"Химия", Рудзитис Г.Е., Фельдман Ф.Г.
Скорость химической реакции показывает, насколько быстро исходные вещества превращаются в продукты. Её определяют по изменению концентрации вещества за выбранное время, поэтому для расчёта всегда нужны оба значения. Скорость зависит от природы реагентов, их концентрации, температуры, площади соприкосновения твёрдых веществ и наличия катализатора. Зная эти факторы, можно объяснять, почему реакции идут с разной быстротой и как ускорить нужную реакцию.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Скорость химической реакции — изменение концентрации одного из реагирующих веществ или продуктов за единицу времени. Её обозначают буквой v; при расчёте указывают, концентрацию какого вещества измеряют и за какой промежуток. Это нужно потому, что скорость реакции может меняться по ходу превращения: результат зависит от выбранного интервала.
Средняя скорость реакции — изменение концентрации за выбранный промежуток времени, делённое на длительность этого промежутка. Её можно записать так: vср = |Δc|/Δt, где Δc — изменение концентрации, а Δt — время. Такая величина показывает не мгновенную скорость в отдельный момент, а усреднённое изменение за весь выбранный интервал.
Концентрация вещества — количество вещества, приходящееся на определённый объём раствора или газовой смеси. Её обычно обозначают c и при расчётах выражают в моль/л; время Δt можно задавать в секундах. Поэтому скорость в таком случае получится в моль/(л·с), и важно не смешивать единицы разных величин.
Катализатор — вещество, которое изменяет скорость реакции и участвует в её протекании, но в итоге не расходуется. Он может ускорять реакцию, не превращаясь в конечный продукт и не заменяя исходные вещества. Это понятие помогает отличать влияние катализатора на ход процесса от расходования реагентов.
В начале реакции исходных веществ обычно много, а продуктов мало. Реагирующие частицы сталкиваются, и при подходящих условиях их столкновение приводит к химическому превращению: исходные вещества расходуются, а продукты накапливаются. Поэтому концентрация реагента обычно уменьшается, а концентрация продукта увеличивается. Изменение можно наблюдать по любому участнику реакции, если его концентрацию удаётся измерить.
Чтобы найти среднюю скорость, сначала сравнивают концентрацию в начале и конце выбранного промежутка, а затем делят изменение на прошедшее время. Например, если за короткое время концентрация меняется сильно, скорость больше, чем при таком же изменении за более долгий срок. Для реагента часто записывают начальную концентрацию минус конечную: так уменьшение превращается в положительную величину. При расчёте по продукту, концентрация которого растёт, берут конечное значение минус начальное.
Скорость зависит от природы реагентов, потому что разные вещества неодинаково легко вступают во взаимодействие. Для превращения частицам нужно столкнуться и иметь условия, позволяющие образовать новые связи и разрушить прежние. У одних сочетаний веществ подходящие столкновения происходят легко, а у других — редко или требуют особых условий. Поэтому даже при одинаковых концентрации и температуре разные реакции могут идти с разной скоростью.
При повышении температуры частицы движутся быстрее, и столкновения происходят чаще. Кроме того, возрастает число столкновений, при которых частицы обладают достаточной энергией для превращения, — такие столкновения называют эффективными. Поэтому большинство реакций при нагревании ускоряется. Насколько сильно изменится скорость, зависит от конкретной реакции и условий, так что нельзя переносить один и тот же коэффициент ускорения на все процессы.
Увеличение концентрации реагентов обычно ускоряет реакцию: в том же объёме становится больше частиц, и они чаще встречаются. Измельчение твёрдого вещества увеличивает общую площадь его поверхности, доступную для контакта с раствором или газом, поэтому взаимодействовать могут частицы с большей части реагента. Катализатор также способен ускорить процесс, меняя условия его протекания. Эти способы влияют на разные стороны взаимодействия, поэтому для опыта можно выбирать подходящий фактор.
| Фактор | Как изменение фактора влияет на скорость | Почему это происходит |
|---|---|---|
| Природа реагирующих веществ | Разные вещества реагируют с разной скоростью. | Частицы веществ неодинаково легко вступают в химическое взаимодействие. |
| Концентрация реагентов | Увеличение концентрации обычно ускоряет реакцию. | В том же объёме больше частиц, поэтому столкновения происходят чаще. |
| Температура | Повышение температуры обычно ускоряет реакцию. | Частицы движутся быстрее, а эффективных столкновений становится больше. |
| Площадь соприкосновения твёрдых веществ | Измельчение твёрдого реагента обычно ускоряет реакцию. | Увеличивается поверхность контакта, доступная для взаимодействия. |
| Наличие катализатора | Катализатор может ускорить реакцию. | Он изменяет ход процесса и в итоге не расходуется. |
Чтобы пользоваться таблицей, сначала определите, какой фактор меняют, а затем сравните скорость до изменения и после него. Указанные направления относятся к обычным условиям и помогают объяснить наблюдение, но не задают точное численное ускорение. В опыте остальные условия по возможности оставляют одинаковыми, чтобы сравнение было честным.
Концентрация вещества за 20 секунд уменьшилась с 0,8 до 0,6 моль/л. Требуется найти среднюю скорость реакции по этому веществу. Поскольку речь идёт о реагенте, его концентрация убывает, но скорость принято выражать положительным числом. Для этого определим величину уменьшения и разделим её на время.
Ответ: средняя скорость равна 0,01 моль/(л·с). Она показывает, насколько в среднем менялась концентрация за одну секунду именно в выбранном промежутке.
Одинаковое количество цинка реагирует в двух опытах с растворами соляной кислоты разной концентрации. Нужно сравнить скорость реакции. Поскольку количество цинка одинаково, отличие условий связано с раствором кислоты. При большей концентрации в том же объёме находится больше частиц реагента.
Ответ: быстрее реакция идёт в опыте с более концентрированной соляной кислотой. Вывод справедлив, если прочие условия, например температура и состояние поверхности цинка, одинаковы.
Нужно ускорить реакцию между твёрдым веществом и раствором, не меняя природу реагентов. В условии не запрещено менять условия опыта, поэтому можно выбрать подходящие факторы скорости. Лучше указать конкретные действия и объяснить, почему каждое из них помогает взаимодействию частиц.
Ответ: реакцию можно ускорить измельчением твёрдого вещества, повышением концентрации раствора или температуры. В конкретном опыте выбирают только безопасные и допустимые изменения условий, сохраняя прежними сами реагенты.
Первая ошибка — считать скоростью количество продукта, полученное к концу реакции. Количество показывает итог, а скорость описывает, как менялась концентрация за определённое время. Путаница возникает потому, что продукт образуется по мере реакции. Проверьте себя: для вычисления скорости должны быть известны и изменение концентрации, и временной интервал.
Вторая ошибка — разделить уменьшение концентрации реагента на время и оставить отрицательный знак. Знак появляется, если изменение записано как конечная концентрация минус начальная, но скорость обычно указывают положительной. При проверке запишите, что именно вычитаете: для реагента можно взять начальное значение минус конечное. Затем убедитесь, что результат неотрицательный.
Третья ошибка — считать, что нагревание ускоряет любую реакцию в одинаковое число раз. Обычно повышение температуры ускоряет процесс, но величина изменения зависит от самой реакции и условий. Ошибка возникает, когда общее правило принимают за точный расчёт для всех случаев. Проверяйте, есть ли в задаче конкретные данные о температуре и скорости; без них нельзя назвать точный коэффициент ускорения.
Четвёртая ошибка — думать, что катализатор расходуется вместе с реагентами или меняет состав конечных продуктов. Катализатор влияет на скорость, но в итоге не расходуется, а его действие не означает появления другого результата реакции. Такую путаницу вызывает само участие катализатора в процессе. Проверьте, не включаете ли вы его ошибочно в число исходных веществ, которые полностью превращаются в продукты.
Для изучения скорости нужно знать, что такое химическая реакция, реагенты и продукты: эти понятия помогают понять, чья концентрация меняется. Также пригодятся навыки расчёта концентрации раствора и перевода времени в нужные единицы. Без них нельзя правильно подставить данные в формулу средней скорости и проверить единицы ответа.
Понимание скорости потребуется при изучении химического равновесия: там важно учитывать процессы, которые идут одновременно и с разной скоростью. В химическом производстве скорость помогает выбирать условия, при которых реакция проходит достаточно быстро и эффективно. Знание факторов позволяет управлять процессом, например менять температуру, концентрацию или использовать катализатор.
Почему скорость реакции может быть разной в начале и в конце?
По мере реакции исходные вещества расходуются, и их концентрация обычно уменьшается. Частицы встречаются реже, поэтому число эффективных столкновений за то же время может стать меньше. Из-за этого реакция часто замедляется.
Как определить скорость, если концентрация реагента уменьшается?
Нужно найти, на сколько концентрация уменьшилась, и разделить это изменение по модулю на прошедшее время. Например, если она снизилась с 0,8 до 0,6 моль/л за 20 секунд, средняя скорость равна 0,01 моль/(л·с). Так результат получается положительным.
Почему измельчённый порошок реагирует быстрее, чем крупные куски?
При измельчении общая площадь поверхности твёрдого вещества увеличивается. Поэтому больше его частиц соприкасается с другим реагентом, и за одно и то же время может произойти больше эффективных столкновений.
Всегда ли повышение температуры ускоряет реакцию?
Для большинства реакций повышение температуры увеличивает скорость, потому что частицы движутся быстрее и чаще сталкиваются с достаточной энергией для превращения. Однако величина ускорения зависит от конкретной реакции и условий. Нельзя считать её одинаковой для всех реакций.
Чем катализатор отличается от реагента?
Реагент расходуется в ходе реакции и превращается в продукты. Катализатор изменяет скорость реакции, но в итоге не расходуется. Он не становится частью конечного состава продуктов.
§ 3. Скорость химических реакций
