"Химия (углублённый уровень)", Еремин В.В., Кузьменко Н.Е., Дроздов А.А. и др./ Под ред. Лунина В.В.
Скорость химической реакции показывает, как быстро изменяются концентрации реагентов и продуктов. Её рассчитывают по изменению концентрации за определённое время и выражают в моль/(л·с). Закон действующих масс связывает скорость с концентрациями реагирующих веществ, а кинетическое уравнение показывает конкретный вид этой зависимости. Показатели степеней устанавливают для каждой реакции отдельно, поэтому их нельзя автоматически брать из стехиометрических коэффициентов.
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 и измеряют обычно в моль/(л·с). Различают среднюю скорость за выбранный промежуток времени и мгновенную скорость в конкретный момент.
Концентрация вещества — количество вещества в единице объёма раствора или газовой смеси: c = n/V. Здесь n — количество вещества, а V — объём. Концентрация нужна для расчёта скорости, потому что именно её изменение показывает ход реакции.
Закон действующих масс связывает скорость реакции с концентрациями реагирующих веществ, возведёнными в определённые степени. Чем больше концентрации участвующих частиц, тем обычно выше скорость. Эти зависимости записывают в кинетическом уравнении.
Кинетическое уравнение реакции — выражение, связывающее скорость с концентрациями реагентов и константой скорости. Например, для реакции с веществами A и B оно может иметь вид v = k[A]ᵅ[B]ᵝ. По этому выражению можно рассчитать скорость или предсказать её изменение.
Скорость реакции характеризует, насколько быстро исчезают реагенты или появляются продукты. Её находят по изменению концентрации за промежуток времени: чем больше изменение за одинаковое время, тем быстрее идёт процесс. Для расходующегося реагента ставят знак минус, потому что его концентрация уменьшается, а скорость принято считать положительной.
На молекулярном уровне реакция возможна не при каждом столкновении частиц. Частицы должны встретиться с подходящей ориентацией и достаточной энергией, поэтому такие столкновения называют эффективными. При увеличении концентрации в данном объёме становится больше частиц, столкновения происходят чаще и число эффективных столкновений обычно возрастает.
Для реакции, подчиняющейся закону действующих масс, скорость записывают как произведение константы скорости на концентрации реагентов в соответствующих степенях. Например, выражение v = k[A][B] означает, что скорость прямо пропорциональна обеим концентрациям. Если одну из них увеличить в несколько раз, при неизменной второй скорость изменится во столько же раз.
Показатели степеней в кинетическом уравнении не всегда совпадают со стехиометрическими коэффициентами суммарного уравнения реакции. Суммарное уравнение показывает общий состав превращения, но не раскрывает последовательность элементарных стадий. Поэтому порядок по каждому веществу устанавливают для конкретной реакции, обычно по результатам эксперимента.
Константа скорости k отражает особенности самой реакции при данных условиях. Она зависит от природы реагентов и температуры: при нагревании обычно увеличивается, поскольку возрастает доля частиц с достаточной энергией. Если температура и прочие условия фиксированы, простое изменение концентраций меняет скорость через выражение закона действующих масс, но не меняет k.
В таблице собраны основные обозначения и зависимости, используемые при описании скорости. Сначала определите, какие величины известны, затем выберите нужную формулу. При сравнении двух скоростей удобно рассматривать только множители, на которые изменились концентрации.
| Величина или понятие | Обозначение | Смысл или выражение | Единицы измерения |
|---|---|---|---|
| Скорость реакции | v | Изменение концентрации за единицу времени; vср = ±Δc/Δt | моль/(л·с) |
| Концентрация реагента | c, [A] | Количество вещества в единице объёма: c = n/V | моль/л |
| Константа скорости | k | Коэффициент пропорциональности в кинетическом уравнении | Зависит от порядка реакции |
| Кинетическое уравнение для реакции A + B → продукты | v = k[A]ᵅ[B]ᵝ | Скорость равна произведению k и концентраций в степенях α и β | Зависит от α и β |
| Влияние изменения концентрации на скорость | v₂/v₁ | v₂/v₁ = ([A]₂/[A]₁)ᵅ([B]₂/[B]₁)ᵝ | Без единиц |
Задача 1. Концентрация вещества за 20 с уменьшилась с 0,80 до 0,50 моль/л. Требуется найти среднюю скорость расходования вещества. Поскольку реагент расходуется, его концентрация уменьшается, но скорость расходования запишем положительной.
Ответ: средняя скорость расходования равна 0,015 моль/(л·с).
Задача 2. Скорость описывается уравнением v = k[A][B]. Концентрацию A увеличили в 3 раза, а концентрацию B оставили прежней. Нужно определить, как изменится скорость, не вычисляя k.
Ответ: скорость увеличится в 3 раза.
Задача 3. Для реакции задано v = k[A]²[B]. Концентрацию A уменьшили в 2 раза, а концентрацию B увеличили в 3 раза. Квадрат у [A] означает, что её изменение нужно учесть дважды.
Ответ: скорость уменьшится в 4/3 раза, или станет равна 3/4 первоначальной.
Считать скорость всегда равной изменению концентрации продукта — ошибка, потому что у реагента концентрация убывает. Из-за этого получают отрицательное значение или неверно трактуют знак. Проверьте, что для скорости расходования использован минус перед Δc либо модуль изменения.
Подставлять стехиометрические коэффициенты как показатели степеней без основания нельзя. Коэффициенты описывают общий баланс веществ, а порядок реакции связан с её механизмом и определяется отдельно. Проверьте, дано ли кинетическое уравнение или показатели установлены экспериментально.
Забывать возводить изменение концентрации в нужную степень — значит нарушать сам закон скорости. Такая ошибка особенно часто возникает в выражении v = k[A]²[B]. Проверьте каждую концентрацию и показатель над ней до выполнения умножения.
Считать константу скорости неизменной при любых условиях тоже неверно. В частности, k зависит от температуры и природы реагентов, поэтому переносить её значение в другие условия без оговорки нельзя. Проверьте, сохраняются ли температура и остальные условия опыта.
Для работы с темой нужны понятия количества вещества, концентрации и скорости изменения физической величины. Они позволяют правильно читать формулы и выбирать единицы измерения. Без них расчёт скорости сводится к механической подстановке.
Закон действующих масс используется при изучении химического равновесия, факторов, влияющих на скорость, и кинетики химических процессов. Он помогает объяснить, почему изменение условий меняет направление или быстроту превращений. Кинетические зависимости связывают наблюдаемый результат с поведением частиц.
Связь скорости с концентрацией важна для экспериментального исследования реакции. По изменению концентраций во времени устанавливают порядок реакции и составляют кинетическое уравнение. Так теория превращается в способ анализа реального химического процесса.
Почему скорость реакции обычно увеличивается при повышении концентрации реагентов?
При увеличении концентрации в том же объёме становится больше частиц реагентов. Поэтому они чаще сталкиваются, и возрастает число эффективных столкновений, приводящих к реакции.
Как определить скорость реакции по изменению концентрации за промежуток времени?
Нужно разделить изменение концентрации на прошедшее время. Для расходующегося реагента используют выражение v = −Δc/Δt, а для образующегося продукта — v = Δc/Δt, чтобы скорость получилась положительной.
Почему в кинетическом уравнении концентрации возводят в степени?
Степень показывает, насколько сильно изменение концентрации данного вещества влияет на скорость. Она связана с механизмом реакции и определяется для конкретного процесса.
Всегда ли показатели степеней совпадают с коэффициентами уравнения реакции?
Нет, не всегда. В суммарном уравнении указаны стехиометрические соотношения веществ, а показатели кинетического уравнения обычно находят экспериментально.
От чего зависит константа скорости реакции?
Она зависит от природы реагентов и температуры, а также может зависеть от других условий, например от присутствия катализатора. При неизменной температуре простое изменение концентраций не меняет константу скорости.
§ 40. Скорость химической реакции. Закон действующих ма
