"Химия. Профильный уровень", Габриелян О.С., Лысова Г.Г.
Скорость химической реакции показывает, как быстро меняется концентрация реагентов или продуктов. Её используют, чтобы сравнивать реакции и управлять химическими процессами — от синтеза веществ до условий их хранения. Скорость зависит от природы веществ, концентрации, температуры, площади соприкосновения и других условий. Разобраться в этих зависимостях помогают кинетические уравнения и расчёты изменения концентрации за время.
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 v; единица измерения — моль/(л·с), если концентрацию выражают в моль/л, а время — в секундах. Эта величина позволяет сравнивать быстроту процессов и рассчитывать, как меняется состав реакционной смеси.
Закон действующих масс описывает, как скорость зависит от концентраций реагирующих веществ. Для реакции aA + bB → продукты кинетическое уравнение может иметь вид v = k·c(A)ᵐ·c(B)ⁿ, где k — константа скорости, а m и n — показатели степеней. Уравнение помогает количественно оценивать влияние концентраций на скорость.
Температурный коэффициент реакции γ показывает, во сколько раз обычно изменяется скорость при повышении температуры на 10 °C. С его помощью оценивают, как нагревание повлияет на процесс в заданном диапазоне температур. В школьных задачах его используют по правилу Вант-Гоффа.
Катализатор — вещество, которое изменяет скорость реакции и не расходуется в её суммарном уравнении. Он участвует в отдельных промежуточных стадиях, а затем восстанавливается. Понятие катализатора нужно, чтобы отличать изменение пути реакции от изменения её исходных веществ и продуктов.
Среднюю скорость находят по изменению концентрации за выбранный промежуток: v = Δc/Δt. Для продукта концентрация обычно растёт, поэтому отношение положительно; для реагента она падает, и при расчёте ставят минус: v = −Δc/Δt. Так скорость в обоих случаях выражается положительным числом и характеризует один и тот же ход реакции.
Увеличение концентрации обычно ускоряет реакцию, потому что в том же объёме оказывается больше частиц. Они чаще сталкиваются друг с другом за единицу времени, а значит, чаще возникают столкновения, способные привести к превращению. Важны именно эффективные столкновения: не каждое соприкосновение частиц заканчивается реакцией.
Закон действующих масс связывает скорость с концентрациями реагентов. Для реакции общего вида aA + bB → продукты уравнение можно записать как v = k·c(A)ᵐ·c(B)ⁿ. Показатели m и n показывают, насколько сильно изменение каждой концентрации влияет на скорость, а k зависит от природы реакции и температуры. Эти показатели устанавливают экспериментально: коэффициенты суммарного уравнения не всегда подходят вместо них.
При повышении температуры частицы движутся быстрее и чаще сталкиваются, но решающее значение имеет изменение распределения их энергий. Энергия активации — минимальная энергия, необходимая для превращения частиц при столкновении. После нагревания доля частиц, способных преодолеть этот энергетический барьер, увеличивается, поэтому растёт число эффективных столкновений и обычно ускоряется реакция.
Катализатор предоставляет реакции иной путь, для которого требуется преодолеть меньшую энергию активации. Поэтому при той же температуре больше частиц может вступить в эффективное превращение. Катализатор расходуется на отдельных стадиях, но затем восстанавливается; он не меняет состав продуктов и ускоряет как прямую, так и обратную реакции, не смещая равновесие.
| Фактор | Как изменяется скорость | Причина изменения | Пример |
|---|---|---|---|
| Природа реагирующих веществ | Может быть выше или ниже для разных веществ | Различаются строение частиц и лёгкость разрыва связей | Ионные реакции в растворе часто идут быстро |
| Концентрация реагентов | При увеличении обычно возрастает | Частицы чаще сталкиваются | Концентрированная кислота взаимодействует с металлом быстрее разбавленной |
| Температура | При нагревании обычно возрастает | Увеличивается доля частиц, преодолевающих энергию активации | Пища быстрее портится в тепле |
| Площадь поверхности соприкосновения твёрдых веществ | При увеличении обычно возрастает | Больше частиц доступно для контакта | Порошок реагирует быстрее крупных кусков |
| Давление для газообразных веществ | При повышении обычно возрастает | В том же объёме становится больше молекул газа | Синтез аммиака проводят под давлением |
| Катализатор | Может ускорить или замедлить процесс | Меняется путь реакции и энергия активации | Катализатор ускоряет разложение пероксида водорода |
Чтобы воспользоваться таблицей, сначала определите, какое условие меняется, а затем сравните скорость до и после изменения. Учитывайте, что причина связана с частотой эффективных столкновений или с энергетическим барьером. Для количественного расчёта нужны данные задачи, например кинетическое уравнение или температурный коэффициент.
Для реакции концентрация вещества уменьшилась с 0,80 до 0,20 моль/л за 10 с. Нужно определить среднюю скорость. Так как речь идёт о реагенте, его концентрация убывает, поэтому нельзя просто записать отрицательное изменение как положительную скорость.
Ответ: средняя скорость реакции равна 0,060 моль/(л·с). Проверка: концентрация убывала, но сама скорость должна получиться положительной. Её единицы получены делением моль/л на секунды.
Скорость описана уравнением v = k·c(A)²·c(B). Концентрацию A увеличивают в 2 раза, а B — в 3 раза; нужно сравнить новую скорость с исходной. Поскольку k не меняется, достаточно отдельно учесть множители для каждой концентрации.
Ответ: скорость возрастёт в 12 раз. Квадрат концентрации A нельзя заменить обычным удвоением скорости: показатель степени показывает, насколько сильно концентрация участвует в данном кинетическом уравнении.
При температурном коэффициенте γ = 2 скорость при 20 °C равна 0,015 моль/(л·с). Найдём скорость при 50 °C. Разность температур составляет 30 °C, то есть температура повышается трижды на 10 °C, и коэффициент нужно применить для каждого шага.
Ответ: при 50 °C скорость равна 0,12 моль/(л·с). Результат больше исходного, потому что температура повысилась, а коэффициент реакции больше единицы. Правило применяют для указанного в задаче диапазона температур.
Считать скоростью одно лишь изменение количества вещества или концентрации — ошибка: скорость характеризует изменение концентрации за определённое время. Её допускают, когда забывают о временном интервале или объёме раствора. Проверьте расчёт: в единицах результата обязательно должно быть время в знаменателе, например моль/(л·с).
Если концентрация реагента уменьшается, Δc отрицательно. Записать для него положительное изменение без пояснения — значит потерять направление изменения; в расчёте скорости используют минус или модуль. Проверка проста: скорость расходования реагента должна быть положительной, хотя сама разность конечной и начальной концентраций отрицательна.
Нельзя автоматически возводить каждую концентрацию в первую степень или без оговорки брать показатели из коэффициентов реакции. Так поступают, путая стехиометрическое уравнение с кинетическим законом. Проверьте, какое уравнение скорости дано в условии, и используйте именно его показатели; для сложной реакции их устанавливают экспериментально.
Катализатор не является исходным веществом или конечным продуктом суммарной реакции, хотя участвует в промежуточных стадиях. Ошибка возникает, если отдельную стадию принимают за всё превращение. Сверьте суммарное уравнение: катализатор регенерируется и не должен оставаться среди реагентов или продуктов.
Для расчётов скорости нужны знания о молярной концентрации, количестве вещества, уравнивании реакций и единицах времени. Эти понятия позволяют правильно определить изменение состава смеси и выразить результат. Без них легко перепутать количество вещества с концентрацией.
Скорость связана с химическим равновесием: оно устанавливается, когда скорости прямой и обратной реакций становятся равными. Поэтому кинетика помогает понять, как быстро система придёт к равновесию. Знания о скорости применяют при изучении катализа, промышленного синтеза, хранения веществ и управления химическими процессами.
Почему скорость реакции нельзя определить только по её уравнению?
Уравнение реакции показывает исходные и образующиеся вещества, а также их стехиометрические соотношения. Но скорость зависит ещё от концентраций, температуры, природы веществ и других условий. Для её численного определения нужны данные об изменении концентрации за время или кинетическое уравнение.
Почему для реагента при расчёте скорости появляется знак минус?
По мере реакции реагент расходуется, поэтому его концентрация уменьшается и Δc имеет отрицательное значение. Скорость принято выражать положительным числом, поэтому для реагента используют v = −Δc/Δt или берут модуль изменения.
Всегда ли показатели степеней в законе действующих масс совпадают с коэффициентами уравнения реакции?
Нет, не всегда. Показатели в кинетическом уравнении устанавливают экспериментально и для сложной реакции нельзя автоматически брать их из коэффициентов суммарного уравнения. Совпадение возможно, например, для элементарной стадии.
Почему повышение температуры влияет на скорость сильнее, чем простое увеличение числа столкновений?
При нагревании возрастает не только подвижность частиц и частота их столкновений. Особенно важно, что увеличивается доля частиц с энергией, достаточной для преодоления энергии активации. Поэтому число эффективных столкновений может вырасти значительно.
Изменяет ли катализатор химическое равновесие или только скорость его достижения?
Катализатор не смещает равновесие и не меняет равновесный состав системы. Он ускоряет прямую и обратную реакции, поэтому равновесие устанавливается быстрее.
§ 13. Скорость химических реакций
