"Химия. Базовый уровень", Кузнецова Н.Е., Лёвкин А.Н., Шаталов М.А.
Скорость химической реакции показывает, как быстро меняются концентрации реагентов и продуктов. Её измеряют изменением концентрации за единицу времени, а для практических расчётов часто находят среднее значение за выбранный промежуток. Скорость зависит от условий: обычно её повышают увеличение концентрации, температуры и площади поверхности твёрдого реагента. Катализатор меняет скорость, участвуя в промежуточных стадиях, но не расходуется в суммарной реакции и не смещает равновесие.
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 измеряют в моль/(л·с). Эта величина помогает сравнивать, насколько быстро протекают реакции или меняются условия процесса. Для реагента скорость расходования выражают положительным числом, хотя его концентрация уменьшается. Для продукта, напротив, учитывают увеличение концентрации.
Средняя скорость реакции — отношение изменения концентрации вещества к промежутку времени, за который это изменение произошло. Её находят по данным о концентрации в начале и конце выбранного интервала. Средняя скорость нужна, когда известны измерения за несколько секунд или минут, но нет сведений о том, как процесс шёл каждое мгновение. Поэтому она описывает весь интервал, а не одну точку времени.
Катализатор — вещество, которое изменяет скорость реакции и при этом не расходуется в суммарном уравнении реакции. Оно может вступать в промежуточные превращения, но в итоге восстанавливается. Это определение позволяет отличить катализатор от обычного реагента, который входит в итоговое уравнение и расходуется. Катализатор может участвовать в процессе, даже если его нет среди исходных веществ суммарной реакции.
Катализ — изменение скорости химической реакции под действием катализатора. Если скорость возрастает, говорят о положительном катализе; если уменьшается — об отрицательном катализе, или ингибировании. Это понятие описывает именно влияние вещества на ход процесса, а не само вещество. Различие нужно, чтобы не считать, будто любой катализатор обязательно ускоряет любую реакцию.
Скорость можно определить по изменению концентрации реагента или продукта за выбранный промежуток времени. Для реагента считают, насколько концентрация уменьшилась, а для продукта — насколько увеличилась. Причина такого выбора в том, что при реакции исходные частицы превращаются в продукты: их количество в единице объёма меняется в противоположных направлениях. Деление этого изменения на время показывает, насколько быстро идёт превращение в среднем.
По мере расходования реагентов их концентрация обычно становится ниже. В том же объёме оказывается меньше частиц, способных встретиться и вступить в реакцию, поэтому эффективные столкновения происходят реже. Эффективными называют столкновения, которые приводят к химическому превращению, а не просто к разлёту частиц. По этой причине скорость многих реакций со временем уменьшается, хотя конкретное поведение зависит от условий и механизма реакции.
При повышении концентрации в том же объёме становится больше частиц реагента, поэтому они чаще сталкиваются. Чем чаще происходят столкновения, тем больше возможностей для эффективных столкновений и тем обычно выше скорость. Повышение температуры тоже ускоряет реакцию: частицы движутся быстрее и сталкиваются чаще. Главное объяснение состоит также в том, что увеличивается доля частиц с энергией, достаточной для преодоления энергетического барьера — минимального препятствия для превращения реагентов в продукты.
Твёрдые реагенты могут взаимодействовать с газом или раствором только на поверхности соприкосновения. Если кусок твёрдого вещества измельчить, суммарная площадь его поверхности увеличится, и больше частиц получат доступ к контакту с другим реагентом. Поэтому реакция обычно ускоряется, хотя количество твёрдого вещества при измельчении может оставаться тем же. Это особенно заметно в реакциях, где взаимодействие идёт на границе твёрдой и газовой или жидкой фаз.
Катализатор предоставляет реакции иной путь, для которого требуется преодолеть меньший энергетический барьер. Он взаимодействует с реагентами на промежуточных стадиях, образуя временные соединения или комплексы, а затем регенерируется. Благодаря меньшему барьеру при той же температуре больше частиц способно вступить в превращение за единицу времени. Катализатор меняет скорость, но сам не расходуется в суммарной реакции.
| Фактор | Как влияет на скорость | Объяснение |
|---|---|---|
| Концентрация реагентов | При увеличении обычно повышается | В единице объёма больше частиц, поэтому эффективные столкновения происходят чаще. |
| Температура | При повышении обычно повышается | Частицы движутся быстрее, а доля частиц с достаточной энергией становится больше. |
| Площадь поверхности твёрдого реагента | При увеличении обычно повышается | Больше частиц твёрдого вещества может соприкасаться с другими реагентами. |
| Катализатор | Может ускорить или замедлить | Меняет путь реакции и энергетический барьер, не расходуясь в суммарном процессе. |
Чтобы пользоваться таблицей, сначала определите, какое условие изменилось, а затем проследите, как оно влияет на столкновения частиц или путь реакции. Формулировка «обычно повышается» оставляет место для особенностей конкретного вещества и механизма. Для катализатора отдельно учитывайте, ускоряет он реакцию или замедляет её.
Концентрация реагента уменьшилась с 0,80 до 0,50 моль/л за 10 с. Требуется найти среднюю скорость его расходования. Поскольку речь идёт о реагенте, важно выразить уменьшение концентрации положительным числом. Результат будет характеризовать изменение за все 10 секунд, а не скорость в отдельный момент.
Ответ: средняя скорость расходования реагента равна 0,03 моль/(л·с). Положительный знак выбран потому, что указана скорость расходования, а не само изменение концентрации реагента. Если записывать изменение концентрации как конечное значение минус начальное, оно было бы отрицательным.
При повышении температуры на 20 °C скорость реакции увеличивается в 3 раза на каждые 10 °C. Нужно определить общее изменение скорости. Повышение на 20 °C состоит из двух последовательных интервалов по 10 °C. Значит, множитель нужно применить дважды, а не прибавлять его к скорости.
Ответ: скорость увеличится в 9 раз. Последовательное изменение означает умножение множителей, а не сложение двух увеличений. Такой расчёт опирается на условие задачи о постоянном увеличении в три раза на каждые 10 °C.
Для реакции A + B → продукты концентрация A за 20 с снизилась с 0,60 до 0,20 моль/л. Требуется вычислить среднюю скорость реакции по A и оценить влияние увеличения концентрации B. Коэффициент перед A равен единице, поэтому изменение его концентрации можно использовать непосредственно. Остальные условия во второй части задачи остаются постоянными.
Ответ: средняя скорость реакции по A равна 0,02 моль/(л·с); увеличение концентрации B при прочих равных обычно увеличит скорость. Точную величину такого увеличения по одной лишь общей зависимости определить нельзя: она зависит от конкретного механизма реакции. Здесь достаточно установить направление изменения скорости.
Первая ошибка — записать уменьшение концентрации реагента со знаком минус и назвать результат скоростью расходования. Она возникает, если механически вычесть начальную концентрацию из конечной и не учесть смысл величины. Скорость расходования обычно выражают положительной, поэтому проверьте, что вы разделили именно величину уменьшения на время.
Среднюю скорость иногда принимают за мгновенную — скорость в конкретный момент. Такое смешение возникает, потому что обе величины описывают изменение концентрации во времени. По начальным и конечным значениям за интервал можно получить только среднее значение; для мгновенной скорости нужны данные о поведении реакции около выбранного момента.
Ошибочно считать, что катализатор смещает равновесие или обязательно увеличивает выход продукта. Это мнение появляется из-за того, что катализатор ускоряет образование продукта в прямой реакции. Проверьте себя вопросом: меняет ли он равновесное соотношение веществ? Нет: катализатор ускоряет установление равновесия, но не меняет его положение.
Измельчение твёрдого вещества иногда называют увеличением его концентрации. Так путают количество вещества в объёме с площадью, доступной для контакта. При измельчении увеличивается площадь поверхности соприкосновения, а концентрация не становится автоматически больше; проверить объяснение можно, сравнив массу вещества до и после измельчения.
Для понимания скорости реакции нужны понятия концентрации раствора, химического уравнения и количества вещества. Концентрация помогает описывать количество частиц в заданном объёме, а уравнение показывает, какие реагенты превращаются в продукты. Знание коэффициентов уравнения пригодится, когда нужно связать скорости изменения концентраций разных веществ.
Понятия скорости реакции и катализатора используются при изучении химического равновесия: катализатор помогает быстрее его достичь, не меняя положения. Эти идеи также важны для понимания производственных процессов, где выбирают условия для нужной скорости. В живых организмах роль биологических катализаторов выполняют ферменты, ускоряющие химические превращения.
Почему скорость реакции обычно уменьшается по мере расходования реагентов?
По мере расходования реагентов их концентрация обычно снижается. Частицы реже сталкиваются друг с другом, поэтому уменьшается число эффективных столкновений за единицу времени и реакция часто замедляется.
Почему скорость реакции возрастает при повышении температуры?
При более высокой температуре частицы движутся быстрее и чаще сталкиваются. Кроме того, возрастает доля частиц, энергии которых хватает для преодоления энергетического барьера реакции.
Как определить скорость реакции, если известны концентрации в начале и конце промежутка?
Найдите изменение концентрации и разделите его на прошедшее время. Для расходования реагента берут уменьшение концентрации, для образования продукта — увеличение; скорость указывают положительной величиной, например в моль/(л·с).
Расходуется ли катализатор во время реакции?
Катализатор может участвовать в промежуточных стадиях и временно превращаться в другие вещества. Однако в ходе суммарного процесса он регенерируется и не расходуется в суммарном уравнении реакции.
Меняет ли катализатор количество продукта, которое образуется при установлении равновесия?
Нет, катализатор не изменяет положение химического равновесия и равновесное количество продукта. Он ускоряет прямую и обратную реакции, поэтому равновесие устанавливается быстрее.
§ 13. Скорость химической реакции. Катализ
