"Химия", Еремин В.В., Кузьменко Н.Е., Дроздов А.А. и др./ Под ред. Лунина В.В.
Скорость химической реакции показывает, как быстро исчезают исходные вещества или появляются продукты. Её определяют по изменению концентрации за определённое время и выражают, например, в моль/(л·с). На скорость влияют концентрация реагентов, температура, площадь поверхности твёрдых веществ и катализатор. Понимание этих факторов помогает объяснять ход реакций и управлять химическими процессами.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Скорость химической реакции — это изменение количества вещества или его концентрации за единицу времени. Чтобы сравнивать реакции, обычно следят за тем, как меняется концентрация реагента или продукта. По скорости можно судить, быстро ли протекает превращение и как на него влияют условия.
Средняя скорость реакции показывает, насколько изменилась концентрация за выбранный промежуток времени. Её находят делением изменения концентрации Δc на промежуток Δt: vср = Δc/Δt. Такая величина описывает изменение за весь интервал, а не обязательно скорость в каждый отдельный момент.
Концентрация исходного вещества во время реакции обычно уменьшается, поэтому Δc = c₂ − c₁ имеет отрицательное значение. Чтобы скорость расходования реагента была положительной, перед отношением ставят минус: vср = −Δc/Δt. Концентрация продукта, напротив, растёт, и её изменение записывают со знаком плюс.
Скорость реакции выражают, например, в моль/(л·с), если концентрация измерена в моль/л, а время — в секундах. Эта единица показывает, на сколько моль/л меняется концентрация за одну секунду. Если используют другие единицы концентрации или времени, единица скорости тоже изменится.
Чтобы вещества вступили в реакцию, их частицы должны столкнуться. Но столкновение само по себе ещё не означает превращения: частицы должны сблизиться с достаточной энергией и подходящим взаимным расположением. Такое столкновение называют эффективным, потому что именно оно может привести к разрыву старых и образованию новых связей.
Когда концентрация реагентов становится выше, в том же объёме оказывается больше частиц. Поэтому они чаще встречаются друг с другом, а значит, за одинаковое время происходит больше эффективных столкновений. В обычных условиях это ускоряет реакцию; если же реагент твёрдый, одного повышения его количества недостаточно — значение имеет и доступная поверхность.
При нагревании частицы движутся быстрее и чаще сталкиваются. Кроме того, возрастает доля столкновений, энергия которых достаточна для химического превращения. Поэтому повышение температуры обычно ускоряет реакцию, хотя конкретная степень ускорения зависит от самих веществ и условий опыта.
Твёрдые вещества реагируют с газом или раствором через поверхность соприкосновения. Если кусок раздробить, суммарная площадь его наружных поверхностей увеличится, и больше частиц реагента сможет взаимодействовать с твёрдым веществом одновременно. Поэтому порошок обычно реагирует быстрее, чем такой же по массе крупный кусок.
Катализатор ускоряет реакцию, предоставляя ей другой путь превращения, для которого требуется меньше энергии. Благодаря этому эффективными становятся столкновения, которые без катализатора не привели бы к реакции. Катализатор участвует в промежуточных стадиях, но в ходе общего процесса не расходуется.
| Фактор | Как изменение фактора влияет на скорость | Объяснение |
|---|---|---|
| Концентрация реагентов | Повышение концентрации обычно ускоряет реакцию. | В единице объёма больше частиц, поэтому столкновения происходят чаще. |
| Температура | Повышение температуры обычно ускоряет реакцию. | Частицы движутся быстрее, и больше столкновений имеют достаточную энергию. |
| Площадь поверхности твёрдого реагента | Увеличение площади обычно ускоряет реакцию. | С раствором или газом соприкасается больше частиц твёрдого вещества. |
| Катализатор | При его добавлении реакция обычно ускоряется. | Катализатор меняет путь реакции и не расходуется в целом. |
Пользуясь таблицей, сначала определите, какой именно фактор изменили, а затем сравните скорость до и после изменения. Объяснение помогает не заучивать направление влияния, а связать его с движением и столкновениями частиц. В задачах важно не смешивать факторы: например, размер куска влияет на площадь поверхности, а не на концентрацию раствора.
Задача 1. Концентрация вещества уменьшилась с 0,80 до 0,50 моль/л за 10 с. Найдём среднюю скорость его расходования. Сначала определим, насколько снизилась концентрация, а затем разделим это изменение на прошедшее время.
Ответ: средняя скорость расходования вещества равна 0,03 моль/(л·с). Значение показывает, что за каждую секунду концентрация в среднем уменьшалась на 0,03 моль/л. При записи через изменение концентрации реагента тот же расчёт можно представить как −(0,50 − 0,80)/10.
Задача 2. Одинаковые кусочки мрамора реагируют с растворами кислоты разной концентрации. Быстрее реакция пройдёт в опыте с более концентрированным раствором. В одинаковом объёме такого раствора содержится больше частиц кислоты, поэтому они чаще сталкиваются с поверхностью мрамора.
Ответ: быстрее реакция идёт с более концентрированной кислотой. Причина — более частые столкновения частиц кислоты с мрамором, а не различие в размере кусочков. Такой вывод справедлив, если остальные условия опыта одинаковы.
Задача 3. Для реакции A → B концентрация A уменьшилась с 0,60 до 0,30 моль/л за 15 с. Найдём среднюю скорость реакции и сравним её со скоростью изменения концентрации A. Здесь важно отличать отрицательное изменение концентрации реагента от положительной скорости реакции.
Ответ: средняя скорость реакции равна 0,02 моль/(л·с). Если считать только изменение концентрации A без знака минус в формуле, результат будет отрицательным: он покажет, что концентрация реагента убывает. Модуль этого значения равен скорости реакции в данном расчёте.
Иногда скорость расходования реагента записывают отрицательной, потому что его концентрация падает. Отрицательным является изменение концентрации, а не сама скорость расходования: минус в формуле компенсирует знак Δc. Проверьте себя: если реагент исчезает, рассчитанная скорость должна быть положительной.
Другая ошибка — менять местами начальное и конечное значения либо делить на время в неверном порядке. Тогда знак результата может не соответствовать тому, какое вещество рассматривают. Сначала запишите Δc = c₂ − c₁ и Δt = t₂ − t₁, а потом проверьте, убывает концентрация или возрастает.
Не каждое столкновение частиц приводит к химической реакции: для превращения нужны достаточная энергия и подходящее взаимное расположение. Эту ошибку допускают, когда представляют столкновение как простое соприкосновение любых частиц. Проверьте объяснение: в нём должны учитываться условия эффективного столкновения.
Катализатор иногда считают веществом, которое обязательно расходуется, как реагент. Путаница возникает потому, что катализатор участвует в промежуточных стадиях реакции. Чтобы проверить себя, рассмотрите общий процесс: катализатор ускоряет его, но в конце не расходуется в целом.
Для изучения скорости нужны понятия химической реакции, реагентов и продуктов: без них нельзя определить, концентрация какого вещества меняется. Также нужно уметь понимать концентрацию раствора и пользоваться единицами времени, чтобы правильно выполнить расчёт. Скорость реакции пригодится при изучении химического равновесия и способов управления химическими процессами. Она помогает объяснить, почему изменение условий меняет ход реакции.
Почему скорость реакции не постоянна от начала до конца?
По мере реакции концентрации исходных веществ обычно уменьшаются, поэтому частицы сталкиваются реже. Из-за этого реакция часто постепенно замедляется. На практике скорость также может меняться из-за температуры и других условий.
Почему при расчёте скорости исчезновения реагента появляется знак минус?
Концентрация реагента убывает, поэтому её изменение Δc = c₂ − c₁ отрицательно. Знак минус перед отношением −Δc/Δt превращает результат в положительную скорость расходования вещества.
В каких единицах измеряют скорость химической реакции?
Если скорость находят по изменению концентрации, её выражают, например, в моль/(л·с). Эта единица показывает, на сколько моль/л изменяется концентрация за одну секунду.
Почему порошок реагирует быстрее, чем такой же кусок твёрдого вещества?
У порошка суммарная площадь поверхности больше, чем у цельного куска той же массы. Поэтому больше частиц твёрдого вещества одновременно соприкасается с раствором, и реакция обычно идёт быстрее.
Как катализатор ускоряет реакцию, если сам не расходуется?
Катализатор меняет путь реакции и помогает ей происходить с меньшими энергетическими затратами. Он участвует в промежуточных превращениях, но в итоге восстанавливается и не расходуется в целом.
§ 20. Скорость химических реакций
