"Химия", Габриелян О.С.
Скорость химической реакции показывает, как быстро расходуются реагенты или образуются продукты. Её определяют по изменению концентрации за выбранное время. На скорость влияют природа веществ, концентрация, температура, площадь соприкосновения твёрдых веществ и катализаторы. Понимание этих факторов помогает объяснять, почему одни процессы идут быстро, а другие медленно, и выбирать условия для их проведения.
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. Её находят, деля изменение концентрации реагента или продукта на промежуток времени: v = |Δc|/Δt для расходования реагента. Так можно сравнивать, насколько быстро протекают реакции, даже если их наблюдали разное время.
Гомогенная реакция — реакция между веществами, находящимися в одной фазе, то есть в одном агрегатном состоянии или в однородном растворе. Частицы реагентов распределены по всему объёму, поэтому взаимодействие возможно в любой его части. Это понятие помогает отличать такие процессы от реакций, ограниченных поверхностью контакта.
Гетерогенная реакция — реакция между веществами, находящимися в разных фазах. Например, твёрдое вещество может взаимодействовать с газом или раствором. Реакция идёт на поверхности соприкосновения фаз, поэтому для неё особенно важна площадь этой поверхности.
Катализатор — вещество, изменяющее скорость реакции и остающееся неизрасходованным к её окончанию. Он участвует в промежуточных превращениях, но в целом восстанавливается. Понятие нужно, чтобы отличать ускоритель реакции от реагента, который превращается в продукт.
Вещества состоят из частиц, которые непрерывно движутся. Для химического превращения частицы должны столкнуться, но не каждое столкновение приводит к реакции: оно должно быть эффективным, то есть подходящим для перестройки связей. Поэтому скорость определяется числом эффективных столкновений за единицу времени. Чем чаще они происходят, тем быстрее расходуются исходные вещества и образуются продукты.
При увеличении концентрации в том же объёме оказывается больше частиц реагента. Из-за этого расстояние между ними в среднем меньше, и столкновения происходят чаще. Если доля эффективных столкновений сохраняется, их число за секунду тоже возрастает. Поэтому повышение концентрации обычно ускоряет реакцию.
При нагревании частицы получают больше энергии и движутся быстрее, чаще сталкиваясь друг с другом. Но дело не только в частоте столкновений: больше частиц имеют энергию, достаточную для начала химического превращения. Значит, возрастает и доля столкновений, которые становятся эффективными. По этой причине повышение температуры обычно ускоряет реакцию.
Скорость зависит и от природы реагентов: состав и строение веществ определяют, насколько легко в них перестраиваются связи. Одни вещества активно взаимодействуют уже при обычных условиях, другим нужны нагревание или особые условия. Для реакции с твёрдым веществом важна также площадь его поверхности. Если измельчить кусок, общая площадь контакта увеличится, и больше частиц сможет взаимодействовать с раствором или газом.
Катализатор меняет путь реакции: он помогает пройти превращение через промежуточные стадии, для которых требуется меньше энергии. В результате эффективными становятся столкновения большего числа частиц, а скорость меняется; сам катализатор в целом не расходуется. Его действие относится к определённым реакциям, а не ко всем без исключения. Вещество, замедляющее реакцию, называют ингибитором.
| Фактор | Как изменяется скорость | Почему это происходит | Пример или условие |
|---|---|---|---|
| Природа реагирующих веществ | Может быть выше или ниже | Вещества различаются по составу и строению, поэтому реагируют с разной лёгкостью | Сравнение разных металлов при взаимодействии с одной кислотой |
| Концентрация реагентов | При повышении обычно увеличивается | В одном объёме становится больше частиц и чаще происходят столкновения | Сравнение растворов разной концентрации при прочих равных условиях |
| Температура | При повышении обычно увеличивается | Частицы движутся быстрее, а доля эффективных столкновений растёт | Нагревание реакционной смеси |
| Площадь поверхности твёрдого реагента | При увеличении обычно возрастает | Увеличивается площадь соприкосновения фаз | Порошок реагирует быстрее, чем кусок той же массы |
| Катализатор или ингибитор | Катализатор изменяет, часто увеличивает; ингибитор уменьшает | Катализатор меняет путь реакции, ингибитор тормозит её протекание | Добавление подходящего катализатора или ингибитора |
Чтобы пользоваться таблицей, сравнивайте опыты, в которых остальные условия одинаковы, а меняется только один фактор. Так можно понять, чем вызвано изменение скорости. Для твёрдого реагента отдельно учитывайте площадь контакта, а не только массу вещества.
За 20 с концентрация реагента уменьшилась с 0,8 до 0,4 моль/л. Нужно найти среднюю скорость его расходования. Поскольку речь идёт о расходовании, сначала определяем, насколько концентрация уменьшилась, а затем учитываем всё время наблюдения. Единица скорости будет выражена в моль/(л·с).
Ответ: 0,02 моль/(л·с).
В двух одинаковых опытах реакцию проводят при разных концентрациях одного реагента. Требуется определить, где реакция идёт быстрее. Другие условия одинаковы, поэтому сравнивать нужно только влияние концентрации. При её увеличении в том же объёме становится больше частиц реагента.
Ответ: быстрее реакция идёт в опыте с большей концентрацией реагента.
Сравниваются два опыта взаимодействия твёрдого вещества с раствором кислоты при комнатной температуре. В первом опыте вещество взято крупными кусками, во втором — в виде порошка; во втором также добавлен катализатор. Нужно учесть оба отличия, не смешивая причины их действия. Данных для численного расчёта нет, поэтому сравнение будет качественным.
Ответ: во втором опыте реакция идёт быстрее благодаря большей площади поверхности и действию катализатора.
Ошибочно считать скоростью просто количество полученного продукта. Большой выход продукта может быть результатом долгого опыта, а не высокой скорости. Для сравнения нужны изменение количества вещества или концентрации и время. Проверь себя: в расчёте должны присутствовать обе величины.
Повышение температуры иногда смешивают с повышением концентрации, потому что оба фактора способны ускорять реакцию. Но причины различны: концентрация увеличивает число частиц в объёме, а нагревание — их движение и долю столкновений с достаточной энергией. Проверка простая: объясни отдельно, что меняется в каждом случае.
При измельчении твёрдого реагента может показаться, что вещества стало больше. На самом деле масса и количество вещества не увеличиваются, меняется площадь поверхности, доступной для контакта. Сравнивая кусок и порошок, проверяй, одинаково ли количество вещества, и называй именно площадь поверхности причиной ускорения.
Катализатор иногда принимают за обычный реагент, который полностью расходуется, или полагают, что он одинаково действует на любые процессы. Катализатор участвует в промежуточных стадиях, но к концу реакции в целом восстанавливается и влияет лишь на определённые реакции. Чтобы проверить себя, различай временное участие в превращениях и общий расход вещества, а также не приписывай катализатору универсальное действие.
Для изучения скорости нужно знать, что такое химическая реакция, реагенты и продукты, а также различать фазы и агрегатные состояния веществ. Объяснение столкновениями опирается на представление о частицах вещества и их движении. Сравнение условий помогает описывать, почему химические процессы идут по-разному; эти идеи пригодятся при изучении химического равновесия и условий протекания реакций. Умение находить скорость по изменению концентрации и времени используется в расчётных задачах и при описании процессов.
Как определить скорость химической реакции?
Нужно найти, насколько изменилась концентрация реагента или продукта за промежуток времени, и разделить это изменение на время. Для реагента при расчёте скорости расходования берут модуль уменьшения концентрации. Например, если концентрация снизилась на 0,4 моль/л за 20 с, средняя скорость равна 0,02 моль/(л·с).
Почему нагревание обычно ускоряет химическую реакцию?
При нагревании частицы движутся быстрее и чаще сталкиваются. Кроме того, возрастает доля столкновений, энергии которых достаточно для химического превращения. Поэтому за то же время обычно реагирует больше частиц.
Почему порошок реагирует быстрее, чем крупные куски того же вещества?
У порошка больше суммарная площадь поверхности, соприкасающейся с другим реагентом. Поэтому за одно и то же время в реакцию может вступить больше частиц на границе контакта. Количество вещества при измельчении само по себе не увеличивается.
Чем гомогенная реакция отличается от гетерогенной?
В гомогенной реакции реагенты находятся в одной фазе, например все в растворе, и взаимодействие происходит во всём объёме. В гетерогенной реакции вещества находятся в разных фазах, поэтому реакция идёт на поверхности их соприкосновения.
Расходуется ли катализатор во время реакции?
Катализатор участвует в промежуточных стадиях, но к окончанию реакции восстанавливается и в целом не расходуется. Он меняет скорость определённых реакций, предоставляя путь с меньшими энергетическими затратами. Катализатор не ускоряет любую реакцию без исключения.
§ 5. Химические реакции. Скорость химической реакции
