§ 2. Скорость химической реакции

Определения и обозначения

Скорость химической реакции — изменение количества вещества или его концентрации за единицу времени. Её можно оценить по тому, как быстро расходуется реагент или образуется продукт. Например, чем быстрее убывает концентрация исходного вещества, тем быстрее протекает реакция. Это понятие позволяет сравнивать реакции, даже если в них получаются разные количества продуктов.

Средняя скорость реакции — изменение концентрации вещества за выбранный промежуток времени. Её вычисляют по формуле v = |Δc|/Δt, где Δc — изменение концентрации, а Δt — время. Вертикальные черты означают, что берут модуль изменения, поэтому скорость записывают положительным числом. Если концентрация измерена в моль/л, а время — в секундах, единица скорости — моль/(л·с).

Гомогенная реакция происходит между веществами, находящимися в одной фазе, то есть в одном агрегатном состоянии или в одной однородной смеси. Например, реагенты могут быть растворены в одном растворе. Их частицы перемешаны и могут взаимодействовать во всём объёме системы, а не только на её границе. Такое различие помогает понять, где именно происходит реакция.

Гетерогенная реакция идёт между веществами, находящимися в разных фазах, например между твёрдым веществом и раствором. Взаимодействие происходит на поверхности соприкосновения фаз: частицы одного вещества должны добраться до границы контакта. Поэтому площадь этой поверхности влияет на то, как быстро идёт реакция. Это объясняет, почему измельчённый твёрдый реагент часто реагирует быстрее крупного куска.

Как это устроено

Чтобы вещества вступили в реакцию, их частицы должны столкнуться. Но столкновения сами по себе ещё не означают, что произойдёт превращение: частицам нужна достаточная энергия, а расположение атомов при встрече должно быть подходящим. Если энергии мало или частицы сталкиваются неудачно, они разлетаются без образования новых веществ. Поэтому скорость зависит не только от числа столкновений, но и от того, какая их доля приводит к реакции.

Когда концентрация реагентов в растворе растёт, в том же объёме оказывается больше частиц. Из-за этого они чаще встречаются, и за одинаковое время происходит больше результативных столкновений. Похожим образом действует повышение давления в реакции между газами: при сжатии газовые частицы располагаются плотнее. Они чаще сталкиваются друг с другом, поэтому скорость обычно увеличивается.

При нагревании частицы движутся быстрее, поэтому столкновения происходят чаще. Однако этим действие температуры не ограничивается: быстрее движущиеся частицы имеют в среднем больше энергии. Поэтому увеличивается доля столкновений, в которых энергии хватает для преодоления энергетического барьера — минимального препятствия для превращения реагентов в продукты. Именно рост этой доли особенно заметно ускоряет реакцию.

В гетерогенной реакции твёрдое вещество взаимодействует с другим реагентом на границе соприкосновения. Если один большой кусок раздробить, суммарная площадь его поверхности увеличится, хотя масса останется той же. К большему числу участков поверхности могут одновременно подойти частицы второго реагента. Поэтому измельчение обычно ускоряет реакцию, если прочие условия не меняются.

Катализатор — вещество, которое ускоряет реакцию, меняя путь её протекания. Новый путь требует преодолеть меньший энергетический барьер, поэтому больше столкновений становится результативными. Катализатор участвует в отдельных этапах процесса, но в итоге восстанавливается и не расходуется. Он ускоряет достижение химического равновесия, но не меняет положение равновесия.

Факторы, влияющие на скорость химической реакции

Пользуясь таблицей, сначала определите, какое условие меняется, а затем сравните остальные условия опытов. Для газа учитывайте давление, а для твёрдого реагента — площадь контакта. Вывод о скорости делайте с учётом того, что природа веществ тоже имеет значение.

Разбор задач

Задача 1. За 20 секунд концентрация реагента уменьшилась с 0,80 до 0,60 моль/л. Найдём среднюю скорость реакции по реагенту. Поскольку реагент расходуется, его концентрация убывает, но скорость запишем положительной.

1. Найдём изменение концентрации: Δc = 0,60 − 0,80 = −0,20 моль/л.
2. Подставим модуль изменения и время в формулу: v = |Δc|/Δt = 0,20/20.
3. Выполним деление и укажем единицу: v = 0,01 моль/(л·с).

Ответ: средняя скорость равна 0,01 моль/(л·с). Модуль нужен потому, что концентрация реагента уменьшилась, а скорость реакции по принятому обозначению выражают положительным числом.

Задача 2. Сравним реакцию цинка с соляной кислотой при одинаковых условиях: в первом опыте взяли кусок цинка, во втором — такую же массу порошка. Важно, что масса, вещества и условия одинаковы, поэтому сравниваем влияние только измельчения. Реакция гетерогенная: цинк соприкасается с раствором кислоты на поверхности.

1. При измельчении одного и того же количества цинка суммарная площадь поверхности увеличивается.
2. На большей поверхности одновременно могут взаимодействовать частицы кислоты.
3. За одинаковое время происходит больше столкновений реагентов на границе контакта, поэтому реакция порошка идёт быстрее.

Ответ: быстрее реагирует порошок цинка. Если бы другие условия отличались, например концентрация кислоты, сравнение уже нельзя было бы объяснить только размером кусочков.

Задача 3. Реакция при 20 °C завершается за 80 секунд. Нужно оценить скорость и время при 40 °C, если при повышении температуры на каждые 10 °C скорость возрастает в 2 раза. Используем правило Вант-Гоффа именно дважды: от 20 до 30 °C и от 30 до 40 °C. Считаем, что прочие условия не изменяются.

1. Температура увеличилась на 20 °C, то есть произошло два повышения по 10 °C.
2. Скорость увеличится в 2 × 2 = 4 раза.
3. При прочих равных во столько же раз сократится время: 80/4 = 20 секунд.

Ответ: скорость возрастёт в 4 раза, а реакция займёт примерно 20 секунд. Время обратно связано со скоростью: если реакция идёт быстрее в несколько раз, для того же превращения потребуется во столько же раз меньше времени.

Типичные ошибки

Первая ошибка — считать скоростью просто количество образовавшегося продукта. Само количество не показывает, быстро ли шла реакция: одинаковый объём продукта может появиться за секунды или за часы. Это путают, когда забывают учесть время. Проверьте себя: в расчёте должны быть изменение количества вещества или концентрации и промежуток времени.

Вторая ошибка — не учитывать, что концентрации реагента и продукта меняются в противоположных направлениях. Реагент обычно убывает, а продукт накапливается, поэтому изменение концентрации реагента может иметь знак минус. Ошибка возникает, если напрямую подставить это значение и получить отрицательную скорость. Проверьте знак и используйте модуль в формуле средней скорости.

Третья ошибка — объяснять влияние температуры только тем, что частицы движутся быстрее. Это верно, но не объясняет главного: при нагревании увеличивается доля частиц с энергией, достаточной для реакции. Учащиеся иногда не связывают температуру с энергетическим барьером. Для проверки назовите оба эффекта: более частые столкновения и больше результативных столкновений.

Четвёртая ошибка — считать, что катализатор расходуется или смещает равновесие. Его принимают за обычный реагент, потому что он участвует в промежуточных этапах. Но в итоге катализатор восстанавливается: он ускоряет достижение равновесия, а не меняет его положение. Проверьте себя вопросами: изменился ли состав равновесной смеси и исчез ли катализатор после реакции?

Связь с другими темами

Для изучения скорости реакции нужны знания о концентрации раствора, агрегатных состояниях веществ и химических уравнениях. Концентрация помогает описать, сколько частиц приходится на объём, а сведения о фазах позволяют различать гомогенные и гетерогенные реакции. Химическое уравнение показывает, какие вещества расходуются и образуются. Позже эти знания пригодятся при изучении химического равновесия и катализа, а также при выборе условий химических производств.

Что запомнить

• Скорость реакции характеризует изменение количества вещества или его концентрации за единицу времени.
• Среднюю скорость можно вычислить как |Δc|/Δt.
• Скорость зависит от природы реагентов и условий реакции.
• Повышение концентрации реагентов обычно увеличивает скорость реакции.
• Повышение температуры обычно ускоряет реакцию.
• Измельчение твёрдого реагента увеличивает площадь контакта и ускоряет гетерогенную реакцию.
• Катализатор ускоряет реакцию, не расходуясь в итоге.