"Химия", Еремин В.В., Кузьменко Н.Е. и др.
Скорость химической реакции показывает, насколько быстро расходуются реагенты или образуются продукты. Её определяют по изменению концентрации вещества за выбранное время, поэтому при сравнении важно учитывать и количество вещества в объёме, и длительность наблюдения. Скорость зависит от частоты эффективных столкновений частиц: её обычно повышают концентрация и температура, а для твёрдых реагентов — увеличение площади поверхности. Катализатор ускоряет реакцию, меняя путь её протекания.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Скорость химической реакции — изменение количества вещества или его концентрации за единицу времени. Чтобы определить её, сравнивают концентрацию реагента или продукта в начале и в конце наблюдения. Для реагента обычно рассматривают, насколько его концентрация уменьшилась, а для продукта — насколько увеличилась. Так можно сравнивать, быстро или медленно протекает процесс.
Средняя скорость реакции — изменение концентрации выбранного вещества за определённый промежуток времени, делённое на длительность этого промежутка. Формула имеет вид vср = |Δc|/Δt, где Δc — изменение концентрации, а Δt — время. Модуль используют, если считают расходование реагента: его концентрация убывает, но скорость записывают положительным числом. Например, концентрацию в моль/л делят на время в секундах и получают единицу моль/(л·с).
Эффективное столкновение — столкновение частиц, которое приводит к химическому превращению. Для этого частицы должны столкнуться с достаточной энергией, чтобы началось изменение химических связей, и подходящей ориентацией, позволяющей нужным частям молекул встретиться. Это понятие объясняет, почему самого факта столкновения недостаточно для реакции. Скорость зависит от того, как часто происходят именно такие столкновения.
Катализатор — вещество, которое изменяет скорость реакции и участвует в её промежуточных стадиях, но восстанавливается к концу процесса. Он помогает реакции идти по другому пути, для которого превращение происходит быстрее. Катализатор не считают веществом, которое обязательно расходуется вместе с реагентами. Поэтому его действие можно использовать для управления скоростью процесса.
Чтобы вещества прореагировали, их частицы должны встретиться: молекулы или ионы взаимодействуют при столкновениях. Но столкновения бывают разными — часть из них не приводит к изменению связей и образованию новых веществ. Эффективным оказывается столкновение, при котором хватает энергии и частицы ориентированы подходящим образом. Поэтому скорость определяется не просто числом встреч, а количеством успешных столкновений за время.
Если в том же объёме увеличить концентрацию реагента, частиц станет больше. Из-за этого они чаще оказываются рядом и чаще сталкиваются с частицами другого реагента. Среди дополнительных столкновений возникают и эффективные, поэтому скорость реакции обычно растёт. Сравнивать концентрацию нужно при прочих одинаковых условиях, например при той же температуре.
При повышении температуры частицы начинают в среднем двигаться быстрее, а их энергия движения возрастает. Благодаря этому увеличивается доля столкновений, энергии которых достаточно для химического превращения. Значит, эффективных столкновений за единицу времени становится больше и скорость обычно увеличивается. Повышение температуры не означает, что каждое столкновение становится результативным: нужная ориентация по-прежнему имеет значение.
Твёрдые вещества взаимодействуют с другими реагентами через поверхность соприкосновения. Если кусок измельчить, суммарная площадь поверхности его частиц станет больше, хотя количество самого вещества не изменится. Раствор или газ сможет соприкасаться с большей частью твёрдого реагента, и число возможных столкновений за время возрастёт. Поэтому порошок обычно реагирует быстрее такого же по количеству цельного куска.
Катализатор меняет путь, по которому реагенты превращаются в продукты, и участвует в промежуточных стадиях этого пути. При таком изменении реакция может идти быстрее, потому что превращение становится доступнее для частиц. К завершению процесса катализатор восстанавливается, то есть не расходуется в итоге. Ингибитор действует противоположно: он замедляет реакцию, поэтому его используют, когда нежелательно слишком быстрое протекание процесса.
| Фактор | Изменение условия | Как обычно меняется скорость | Причина |
|---|---|---|---|
| Концентрация реагентов | Концентрацию увеличивают | Возрастает | Частицы чаще сталкиваются |
| Температура | Температуру повышают | Возрастает | Увеличивается доля столкновений с достаточной энергией |
| Площадь поверхности твёрдого реагента | Реагент измельчают | Возрастает | Увеличивается поверхность контакта с другими веществами |
| Катализатор или ингибитор | Добавляют катализатор или ингибитор | Катализатор ускоряет, ингибитор замедляет | Катализатор меняет путь реакции; ингибитор препятствует её быстрому протеканию |
Чтобы пользоваться таблицей, сначала определите, какое условие изменилось, а затем проследите, что происходит с частицами или их столкновениями. Если сравниваются два опыта, прочие условия должны быть одинаковыми. Так можно связать наблюдаемое изменение скорости с конкретным фактором.
Задача 1. Концентрация вещества уменьшилась с 1,0 до 0,4 моль/л за 30 секунд. Нужно найти среднюю скорость его расходования. Ищем, на сколько изменилась концентрация, и делим это уменьшение на прошедшее время. Для расходующегося вещества записываем положительную величину изменения.
Ответ: средняя скорость расходования вещества равна 0,02 моль/(л·с). Знак не ставим отрицательным, потому что речь идёт о скорости расходования, а не о направлении изменения концентрации. Если бы искали изменение концентрации за секунду со знаком, оно было бы отрицательным, так как вещества становится меньше.
Задача 2. В две пробирки положили одинаковое количество мела: в одну — кусок, в другую — порошок, затем добавили одинаковые растворы кислоты. Нужно определить, где реакция будет идти быстрее. Сравниваем не массу мела, а площадь поверхности, доступную раствору. У порошка множество мелких частиц, поэтому кислота может соприкасаться с большей поверхностью мела.
Ответ: быстрее реакция пойдёт в пробирке с порошком мела. Увеличение площади поверхности обычно ускоряет взаимодействие твёрдого вещества с раствором. Если бы в пробирках были разные количества кислоты или отличалась температура, сравнение уже не позволяло бы выделить только влияние измельчения.
Задача 3. При постоянной температуре концентрацию одного реагента увеличили вдвое. Нужно объяснить, почему скорость обычно возрастёт, и назвать условие для корректного сравнения. Увеличение концентрации означает, что в том же объёме стало больше частиц реагента. Поэтому они чаще встречаются с частицами другого вещества, и обычно возрастает число эффективных столкновений за время.
Ответ: скорость обычно возрастёт из-за увеличения частоты столкновений. Для корректного сравнения неизменными должны оставаться прочие условия — например, температура и площадь поверхности твёрдых веществ, если они участвуют в реакции. Только тогда изменение скорости можно связать именно с изменением концентрации.
Ошибка — считать скорость просто количеством продукта. Количество без времени и объёма не показывает, насколько быстро идёт реакция: одинаковое количество может образоваться за секунды или за часы. Чтобы проверить себя, уточните, указаны ли изменение концентрации и интервал времени. Если время не учтено, это ещё не значение скорости.
При расчёте расходования реагента иногда забывают, что его концентрация убывает, и подставляют изменение со знаком минус. Это происходит, когда смешивают направление изменения концентрации с величиной скорости. Найдите, насколько концентрация уменьшилась, и возьмите положительное значение: например, от начальной концентрации отнимите конечную. В ответе проверьте, что скорость расходования не получилась отрицательной.
Неверно считать, что любое столкновение частиц вызывает реакцию. Частицы могут столкнуться, но не иметь нужной энергии или ориентации, поэтому превращения не произойдёт. Проверьте рассуждение вопросом: могло ли это столкновение перестроить связи? Если условия эффективного столкновения не выполнены, оно не приведёт к продуктам.
Катализатор иногда принимают за обычный реагент, который обязательно расходуется. Путаница возникает потому, что он участвует в промежуточных стадиях и временно изменяется. Чтобы проверить себя, проследите, восстанавливается ли катализатор к концу процесса. Если восстанавливается, он ускоряет реакцию, но не расходуется в итоге.
Для понимания скорости нужны понятия химической реакции, реагентов и продуктов, а также концентрации раствора и единиц времени. Скорость помогает объяснять, почему химические процессы проводят при определённых условиях и как катализаторы применяют в производстве и живых системах. Далее эта тема связывается с химическим равновесием: на протекание реакций влияют условия, которые важно учитывать при изучении равновесных процессов. Умение сравнивать скорости позволяет точнее рассуждать о таких изменениях.
Почему при повышении температуры реакция обычно ускоряется?
При нагревании частицы движутся быстрее и обладают большей средней энергией. Поэтому возрастает доля столкновений, энергии которых достаточно для химического превращения.
Почему порошок реагирует быстрее, чем такой же кусок твёрдого вещества?
У порошка больше суммарная площадь поверхности, доступная для контакта с другим реагентом. За одинаковое время больше частиц раствора может соприкоснуться с твёрдым веществом.
Как определить среднюю скорость реакции по изменению концентрации?
Нужно разделить изменение концентрации за выбранный промежуток на длительность этого промежутка. Для расходующегося реагента берут величину уменьшения концентрации, чтобы скорость была положительной.
Почему не каждое столкновение частиц приводит к реакции?
Частицам необходимо столкнуться с достаточной энергией и подходящей ориентацией. Только такие столкновения могут привести к перестройке связей и образованию продуктов.
Расходуется ли катализатор в ходе реакции?
Катализатор участвует в промежуточных стадиях и может временно изменяться. К концу процесса он восстанавливается, поэтому в итоге не расходуется.
§ 20. Скорость химических реакций
