"Химия (базовый уровень)", Минченков Е.Е., Журин А.А., Оржековский П.А.
Скорость химической реакции показывает, как быстро расходуются реагенты и образуются продукты. Её оценивают по изменению концентрации за определённое время, поэтому можно сравнивать разные процессы и следить за ходом одного процесса. На скорость влияют концентрация реагентов, температура, катализатор и площадь поверхности твёрдых веществ. Понимание этих факторов помогает объяснять реакции и управлять ими в лаборатории и промышленности.
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. Обычно её выражают в моль/(л·с), если концентрация дана в моль/л, а время — в секундах. Эта величина помогает сравнивать, насколько быстро идут разные реакции. Изменение концентрации реагента при расходовании отрицательно, поэтому знак при записи скорости выбирают так, чтобы она была положительной.
Средняя скорость реакции — отношение изменения концентрации вещества к промежутку времени, за который оно произошло. Для реагента используют выражение −Δc/Δt, поскольку его концентрация убывает, а скорость принято записывать положительным числом. Для продукта, концентрация которого возрастает, используют Δc/Δt. Расчёт средней скорости позволяет описать реакцию за выбранный интервал, а не в отдельный миг.
Концентрация вещества — количество вещества в единице объёма раствора или смеси; её часто обозначают c и измеряют в моль/л. Сравнение концентрации в разные моменты показывает, сколько реагента израсходовалось или продукта образовалось. Без этой величины нельзя количественно оценить скорость реакции по изменению состава смеси. Её также используют, чтобы объяснить, почему ход реакции меняется со временем.
Катализатор — вещество, которое изменяет скорость реакции и участвует в её промежуточных стадиях, но в итоге не расходуется. Оно может временно превращаться в промежуточное соединение, а затем восстанавливаться. Катализатор нужен, чтобы изменить скорость процесса, не становясь конечным продуктом реакции. Его действие важно отличать от расходования реагента.
Скорость можно определить по тому, как меняется концентрация реагента или продукта за выбранное время. У продукта концентрация обычно растёт, поэтому отношение Δc/Δt положительно; у реагента она падает, и это отношение отрицательно. Чтобы скорость расходования реагента также была положительной, перед отношением ставят минус или берут модуль изменения. Такой способ записи сохраняет один и тот же смысл величины независимо от того, какое вещество измеряют.
Во время реакции реагенты расходуются, а продукты образуются, поэтому состав смеси непрерывно меняется. Частицы реагентов могут сталкиваться реже, и скорость обычно не остаётся постоянной. Если измерить концентрацию в начале и конце длительного промежутка, расчёт даст среднее значение для всего этого интервала. Оно может отличаться от скорости в отдельный момент, когда состав смеси был иным.
Концентрация влияет на то, как часто частицы реагентов оказываются рядом. Чем больше частиц в том же объёме, тем чаще происходят их столкновения. Однако не каждое столкновение приводит к реакции: оно должно быть эффективным, то есть подходить для превращения частиц в продукты. При большей концентрации таких столкновений за единицу времени обычно становится больше, и реакция идёт быстрее.
Нагревание обычно ускоряет реакцию не только потому, что частицы начинают двигаться быстрее и чаще сталкиваться. При повышении температуры увеличивается доля частиц с энергией, достаточной для эффективного взаимодействия. Поэтому возрастает вероятность того, что столкновение приведёт к химическому превращению. Если бы росла только частота столкновений, объяснение влияния температуры было бы неполным.
Катализатор предоставляет реакции другой путь, для которого требуется преодолеть меньший энергетический барьер. Он участвует в промежуточных стадиях, но в ходе общего процесса восстанавливается, поэтому его не записывают как израсходованный реагент. На скорость влияет и площадь поверхности твёрдого реагента: на поверхности частицы соприкасаются с другими веществами. Измельчение увеличивает площадь, доступную для взаимодействия, и обычно ускоряет реакцию.
| Фактор | Как изменение фактора влияет на скорость | Почему это происходит |
|---|---|---|
| Концентрация реагентов | Повышение концентрации обычно ускоряет реакцию | Частицы чаще сталкиваются, и возрастает число эффективных столкновений |
| Температура | Повышение температуры обычно ускоряет реакцию | Частицы движутся быстрее, а доля частиц с достаточной энергией увеличивается |
| Наличие катализатора | Катализатор может ускорить реакцию | Он предоставляет путь с меньшим энергетическим барьером |
| Площадь поверхности твёрдого реагента | Увеличение площади обычно ускоряет реакцию | Больше частиц твёрдого вещества доступно для взаимодействия |
В таблице сначала найдите фактор, который меняется в условии задачи или опыта. Затем определите направление изменения скорости и свяжите его с объяснением в третьем столбце. Вывод относится к обычным условиям и не означает, что скорость зависит только от одного фактора.
Концентрация вещества за 20 с уменьшилась с 0,80 до 0,60 моль/л. Требуется найти среднюю скорость его расходования. Поскольку речь идёт о реагенте, нужно учесть убывание концентрации и представить скорость положительным числом.
Ответ: средняя скорость расходования равна 0,010 моль/(л·с). Отрицательный знак изменения показывает убывание концентрации, а не отрицательную скорость.
В реакции A + 2B → C концентрация B уменьшилась на 0,12 моль/л за 30 с. Нужно найти среднюю скорость реакции и изменение концентрации A за тот же промежуток. Коэффициент перед B равен двум, поэтому скорость расходования B вдвое больше скорости реакции.
Ответ: средняя скорость реакции — 0,002 моль/(л·с), концентрация A уменьшилась на 0,06 моль/л. Скорость изменения концентрации B нельзя без поправки на коэффициент называть скоростью реакции.
Для реакции X → Y за первые 10 с концентрация X снизилась с 1,0 до 0,7 моль/л, а за следующие 10 с — с 0,7 до 0,55 моль/л. Требуется сравнить средние скорости и объяснить разницу. Коэффициент X равен единице, поэтому скорость реакции равна скорости расходования X.
Ответ: 0,030 моль/(л·с) и 0,015 моль/(л·с). Скорость снизилась, потому что концентрация реагента X стала меньше и столкновения его частиц с большей вероятностью происходят реже.
Отрицательная скорость расходования реагента — частая ошибка: ученик видит, что Δc меньше нуля, и переносит этот знак в ответ. Так происходит, если не различать изменение концентрации и скорость расходования. Проверьте смысл результата: концентрация убывает, но величина скорости расходования должна быть положительной. Используйте −Δc/Δt или модуль изменения.
Деление изменения концентрации на время без учёта коэффициента уравнения даёт скорость изменения концентрации конкретного вещества, но не всегда скорость реакции. Ошибка возникает, когда эти две величины считают одинаковыми. Сверьте коэффициенты в уравнении и разделите скорость расходования вещества на его коэффициент. Например, для B в A + 2B → C нужна поправка на 2.
Объяснять ускорение при нагревании только учащением столкновений недостаточно. Такой ответ упускает, что при росте температуры увеличивается и доля частиц, способных вступить в эффективное взаимодействие. Проверьте объяснение: в нём должны быть названы и более быстрое движение, и увеличение доли частиц с достаточной энергией. Именно второе помогает понять, почему столкновения чаще приводят к реакции.
Катализатор не сдвигает химическое равновесие и не расходуется полностью. Ошибочно считать его обычным реагентом, потому что он может участвовать в промежуточной стадии и временно изменяться. Проверьте итоговое уравнение и состав равновесной смеси: катализатор в результате восстанавливается, а равновесие достигается быстрее, но его положение не меняется.
Для расчётов скорости нужны понятия концентрации, количества вещества и времени, а также умение находить изменение величины и делить его на интервал. Эти навыки связывают количественное описание состава смеси с протеканием реакции. Скорость пригодится при изучении химического равновесия и способов управления ходом процессов. Понимание катализатора также необходимо для знакомства с каталитическими реакциями в химии и промышленности.
Почему скорость реакции считают по изменению концентрации за время?
Концентрация показывает, сколько вещества содержится в единице объёма. Сравнив её в начале и конце промежутка, можно определить, сколько реагента израсходовалось или продукта образовалось за это время.
Почему скорость расходования реагента записывают положительным числом?
Концентрация реагента во время реакции уменьшается, поэтому её изменение Δc отрицательно. Скорость расходования принято выражать положительно: берут −Δc/Δt или модуль изменения концентрации.
Чем средняя скорость реакции отличается от скорости в конкретный момент?
Среднюю скорость рассчитывают за промежуток времени, используя изменение концентрации за весь этот интервал. Скорость в конкретный момент характеризует процесс именно в этот миг; она может меняться по мере расходования реагентов.
Почему нагревание обычно ускоряет химическую реакцию?
При нагревании частицы движутся быстрее, и столкновения происходят чаще. Кроме того, возрастает доля частиц с энергией, достаточной для эффективного столкновения, которое приводит к превращению веществ.
Изменяет ли катализатор состав веществ после установления равновесия?
Нет, катализатор не смещает химическое равновесие и не меняет равновесный состав смеси. Он ускоряет прямую и обратную реакции, поэтому равновесие устанавливается быстрее.
§ 8. Скорость химических реакций
