"Химия ", Габриелян О.С, Сивоглазов В.И. и др., Изд. "ДРОФА"
Химическая реакция превращает одни вещества в другие, а её скорость показывает, насколько быстро это происходит. На скорость влияют концентрация реагентов, температура, площадь соприкосновения твёрдых веществ, катализатор и природа веществ. Понимание этих факторов помогает объяснять ход реакций, правильно проводить опыты, рассчитывать среднюю скорость и выбирать условия для ускорения или замедления химических процессов.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Химическая реакция — превращение одних веществ в другие, сопровождающееся изменением состава и строения частиц. Исходные вещества называют реагентами, а образующиеся вещества — продуктами. Это понятие нужно, чтобы отличать химическое превращение от физических изменений, например плавления или измельчения.
Скорость химической реакции — изменение концентрации реагента или продукта за единицу времени. Концентрация показывает, сколько вещества содержится в определённом объёме раствора, обычно в моль/л. Скорость помогает сравнивать, быстро или медленно протекают разные реакции.
Средняя скорость химической реакции — скорость, рассчитанная за определённый промежуток времени по формуле v = Δc/Δt. Для реагента, который расходуется, берут модуль изменения концентрации, чтобы скорость получилась положительной. Такая величина описывает не отдельное мгновение, а весь выбранный интервал.
Катализатор — вещество, изменяющее скорость реакции и не расходующееся в результате реакции. Он участвует в промежуточных стадиях процесса, но в конце восстанавливается. Катализатор нужен для ускорения или замедления реакции без изменения общего состава реагентов и продуктов.
Химическая реакция начинается, когда частицы исходных веществ сталкиваются. Но случайного столкновения недостаточно: частицы должны иметь достаточную энергию и подходящую ориентацию, чтобы старые связи могли разрушиться, а новые — образоваться. Поэтому результативными называют только те столкновения, которые действительно приводят к превращению веществ.
Скорость связывают с концентрацией потому, что концентрация показывает число частиц в данном объёме. Если за одинаковое время концентрация реагента уменьшается сильнее или концентрация продукта растёт быстрее, реакция идёт с большей скоростью. Для реагента концентрация уменьшается, поэтому при расчёте используют модуль изменения, а для продукта — положительное увеличение.
Скорость одной реакции обычно не остаётся постоянной. В начале реагентов много, частицы часто сталкиваются и среди столкновений больше результативных. По мере расходования исходных веществ частиц становится меньше, столкновения происходят реже, поэтому процесс обычно замедляется.
Концентрация увеличивает число частиц в одном объёме, температура повышает их энергию и подвижность, а большая поверхность твёрдого вещества даёт больше мест для контакта. Катализатор предоставляет другой путь реакции, для которого требуется меньшая энергия активации, то есть энергетический барьер. Природа веществ тоже важна: разные атомы, ионы и молекулы имеют неодинаковую прочность связей и различную способность вступать во взаимодействие.
При нагревании частицы движутся быстрее и сталкиваются чаще. Главное изменение состоит в том, что возрастает доля частиц, энергия которых достаточна для реакции, поэтому увеличивается число результативных столкновений. Именно этим объясняется ускорение большинства химических реакций при повышении температуры, а не появлением новых реагентов.
График позволяет увидеть скорость не только по отдельному числу, но и по наклону кривой. Если концентрация меняется резко, наклон больше и реакция в этот момент идёт быстрее; если кривая выравнивается, процесс замедляется.
| Фактор | Как изменяют скорость | Объяснение на уровне частиц | Пример |
|---|---|---|---|
| Концентрация реагентов | Повышение концентрации обычно ускоряет реакцию, а уменьшение замедляет её. | В одном объёме становится больше или меньше частиц, поэтому меняется частота столкновений. | Раствор соляной кислоты большей концентрации быстрее реагирует с цинком. |
| Температура | Повышение температуры обычно ускоряет реакцию. | Частицы движутся быстрее, а доля столкновений с достаточной энергией возрастает. | При нагревании кислота быстрее взаимодействует с мрамором. |
| Площадь поверхности соприкосновения твёрдого вещества | Измельчение твёрдого реагента ускоряет реакцию. | Увеличивается площадь контакта и число частиц, доступных для столкновений. | Порошок мрамора реагирует с кислотой быстрее крупного куска. |
| Катализатор | Ускоряет или замедляет реакцию, не расходуясь в итоге. | Изменяет путь реакции и снижает или повышает энергетический барьер процесса. | Катализатор ускоряет разложение пероксида водорода. |
| Природа реагирующих веществ | Разные вещества реагируют с неодинаковой скоростью. | Связи и строение частиц различаются, поэтому отличаются энергия и условия их взаимодействия. | Цинк реагирует с кислотой иначе, чем медь. |
Сначала определите, какой фактор изменили в опыте, а затем сравните скорость реакции. Если одновременно изменено несколько условий, нужно учитывать их совместное влияние и не приписывать результат только одному фактору. Таблица показывает общую закономерность, но конкретная реакция может иметь свои особенности.
Концентрация вещества уменьшилась с 0,80 до 0,20 моль/л за 30 с. Нужно определить среднюю скорость реакции. Поскольку вещество расходуется, изменение концентрации берём по модулю.
Ответ: средняя скорость реакции равна 0,02 моль/(л·с). Знак «минус» в промежуточном изменении показывает расходование вещества, но скорость выражают положительным числом.
Для реакции Zn + 2HCl → ZnCl2 + H2 сравним скорость уменьшения концентрации HCl и скорость образования H2 за один и тот же промежуток времени. Коэффициенты уравнения показывают, что на 1 моль цинка расходуются 2 моль HCl и образуется 1 моль водорода. Поэтому концентрация кислоты изменяется в два раза сильнее.
Ответ: скорость уменьшения концентрации HCl в два раза больше скорости образования H2. Для сравнения скоростей с учётом коэффициентов иногда используют скорость реакции, деля изменение концентрации на соответствующий коэффициент.
Одинаковые кусочки мрамора реагируют с соляной кислотой: один опыт проводят при комнатной температуре, другой — при нагревании, третий — с порошком мрамора. Нужно сравнить условия, влияющие на частоту результативных столкновений частиц. В опыте с нагреванием увеличивается энергия частиц, а в опыте с порошком — площадь контакта.
Ответ: быстрее всего реакция обычно идёт с порошком мрамора при нагревании, если сравниваются сопоставимые количества и остальные условия одинаковы. Каждый фактор действует по своей причине: температура повышает эффективность столкновений, а измельчение увеличивает их число.
Считать скоростью количество вещества без учёта времени. Количество показывает, сколько вещества изменилось, но не говорит, быстро ли это произошло. Проверьте формулу: в знаменателе обязательно должен быть промежуток времени.
Не учитывать знак изменения концентрации реагента. У расходующегося вещества конечная концентрация меньше начальной, поэтому разность получается отрицательной. Для скорости возьмите модуль и убедитесь, что единица измерения содержит время.
Утверждать, что катализатор расходуется. Такое мнение возникает потому, что катализатор участвует в промежуточных стадиях и может временно изменяться. Проверьте, восстановился ли он в суммарном уравнении реакции: катализатор не входит в итоговый расход реагентов.
Путать влияние температуры с изменением концентрации. При нагревании обычно не добавляется новое вещество, а меняются энергия и движение частиц. Чтобы проверить себя, разделяйте факторы: концентрация меняет число частиц в объёме, температура — их энергию и долю результативных столкновений.
Для понимания темы нужны химическое уравнение, его коэффициенты, количество вещества, концентрация и единицы времени. Позже скорость реакции поможет изучать химическое равновесие, действие катализаторов, промышленное получение веществ и безопасные условия проведения реакций. Связь с физикой проявляется в объяснении движения частиц, температуры и кинетической энергии.
Почему одна и та же реакция в начале идёт быстрее, чем в конце?
В начале концентрация реагентов обычно выше, поэтому частицы сталкиваются чаще. По мере расходования веществ число столкновений и результативных столкновений уменьшается, и реакция замедляется.
Можно ли определить скорость реакции по изменению массы вещества?
Да, если известно, за какой промежуток времени изменилась масса, а условия позволяют связать изменение массы с реакцией. Скорость тогда находят как изменение массы, количества вещества или концентрации за единицу времени.
Почему порошок реагирует быстрее, чем кусок того же вещества?
У порошка больше суммарная площадь поверхности соприкосновения с другим реагентом. Поэтому за то же время происходит больше столкновений частиц, способных привести к реакции.
Всегда ли повышение температуры ускоряет химическую реакцию?
Для большинства реакций повышение температуры ускоряет процесс, потому что увеличивается доля частиц с достаточной энергией. Однако при очень высокой температуре могут идти побочные процессы или разрушаться вещества, поэтому условия подбирают осторожно.
Чем катализатор отличается от реагента?
Реагент расходуется и превращается в продукты реакции. Катализатор участвует в промежуточных стадиях, изменяет скорость процесса, но в итоге восстанавливается и не расходуется.
§ 5. Химические реакции. Скорость химической реакции
