§ 22. Химические реакции протекают с различной скоростью

Определения и обозначения

Скорость химической реакции — изменение концентрации реагирующего вещества или продукта за единицу времени. Для расходуемого вещества можно записать v = |Δc|/Δt, где Δc — изменение концентрации, а Δt — промежуток времени. Обычно скорость выражают в моль/(л·с); она нужна, чтобы сравнивать быстроту разных реакций.

Катализатор — вещество, которое изменяет скорость реакции, участвует в её промежуточных стадиях и восстанавливается к концу процесса. Он меняет путь превращения, но не расходуется в суммарной реакции. Это позволяет ускорять процесс небольшим количеством вещества.

Ингибитор — вещество, замедляющее химическую реакцию. Его применяют, когда нужно уменьшить скорость нежелательного превращения, например порчи или коррозии. Действие ингибитора противоположно обычному ускоряющему действию катализатора.

Гомогенная реакция протекает в одной фазе, например только в растворе или только среди газов. Гетерогенная реакция идёт на границе раздела фаз, например между твёрдым металлом и раствором кислоты. Такое различие помогает понять, почему для твёрдого реагента важна площадь поверхности.

Как это устроено

Реакции протекают с разной скоростью, потому что частицы веществ неодинаково часто сталкиваются и не каждое столкновение приводит к превращению. Скорость связывают с тем, насколько изменилось количество реагента или продукта за выбранный промежуток времени. Если за одинаковое время концентрация изменилась сильнее, средняя скорость реакции больше.

При увеличении концентрации в данном объёме становится больше частиц реагента. Они чаще встречаются друг с другом, поэтому возрастает число эффективных столкновений, то есть столкновений, после которых образуются новые вещества. Поэтому реакция обычно ускоряется, хотя одного факта столкновения недостаточно: частицам нужны подходящее взаимное расположение и достаточная энергия.

Нагревание усиливает движение частиц и увеличивает их среднюю энергию. Из-за этого возрастает число частиц, способных преодолеть энергетический барьер и вступить в реакцию при столкновении. Поэтому число эффективных столкновений обычно растёт, а реакция ускоряется; простого объяснения «частицы сильнее сталкиваются» недостаточно.

Измельчение твёрдого реагента не увеличивает его массу, но раскрывает новые участки поверхности. В гетерогенной реакции превращение происходит там, где твёрдое вещество соприкасается с жидкостью или газом. Чем больше площадь контакта, тем больше частиц может взаимодействовать одновременно и тем быстрее идёт процесс.

Катализатор предлагает реакции другой путь, для которого требуется меньшая энергия, поэтому доля эффективных столкновений увеличивается. Он входит в промежуточные стадии, но в суммарном процессе восстанавливается и не расходуется. Ингибитор, напротив, затрудняет превращение или уменьшает число эффективных столкновений, поэтому замедляет реакцию.

Факторы, влияющие на скорость химической реакции

В таблице сначала находят изменяемое условие, затем смотрят направление его действия и объяснение. Фраза «обычно ускоряет» означает, что речь идёт о типичной закономерности, а конкретный результат зависит от природы веществ и условий.

Разбор задач

1. Цинк в виде куска и порошка

Условие. Цинк реагирует с кислотой при одинаковых условиях. В одном опыте взяли кусок металла, в другом — порошок. Нужно сравнить скорость реакций.

1. Цинк — твёрдый реагент, а кислота соприкасается с его поверхностью, поэтому реакция гетерогенная.
2. При одинаковой массе порошок имеет большую суммарную площадь поверхности, чем цельный кусок.
3. На большей площади за единицу времени происходит больше эффективных столкновений частиц цинка и кислоты.

Ответ: порошок цинка реагирует быстрее. Измельчение увеличило площадь соприкосновения, но не изменило массу металла.

2. Газовая смесь и концентрация реагента

Условие. В двух одинаковых сосудах находится одна и та же газовая смесь. В одном сосуде концентрация одного реагента меньше, в другом — больше. Нужно определить, где реакция идёт быстрее.

1. Объём сосудов и остальные условия одинаковы, поэтому сравниваем только концентрацию.
2. При большей концентрации в том же объёме находится больше частиц реагента.
3. Частицы чаще сталкиваются, и число эффективных столкновений за секунду становится больше.

Ответ: быстрее реакция идёт в сосуде с большей концентрацией реагента.

3. Средняя скорость расходования реагента

Условие. За 20 с концентрация уменьшилась с 0,80 до 0,50 моль/л. В другой реакции за те же 20 с она уменьшилась с 0,80 до 0,20 моль/л. Найдём средние скорости расходования.

1. Для первого опыта изменение концентрации по модулю равно 0,80 − 0,50 = 0,30 моль/л.
2. Средняя скорость первого процесса: v₁ = 0,30/20 = 0,015 моль/(л·с).
3. Для второго опыта изменение равно 0,80 − 0,20 = 0,60 моль/л, поэтому v₂ = 0,60/20 = 0,030 моль/(л·с).
4. Сравниваем значения: 0,030 больше 0,015 в 2 раза.

Ответ: скорости равны 0,015 и 0,030 моль/(л·с); во втором опыте реакция шла в два раза быстрее по расходованию реагента.

Типичные ошибки

Ошибка — считать скоростью всё количество вещества, полученное за реакцию. Так делают, потому что путают результат процесса с темпом его протекания. Проверьте себя: в формуле обязательно должно быть деление изменения концентрации на время.

Ошибка — объяснять действие нагревания только тем, что частицы «сильнее сталкиваются». Такое объяснение не учитывает энергию столкновений. Нужно указать, что при нагревании увеличивается число частиц, способных эффективно реагировать.

Ошибка — считать, что измельчение увеличивает массу твёрдого вещества. Путают количество реагента с площадью его поверхности. Проверьте условие: масса сохраняется, а число доступных для контакта участков становится больше.

Ошибка — считать катализатор реагентом, который полностью расходуется. Это происходит из-за его участия в промежуточных стадиях. Проверьте суммарный процесс: катализатор восстанавливается к завершению реакции.

Связь с другими темами

Для понимания скорости реакции нужны знания о строении вещества, движении частиц, количестве вещества и концентрации раствора. Эти представления объясняют, почему изменение условий влияет на столкновения частиц.

Тема связана с химическим равновесием, где важно различать скорость прямой и обратной реакций. Она также нужна при изучении промышленных процессов: подбор температуры, концентрации и катализатора помогает получать продукт быстрее и экономичнее.

Что запомнить

• Скорость реакции показывает, как быстро меняется количество реагента или продукта.
• Чем выше концентрация реагентов, тем обычно быстрее реакция.
• Повышение температуры обычно увеличивает скорость реакции.
• Измельчение твёрдого реагента увеличивает площадь его контакта с другими веществами.
• Катализатор ускоряет реакцию, не расходуясь в суммарном процессе.
• Ингибитор замедляет химическую реакцию.