§ 15. Скорость химической реакции

Определения и обозначения

Скорость химической реакции — изменение концентрации реагента или продукта за единицу времени. Её обозначают v и обычно измеряют в моль/(л·с). Понятие нужно, чтобы количественно сравнивать быстро и медленно протекающие реакции.

Средняя скорость реакции — отношение изменения концентрации вещества к промежутку времени: v = Δc/Δt. Если рассматривают расходование реагента, используют модуль: v = |Δc|/Δt, чтобы получить положительное значение. Такая формула показывает результат не в один момент, а за выбранный интервал.

Гомогенная реакция протекает в одной фазе, например только в растворе или только в газовой смеси. Для неё скорость связывают с изменением концентрации веществ. Это позволяет применять единую формулу, когда все реагенты находятся в одной среде.

Катализатор — вещество, изменяющее скорость реакции и не расходующееся в результате реакции. Он нужен для управления процессом: чаще всего позволяет ускорить его при более мягких условиях. При этом катализатор не становится основным продуктом реакции.

Как это устроено

Реакция начинается не от любого столкновения частиц, а только от эффективного. Частицы должны встретиться, иметь достаточную энергию и подходящую ориентацию. Чем больше эффективных столкновений происходит за единицу времени, тем выше скорость реакции.

При увеличении концентрации в том же объёме становится больше частиц реагента. Поэтому они чаще сталкиваются друг с другом, и число эффективных столкновений обычно возрастает. По этой причине повышение концентрации чаще всего ускоряет реакцию, хотя точная зависимость определяется её механизмом.

Нагревание увеличивает среднюю скорость движения частиц, но главное — повышает долю частиц с энергией, достаточной для начала реакции. Поэтому эффективных столкновений становится значительно больше. Для приблизительной оценки используют правило Вант-Гоффа: при повышении температуры на 10 °C скорость возрастает в γ раз, то есть v₂/v₁ = γⁿ, где n — число десятиградусных интервалов.

Катализатор предлагает реакции другой путь, для которого требуется меньшая энергия активации. Энергия активации — минимальная энергия, необходимая частицам для превращения в продукты. Катализатор ускоряет прямую и обратную реакции, поэтому не изменяет положение химического равновесия, а лишь помогает быстрее его достичь.

В гетерогенной реакции вещества находятся в разных фазах, например твёрдое вещество соприкасается с раствором. Реакция идёт главным образом на границе раздела, поэтому увеличение площади контакта повышает число доступных столкновений. Измельчение твёрдого реагента обычно ускоряет процесс: порошок реагирует быстрее крупного куска той же массы.

Факторы, влияющие на скорость химической реакции

Сначала определите, какой фактор изменился, а затем установите, как он влияет на столкновения частиц или энергетический барьер. Для газов вместо концентрации часто рассматривают давление, поскольку при его увеличении частицы сближаются. Если меняются сразу два условия, их влияние нужно анализировать отдельно и затем объединять.

Таблица описывает общие закономерности, поэтому слово «обычно» имеет значение. Реальная скорость зависит от уравнения реакции и её механизма. Нельзя автоматически считать, что одинаковое изменение любого фактора даст одинаковый результат для всех веществ.

Разбор задач

1. Средняя скорость по изменению концентрации

Концентрация вещества уменьшилась с 0,80 до 0,20 моль/л за 30 с. Нужно найти среднюю скорость исчезновения реагента. Для реагента берём положительный модуль изменения концентрации.

1. Находим изменение концентрации: Δc = 0,20 − 0,80 = −0,60 моль/л.
2. Берём модуль: |Δc| = 0,60 моль/л, потому что скорость выражают положительным числом.
3. Подставляем данные: v = |Δc|/Δt = 0,60/30 = 0,02 моль/(л·с).

Ответ: средняя скорость равна 0,02 моль/(л·с). Знак минус в изменении концентрации показывает расходование вещества, но не записывается в окончательном значении скорости исчезновения. Единицы получаются делением моль/л на секунды.

2. Влияние температуры

Температура повысилась с 20 до 50 °C, а температурный коэффициент γ равен 2. Нужно определить, во сколько раз изменится скорость. Используем правило Вант-Гоффа для интервалов по 10 °C.

1. Находим изменение температуры: 50 − 20 = 30 °C.
2. Определяем число интервалов: n = 30/10 = 3.
3. Применяем формулу: v₂/v₁ = γⁿ = 2³ = 8.

Ответ: скорость увеличится в 8 раз. Мы не подставляем сами значения температур в градусах Цельсия, поскольку правило использует число десятиградусных повышений. Расчёт является оценочным и применим при известном температурном коэффициенте.

3. Цинк, кислота и условия реакции

Сравним цинк в виде гранул и порошка, а также растворы соляной кислоты разной концентрации. Реакция цинка с кислотой идёт на поверхности металла, поэтому здесь одновременно действуют площадь поверхности и концентрация реагента. Нужно рассмотреть каждый фактор, не смешивая их причины.

1. При одинаковой массе порошок имеет большую суммарную поверхность, чем гранулы, поэтому его реакция с кислотой идёт быстрее.
2. При одинаковой форме цинка более концентрированная соляная кислота содержит больше частиц кислоты в единице объёма.
3. Более частые столкновения частиц кислоты с поверхностью цинка увеличивают число эффективных столкновений, а значит, повышают скорость выделения водорода.

Ответ: порошок цинка реагирует быстрее гранул, а более концентрированная кислота — быстрее разбавленной при прочих равных условиях. Если изменить оба фактора одновременно, скорость возрастёт под их совместным влиянием. Сравнивать результаты корректно можно только при указании, какие остальные условия остаются одинаковыми.

Типичные ошибки

Путают скорость реакции с изменением концентрации. Ошибка возникает, когда забывают разделить изменение на время. Проверьте себя: в формуле обязательно должно быть Δt, а единицы должны содержать секунду или другую единицу времени.

Не учитывают знак изменения концентрации реагента. Отрицательное Δc означает уменьшение концентрации, а не отрицательную физическую скорость исчезновения. Проверьте, взят ли модуль или записана скорость как положительная величина.

Применяют правило Вант-Гоффа к любому нагреванию без температурного коэффициента и числа интервалов. Нельзя просто возвести температуру в степень или умножить скорость на число градусов. Сначала найдите n = ΔT/10 и используйте формулу v₂/v₁ = γⁿ.

Считают катализатор расходуемым веществом или полагают, что он меняет равновесие. Такое представление появляется из-за того, что катализатор участвует в промежуточных стадиях механизма. Проверьте себя: катализатор в итоге не расходуется и ускоряет установление равновесия, но не изменяет его положение.

Связь с другими темами

Для изучения скорости нужны формула концентрации вещества, её единицы измерения, строение вещества и умение читать химическое уравнение. Эти знания позволяют понимать, что именно изменяется и какие частицы сталкиваются.

Тема связана с химическим равновесием и принципом Ле Шателье, а также помогает выбирать условия промышленных процессов. Понятие катализатора понадобится при изучении ферментов, производства аммиака и серной кислоты, а также нефтехимии.

Что запомнить

• Скорость реакции показывает, как быстро изменяется концентрация вещества.
• Средняя скорость равна изменению концентрации, делённому на время.
• Чем выше концентрация реагентов, тем обычно выше скорость реакции.
• Повышение температуры обычно ускоряет химическую реакцию.
• Катализатор изменяет скорость реакции, но не расходуется и не смещает равновесие.
• В гетерогенной реакции увеличение площади поверхности контакта ускоряет процесс.
• Скорость реакции зависит от природы веществ и условий проведения реакции.