"Химия", Габриелян О.С., Остроумов И.Г., Сладков С.А.
Скорость химической реакции показывает, как быстро одни вещества превращаются в другие. Её определяют по изменению концентрации реагента или продукта за определённое время. На скорость влияют природа веществ, концентрация, температура, площадь поверхности твёрдого реагента и катализаторы. Понимание этих факторов помогает объяснить, почему одни реакции идут почти мгновенно, а другие — медленно, и научиться управлять их протеканием.
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 буквой v. Концентрация показывает, сколько вещества содержится в определённом объёме, поэтому по её изменению можно судить о быстроте превращения веществ.
Средняя скорость реакции — скорость, рассчитанная за выбранный промежуток времени. Её находят по формуле v = Δc/Δt, где Δc — изменение концентрации, а Δt — промежуток времени. Такое значение описывает реакцию в целом за данный отрезок, а не в каждую отдельную секунду.
Катализатор — вещество, изменяющее скорость реакции и не расходующееся в суммарном уравнении. Он может участвовать в отдельных промежуточных превращениях, но в конце восстанавливается. Это позволяет ускорять нужную реакцию небольшим количеством специального вещества.
Катализ — изменение скорости химической реакции под действием катализатора. Если скорость увеличивается, говорят о положительном катализе, а замедление связывают с действием ингибитора. Понятие помогает объяснить, как управляют реакциями в промышленности и живых организмах.
Скорость связывают с изменением концентрации, потому что химическая реакция меняет состав системы: реагенты расходуются, а продукты образуются. Если концентрация заметно изменилась за короткое время, реакция идёт быстро; если почти не изменилась, реакция медленная. Деление изменения концентрации на время позволяет сравнивать реакции, протекающие с разным количеством веществ.
Частицы реагентов постоянно движутся и сталкиваются, но столкновение само по себе ещё не означает реакцию. Для перестройки химических связей частица должна иметь достаточную энергию, а сами частицы должны встретиться подходящими сторонами. Поэтому эффективными называют только столкновения, после которых действительно образуются новые вещества.
При увеличении концентрации в одном и том же объёме становится больше частиц реагента. Они чаще встречаются друг с другом, поэтому за секунду происходит больше эффективных столкновений и реакция обычно ускоряется. Для газов аналогичный эффект даёт повышение давления: частицы оказываются ближе друг к другу.
Нагревание увеличивает скорость движения частиц и частоту их столкновений. Главная причина ускорения состоит в том, что возрастает доля частиц с энергией, достаточной для реакции. Поэтому эффективных столкновений становится больше, хотя степень влияния температуры зависит от конкретной реакции.
У твёрдого вещества реакция идёт на поверхности соприкосновения с другим реагентом. При измельчении общая площадь поверхности увеличивается, и в контакт вступает больше частиц, поэтому процесс ускоряется. Катализатор действует иначе: он предлагает другой путь реакции с меньшими энергетическими затратами, благодаря чему эффективными становятся дополнительные столкновения.
| Фактор | Как изменяется скорость | Причина изменения | Пример |
|---|---|---|---|
| Природа реагирующих веществ | У разных веществ скорость различна | Различаются строение частиц и прочность химических связей | Цинк реагирует с кислотой иначе, чем медь |
| Концентрация реагентов | При увеличении обычно возрастает | Увеличивается частота столкновений частиц | Более концентрированная соляная кислота быстрее реагирует с цинком |
| Температура | При нагревании обычно возрастает | Растут скорость движения и доля частиц с достаточной энергией | Разложение некоторых веществ при нагревании идёт быстрее |
| Площадь поверхности твёрдого реагента | При измельчении возрастает | Увеличивается площадь соприкосновения реагентов | Порошок известняка реагирует с кислотой быстрее кусочка |
| Катализатор | Может ускорять или замедлять | Изменяется путь реакции и энергетические затраты | Ферменты ускоряют реакции в клетках |
В таблице сначала определите, какой фактор изменился, а затем проследите его влияние на столкновения частиц или путь реакции. Слово «обычно» означает, что вывод нужно применять с учётом природы веществ и условий опыта. Если действуют сразу несколько факторов, рассматривайте вклад каждого из них отдельно.
Концентрация исходного вещества уменьшилась с 0,80 до 0,20 моль/л за 30 с. Нужно найти среднюю скорость реакции. Поскольку реагент расходуется, его изменение отрицательно, но скорость характеризуют положительным числом.
Ответ: средняя скорость равна 0,02 моль/(л·с).
Цинк помещают в растворы соляной кислоты разной концентрации. В более концентрированном растворе частиц кислоты в том же объёме больше, поэтому цинк и кислота сталкиваются чаще.
Ответ: большая концентрация соляной кислоты обычно увеличивает скорость реакции цинка с ней.
Реакцию проводят при нагревании, используют измельчённый твёрдый реагент и добавляют катализатор. Все три изменения направлены на увеличение скорости, но действуют разными способами.
Ответ: реакция ускорится под совместным действием всех трёх факторов; точную скорость без дополнительных данных вычислить нельзя.
Скорость реакции путают со скоростью движения отдельных частиц. Частицы могут двигаться быстро, но не вступать в реакцию из-за недостаточной энергии или неправильной ориентации. Проверьте себя: скорость реакции должна описывать изменение концентрации состава системы за время.
При расходовании реагента забывают о знаке изменения концентрации и получают отрицательную скорость. Ошибка возникает потому, что конечная концентрация меньше начальной. Сначала вычислите разность, а затем возьмите модуль: v = |Δc|/Δt.
Иногда считают, что катализатор полностью расходуется или меняет состав конечных продуктов. Так происходит из-за смешения катализатора с обычным реагентом. Проверьте суммарное уравнение: катализатор не должен входить в него как израсходованный участник, а продукты реакции остаются теми же.
Неверно утверждать, что любое повышение температуры ускоряет любую реакцию одинаково. Влияние нагревания зависит от природы веществ, механизма реакции и условий. Делайте вывод только для конкретной системы и сравнивайте остальные условия опыта.
До изучения скорости реакций нужны знания о химических уравнениях и коэффициентах, концентрации раствора, количестве вещества и моле. Также важно уметь переводить и сравнивать промежутки времени, поскольку скорость выражают, например, в моль/(л·с).
Дальше эта тема поможет понять химическое равновесие и обратимые реакции: скорость прямого и обратного процессов определяет состояние системы. Знания о скорости нужны при изучении промышленного производства веществ и биологических катализаторов — ферментов.
Почему скорость реакции нельзя измерять только по времени?
Одного времени недостаточно: за одинаковый промежуток в разных реакциях может измениться разное количество вещества. Скорость связывают с изменением концентрации за единицу времени, поэтому учитывают и время, и результат превращения.
Почему порошок реагирует быстрее, чем кусок того же вещества?
У порошка суммарная площадь поверхности больше, чем у одного куска той же массы. Поэтому больше частиц твёрдого вещества соприкасается с другим реагентом, и эффективные столкновения происходят чаще.
Всегда ли катализатор ускоряет реакцию?
Нет. Катализатор может как ускорять, так и замедлять реакцию. Вещество, замедляющее реакцию, называют ингибитором.
Расходуется ли катализатор во время реакции?
В отдельных стадиях катализатор может временно вступать во взаимодействие с реагентами. Но в суммарном уравнении он не расходуется, поэтому после реакции его общее количество сохраняется.
Почему повышение температуры обычно ускоряет химическую реакцию?
При нагревании частицы движутся быстрее и чаще сталкиваются. Кроме того, увеличивается доля столкновений с энергией, достаточной для разрыва старых и образования новых химических связей.
§ 3. Скорость химических реакций. Катализ
