"Химия. Профильный уровень (в 2 частях)", Кузнецова Н.Е., Литвинова Т.Н., Лёвкин А.Н.
Скорость химической реакции показывает, как быстро реагенты превращаются в продукты. Её определяют по изменению концентрации веществ за время, а объясняют через столкновения частиц: не каждое столкновение приводит к реакции. На скорость влияют природа веществ, концентрация, температура, площадь соприкосновения твёрдых реагентов и катализатор. Понимание этих факторов помогает управлять реакциями в лаборатории и производстве, а также выбирать условия хранения веществ.
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; обозначают её v. Обычно скорость измеряют в моль/(л·с), иногда — в моль/(л·мин). Для реагента используют запись v = −Δc/Δt, а для продукта — v = Δc/Δt: знак учитывает, что реагенты расходуются, а продукты образуются.
Средняя скорость реакции — изменение концентрации за выбранный промежуток времени, делённое на длительность этого промежутка: vср = |Δc|/Δt. Например, она показывает, насколько в среднем менялась концентрация за первые двадцать секунд. Такое значение удобно для расчётов, но оно не описывает, как скорость могла меняться внутри интервала.
Эффективное столкновение — столкновение частиц, после которого происходит химическое превращение. Частицам необходимо столкнуться с достаточной энергией, а их взаимное расположение должно позволить перестроить химические связи. Понятие помогает объяснить, почему увеличение числа столкновений не всегда означает такое же увеличение числа реакций.
Катализатор — вещество, которое изменяет скорость реакции и участвует в её промежуточных стадиях, но не расходуется в суммарном уравнении. В ходе процесса оно может временно превращаться, а затем восстанавливаться. Это определение нужно, чтобы отличать катализатор от реагента, который остаётся химически изменённым в продуктах.
Частицы реагентов движутся и сталкиваются друг с другом, но лишь часть столкновений приводит к образованию продуктов. Для превращения нужно преодолеть энергетический барьер, а молекулы должны встретиться подходящими участками. Поэтому скорость определяется частотой именно эффективных столкновений: когда их за секунду больше, реагенты быстрее расходуются и продукты быстрее накапливаются.
Зависимость скорости реакции от концентраций реагирующих веществ выражает закон действующих масс. При большей концентрации в том же объёме находится больше частиц, поэтому вероятность их встреч обычно возрастает. У газов концентрацию можно повысить сжатием: давление увеличивается, частицы оказываются ближе друг к другу и чаще сталкиваются; конкретная зависимость скорости от концентраций определяется самой реакцией.
При нагревании частицы движутся быстрее, но решающее значение имеет изменение распределения их энергий. Энергией выше порога, необходимого для реакции, обладает большая доля частиц, поэтому больше столкновений становится эффективными. Приближённо влияние температуры оценивают правилом Вант-Гоффа: если повышение на 10 °C увеличивает скорость в γ раз, то повышение на 20 °C даёт множитель γ², пока такое приближение применимо.
В гетерогенной реакции реагенты находятся в разных фазах, например твёрдое вещество соприкасается с раствором или газом. Превращение происходит там, где фазы контактируют, поэтому внутренняя часть крупного куска твёрдого вещества непосредственно в реакцию не вступает. Измельчение увеличивает площадь поверхности контакта и число доступных участков, из-за чего процесс обычно ускоряется.
Скорость зависит и от природы реагентов: прочность связей, строение частиц и особенности механизма превращения различаются. Катализатор меняет механизм и предлагает путь с меньшей энергией активации — минимальной энергией, необходимой для превращения. Так больше частиц может преодолеть барьер при той же температуре; катализатор ускоряет прямую и обратную реакции, но не меняет положение равновесия.
| Фактор | Почему меняется скорость | Как изменение фактора влияет на скорость |
|---|---|---|
| Природа реагирующих веществ | Различаются строение частиц, прочность связей и механизмы превращения. | Одни вещества реагируют быстро, другие — медленно; универсального направления изменения нет. |
| Концентрация реагентов или давление газов | Меняется число частиц в единице объёма и частота их встреч. | Увеличение концентрации, а для газов часто и давления, обычно ускоряет реакцию. |
| Температура | Увеличивается доля частиц с энергией, достаточной для реакции. | Повышение температуры обычно ускоряет реакцию, понижение — замедляет. |
| Площадь поверхности соприкосновения твёрдых веществ | На большей площади контактирует больше частиц разных фаз. | Измельчение твёрдого реагента обычно ускоряет гетерогенную реакцию. |
| Катализатор или ингибитор | Катализатор меняет механизм, а ингибитор тормозит ход реакции. | Катализатор ускоряет реакцию; ингибитор снижает её скорость. |
Чтобы применить таблицу, сначала определите, какой фактор меняется, а затем найдите объяснение через число столкновений или условия превращения. Учитывайте, что влияние природы веществ и концентрации зависит от конкретной реакции. Правило Вант-Гоффа используйте лишь как приближённую оценку в подходящем температурном диапазоне.
Задача 1. За 20 с концентрация реагента уменьшилась с 0,80 до 0,50 моль/л. Найдите среднюю скорость расходования реагента. Концентрация снизилась, поэтому её изменение Δc = 0,50 − 0,80 = −0,30 моль/л. Для положительной скорости расходования применяем знак минус.
Задача 2. Для реакции A + B → продукты скорость пропорциональна произведению концентраций A и B. Найдём, во сколько раз она изменится, если концентрацию A увеличить в 2 раза, а B — в 3 раза. Если v = k[A][B], то при новых концентрациях скорость пропорциональна 2[A] · 3[B].
Задача 3. При повышении температуры на 20 °C скорость реакции увеличивается в 2 раза на каждые 10 °C. Нужно применить правило Вант-Гоффа и посчитать число десятиградусных интервалов. Температурный коэффициент γ равен 2, поэтому для двух интервалов множитель равен 2².
Ошибка: записывать скорость расходования реагента как Δc/Δt без минуса и получать отрицательное значение. Так делают, потому что забывают: концентрация реагента убывает, тогда как скорость обычно выражают положительным числом. Проверьте знак: при положительном Δt и отрицательном Δc поставьте перед отношением минус.
Ошибка: смешивать среднюю и мгновенную скорости. Средняя относится ко всему выбранному интервалу, а мгновенная характеризует реакцию в конкретный момент; их путают, потому что обе описывают изменение концентрации со временем. Проверьте, за какой промежуток дано значение: если указаны его начало и конец, речь идёт о средней скорости.
Ошибка: считать, что катализатор смещает химическое равновесие. Поскольку катализатор ускоряет реакции, может показаться, что продуктов в равновесии станет больше, но он ускоряет и прямой, и обратный процессы. Для самопроверки разделяйте скорость достижения равновесия и его положение: катализатор меняет первую, а не второе.
Ошибка: использовать правило Вант-Гоффа как точный универсальный закон. Это удобная приближённая оценка, а её применимость ограничена определённым диапазоном температур и конкретной реакцией. Проверьте условие задачи: если правило задано, примените его для указанного изменения температуры, но не делайте из результата общего вывода для любых условий.
Для расчётов скорости нужны понятия концентрации раствора и количества вещества: они позволяют выразить, сколько частиц приходится на единицу объёма. Химическое уравнение и стехиометрические коэффициенты показывают соотношение реагентов и продуктов, а также помогают сопоставлять изменение их концентраций. Поэтому перед решением задач полезно уметь читать уравнения реакций и рассчитывать концентрации.
Знание скорости помогает понять химическое равновесие: реакция может быть быстрой или медленной, а равновесие устанавливается, когда скорости прямого и обратного процессов равны. Катализ объясняет, как ускорить превращения без расходования катализатора в суммарном уравнении. Эти знания применяют при выборе условий промышленного получения веществ и хранения продуктов, когда нужно либо ускорить нужную реакцию, либо замедлить нежелательные изменения.
В каких единицах измеряют скорость химической реакции?
Обычно скорость выражают в моль/(л·с), то есть в изменении концентрации за секунду. Если время измеряют в минутах, единицей может быть моль/(л·мин).
Почему скорость расходования реагента записывают со знаком минус?
Концентрация реагента во время реакции уменьшается, поэтому её изменение за время отрицательно. Знак минус перед отношением Δc/Δt позволяет выражать скорость расходования положительным числом.
Почему при нагревании реакция обычно идёт быстрее?
При повышении температуры частицы движутся быстрее и чаще сталкиваются. Кроме того, возрастает доля частиц с энергией, достаточной для превращения, поэтому эффективных столкновений становится больше.
Всегда ли увеличение концентрации ускоряет реакцию?
Не обязательно: влияние концентрации определяется механизмом реакции и её кинетическим уравнением. Для газов повышение давления часто увеличивает скорость, потому что возрастает концентрация частиц, но это тоже зависит от условий и природы реакции.
Меняет ли катализатор положение химического равновесия?
Нет, катализатор не меняет положение равновесия и состав смеси в равновесии. Он ускоряет прямую и обратную реакции, поэтому равновесное состояние достигается быстрее.
§ 21. Скорость химических реакций и факторы, влияющие на неё
