"Химия. Профильный уровень", Габриелян О.С., Лысова Г.Г.
Скорость реакции показывает, насколько быстро изменяется состав системы, а химическое равновесие описывает обратимую реакцию, в которой прямой и обратный процессы идут с одинаковой скоростью. В практической работе сравнивают реакции по времени появления осадка или изменения окраски, выясняют роль концентрации, температуры и катализатора. Затем по принципу Ле Шателье предсказывают, как изменится равновесие при внешнем воздействии.
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: v = Δc/Δt. Её определяют по наблюдениям, например по времени появления осадка, а затем сравнивают или рассчитывают. Понятие нужно, чтобы количественно оценить быстроту превращения.
Эффективное столкновение — столкновение частиц, после которого происходит химическое превращение. Частицы должны иметь достаточную энергию и столкнуться в подходящей взаимной ориентации. Это объясняет, почему не каждое столкновение приводит к реакции.
Химическое равновесие — состояние обратимой реакции, при котором скорости прямой и обратной реакций равны, а концентрации веществ со временем не меняются. Равновесие является динамическим: оба процесса продолжаются. Такое определение помогает отличить равновесную систему от остановившейся реакции.
Принцип Ле Шателье — правило, по которому система при внешнем воздействии смещает равновесие в сторону, ослабляющую это воздействие. Учитывают изменение концентрации, температуры и давления. Принцип позволяет предсказать направление смещения без полного расчёта новых концентраций.
В опыте скорость часто оценивают по времени появления заметного помутнения или изменения окраски. Если конечный признак и количество превращённого вещества одинаковы, меньший промежуток времени означает большую скорость. Сравнение будет справедливым только при одинаковых объёмах, концентрациях, температуре и способе наблюдения.
При увеличении концентрации в том же объёме становится больше частиц реагента. Они чаще сталкиваются, поэтому за то же время возрастает число столкновений, способных привести к превращению. Вероятность эффективных столкновений увеличивается, и реакция идёт быстрее.
Нагревание повышает среднюю кинетическую энергию частиц и их подвижность. Поэтому возрастает не только частота столкновений, но и доля столкновений с энергией, достаточной для преодоления энергетического барьера реакции. Катализатор действует иначе: он снижает энергию активации, то есть создаёт более лёгкий путь, но не расходуется в общем уравнении.
В обратимой реакции продукты могут снова превращаться в исходные вещества. Сначала обычно быстрее идёт прямой процесс, затем реагентов становится меньше, а продуктов больше, поэтому скорости сближаются. Равновесие устанавливается, когда скорости становятся равными; их равенство не требует равенства концентраций.
По принципу Ле Шателье добавление реагента обычно смещает равновесие в сторону его расходования, а удаление продукта — в сторону его образования. Для температуры нужно знать тепловой эффект: нагревание поддерживает эндотермическое направление, охлаждение — экзотермическое. Давление заметно влияет главным образом на газовые системы: равновесие смещается к стороне с меньшим числом молей газа при повышении давления.
В графе «Что наблюдать» записывают конкретный признак и время его появления либо изменение окраски равновесной смеси. Затем сравнивают опыт с контрольным, где остальные условия сохранены. Вывод формулируют только по тому фактору, который изменяли.
| Что исследуется | Изменяемое условие | Что наблюдать | Вывод о скорости или равновесии |
|---|---|---|---|
| Влияние концентрации на скорость реакции | Концентрация одного реагента | Время появления осадка или окраски | Большая концентрация обычно увеличивает скорость |
| Влияние температуры на скорость реакции | Температура растворов | Скорость появления заметного признака | Нагревание обычно ускоряет реакцию |
| Влияние катализатора на скорость реакции | Добавление катализатора | Изменение времени окончания опыта | Катализатор ускоряет реакцию |
| Влияние концентрации вещества на положение равновесия | Добавление или удаление вещества | Изменение окраски равновесной смеси | Равновесие смещается в сторону ослабления воздействия |
| Влияние температуры или давления на положение равновесия | Нагревание, охлаждение или изменение давления | Изменение окраски или состава газовой смеси | Направление смещения определяют по тепловому эффекту и числу молей газа |
В первом опыте помутнение появилось через 40 с, во втором — через 20 с. Конечный признак одинаков, значит, можно считать, что достигнута одна и та же степень превращения. Поэтому скорость сравнивают по обратным величинам времени.
Ответ: первая реакция вдвое медленнее второй, или скорости различаются в 2 раза.
В одной пробирке находится более концентрированный раствор того же реагента. При прочих равных условиях в нём больше частиц в единице объёма, поэтому столкновения происходят чаще. Нельзя приписывать результат одной концентрации, если одновременно изменились температура или объём.
Ответ: реакция быстрее в пробирке с более концентрированным раствором, если остальные условия одинаковы.
Рассмотрим реакцию N₂(г) + 3H₂(г) ⇄ 2NH₃(г), которая является экзотермической в прямом направлении. Слева участвуют 4 моль газа, справа — 2 моль. Эти данные позволяют отдельно оценить действие давления и температуры.
Ответ: при повышении давления равновесие смещается вправо, при повышении температуры — влево.
Ошибка 1. Более быстрое исчезновение окраски не всегда означает большую скорость: могли отличаться объёмы, концентрации или критерии окончания опыта. Проверяйте, одинаковы ли исходные условия и сравнивается ли один и тот же признак.
Ошибка 2. Иногда считают, что катализатор смещает равновесие к продуктам. Он ускоряет прямую и обратную реакции, поэтому проверка проста: равновесный состав при наличии и отсутствии катализатора не должен различаться.
Ошибка 3. Динамическое равновесие ошибочно принимают за прекращение реакции. Если концентрации постоянны, но прямой и обратный процессы продолжаются, это равновесие; равенство скоростей не означает равенства концентраций.
Ошибка 4. Нельзя предсказывать смещение только по словам «повысили давление» или «нагрели». Сначала проверьте уравнение: посчитайте молей газа и определите тепловой эффект прямой реакции.
До практической работы нужны уравнения реакций, признаки химических превращений, понятия концентрации и температуры, а также правила безопасной работы с реактивами. Объяснение скорости опирается на строение вещества и движение частиц, потому что именно они определяют столкновения.
Знания применяют при изучении химического производства: выбирают условия получения веществ, регулируют скорость процессов и оценивают выход продукта в обратимых реакциях. Поэтому наблюдение в лаборатории связывается с расчётами и промышленными технологиями.
Как сравнить скорость реакции, если в опытах получились разные времена?
Если выбранный признак реакции одинаков, скорости сравнивают обратно пропорционально времени: чем меньше время, тем быстрее реакция. Например, при временах 20 и 40 с первая реакция вдвое быстрее второй.
Почему повышение температуры ускоряет реакцию?
При нагревании частицы движутся быстрее, поэтому чаще сталкиваются и имеют больше энергии. Доля столкновений, достаточных для разрыва старых и образования новых связей, увеличивается.
Что именно делает катализатор и влияет ли он на равновесие?
Катализатор предлагает реакции другой путь с меньшей энергией активации, поэтому ускоряет её. Он одинаково ускоряет прямой и обратный процессы и не изменяет положение равновесия.
Как понять, что в системе установилось химическое равновесие?
Макроскопические свойства системы, например окраска или концентрации веществ, перестают изменяться со временем. При этом реакции не прекращаются: прямой и обратный процессы продолжаются с равными скоростями.
Как определить, в какую сторону сместится равновесие при изменении условий?
Нужно применить принцип Ле Шателье: система будет противодействовать внешнему изменению. Для температуры учитывают тепловой эффект, для давления — число молей газа, а для концентрации — добавленное или удалённое вещество.
Практическая работа № 1. Скорость химических реакций. Химическое равновесие
