёт | В единице объёма больше частиц, поэтому чаще происходят столкновения. |
| Температура | Повышение температуры обычно ускоряет реакцию | Возрастает доля частиц с энергией, достаточной для реакции. |
| Площадь поверхности твёрдого реагента | Увеличение площади обычно ускоряет гетерогенную реакцию | Больше частиц может соприкоснуться с другой фазой. |
| Катализатор | Может ускорить или замедлить реакцию | Изменяет путь реакции и энергетический барьер, не расходуясь в итоге. |
Чтобы пользоваться таблицей, сначала определите, какой фактор изменили, а затем сопоставьте его с типом реакции. Например, площадь поверхности особенно важна, если один из реагентов — твёрдое вещество и процесс идёт на границе фаз. Таблица показывает общие закономерности: реальные условия и сочетание факторов тоже могут влиять на скорость.
Концентрация реагента уменьшилась с 0,80 до 0,50 моль/л за 10 с. Найдём среднюю скорость реакции по этому реагенту. Поскольку вещество расходуется, его изменение концентрации отрицательно, но скорость запишем положительной. Используем отношение убыли концентрации ко времени.
Ответ: средняя скорость реакции по реагенту равна 0,030 моль/(л·с). Знак минус в формуле нужен не для того, чтобы скорость стала отрицательной, а для учёта убывания концентрации. Если использовать модуль убыли, результат будет тем же.
При повышении температуры на 20 °C температурный коэффициент равен 2. Требуется определить, во сколько раз изменится скорость. Правило Вант-Гоффа применяется отдельно к каждому интервалу в 10 °C. Поэтому сначала считаем число интервалов, а затем возводим коэффициент в соответствующую степень.
Ответ: скорость увеличится примерно в 4 раза. Это оценка по правилу Вант-Гоффа, а не точное значение для любой реакции. Нельзя умножать коэффициент 2 на 20: он относится к каждому повышению на 10 °C.
Для реакции A + 2B → C концентрация A за 15 с уменьшилась на 0,30 моль/л. Нужно найти скорость реакции и изменение концентрации B. Коэффициент перед B равен 2, поэтому B расходуется вдвое сильнее, чем A, за тот же промежуток. Сначала определим скорость превращения, затем свяжем изменения веществ по уравнению.
Ответ: средняя скорость реакции равна 0,020 моль/(л·с), концентрация B уменьшилась на 0,60 моль/л. Скорость расходования B равна 0,040 моль/(л·с), то есть отличается от скорости реакции из-за коэффициента 2. Это различие важно: скорость реакции соотносят с изменением каждого вещества с учётом его стехиометрического коэффициента.
Ошибка — считать скоростью одно только изменение концентрации, например 0,30 моль/л. Так делают, когда упускают, что скорость показывает изменение именно за единицу времени. Проверьте себя: в расчёте обязательно должно быть деление на Δt. Единицы результата должны включать и концентрацию, и время, например моль/(л·с).
При расчёте по реагенту можно забыть, что его концентрация убывает, и получить отрицательную скорость. Обычно это происходит, если механически вычитают начальную концентрацию из конечной и не учитывают выбранное соглашение о знаке. Запишите формулу vср = −Δc/Δt для реагента или возьмите модуль убыли. Проверка проста: если речь идёт о скорости протекания реакции, ответ должен быть положительным.
В правиле Вант-Гоффа иногда используют изменение температуры как показатель степени, хотя коэффициент относится к интервалу 10 °C. Причина ошибки — пропуск промежуточного шага. Сначала найдите n = ΔT/10 °C, а уже затем вычислите γⁿ. Например, для повышения на 20 °C показатель равен двум, а не двадцати.
Можно ошибочно считать, что измельчение любого вещества одинаково влияет на скорость. Увеличение площади поверхности важно прежде всего для гетерогенной реакции с твёрдым реагентом, потому что реакция идёт на границе фаз. Для однородного раствора простое измельчение не создаёт такой границы. Проверьте, есть ли в задаче твёрдая фаза и соприкасается ли она с другим реагентом.
Для изучения скорости реакции нужны понятия концентрации раствора, химического уравнения и стехиометрических коэффициентов. Концентрация позволяет количественно описывать состав смеси, а коэффициенты уравнения связывают изменения количеств реагентов и продуктов. Позднее скорость прямой и обратной реакций поможет понять установление химического равновесия. На практике знание факторов скорости используют, выбирая условия проведения реакций в лаборатории и химическом производстве.
Почему скорость реакции можно находить и по реагенту, и по продукту?
Во время реакции концентрация реагентов уменьшается, а продуктов — увеличивается. Их изменения связаны уравнением реакции и стехиометрическими коэффициентами, поэтому по любому из этих веществ можно определить скорость.
Почему скорость реакции обычно возрастает при повышении температуры?
При нагревании частицы движутся быстрее и чаще сталкиваются. Кроме того, увеличивается доля столкновений, энергии которых достаточно для реакции.
Как определить, во сколько раз изменится скорость по правилу Вант-Гоффа?
Нужно разделить изменение температуры на 10 °C и получить число десятиградусных интервалов. Затем температурный коэффициент γ возвести в степень, равную этому числу: v₂/v₁ = γⁿ.
Почему порошок реагирует быстрее, чем кусок того же вещества?
У порошка больше суммарная площадь поверхности, доступная для соприкосновения с другими реагентами. Поэтому за одно и то же время на поверхности может произойти больше эффективных столкновений.
Расходуется ли катализатор во время реакции?
Катализатор изменяет скорость реакции, но в итоге не расходуется. Он участвует в промежуточных стадиях процесса и восстанавливается к его завершению.
§ 15. Скорость химической реакции
