"Химия (углублённый уровень)", Пузаков С.А., Машнина Н.В., Попков В.А.
Скорость химической реакции показывает, как быстро изменяется количество вещества. Для однородных систем её обычно выражают через изменение концентрации за единицу времени, а для неоднородных дополнительно учитывают площадь соприкосновения фаз. Различают среднюю скорость за промежуток и мгновенную скорость в конкретный момент. Знание этих величин помогает сравнивать реакции, анализировать их ход и решать расчётные задачи.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Скорость химической реакции — изменение количества вещества за единицу времени. Её можно выражать через количество вещества, концентрацию или другую величину, связанную с количеством вещества. Выбор выражения зависит от условий опыта и от того, однородна ли система.
Средняя скорость реакции показывает изменение концентрации реагента или продукта за выбранный промежуток времени. Она равна отношению изменения концентрации к длительности этого промежутка. Такая величина нужна, когда известны данные в начале и конце наблюдения.
Мгновенная скорость реакции — скорость процесса в данный момент времени. Её находят как предел средней скорости при уменьшении промежутка времени или по наклону касательной к графику зависимости концентрации от времени. Это позволяет описать, как реакция идёт именно сейчас.
Скорость гетерогенной реакции — изменение количества вещества за единицу времени на единице площади соприкосновения фаз. В формулу входит площадь поверхности, например поверхности твёрдого вещества в растворе. Такое определение позволяет сравнивать опыты с разной площадью контакта.
По мере протекания реакции реагенты превращаются в продукты, поэтому концентрации всех участников меняются. Реагентов становится меньше, а продуктов — больше, и скорость столкновений частиц обычно тоже меняется. Поэтому скорость реакции, найденная в начале процесса, может отличаться от скорости в конце выбранного промежутка.
Для реагента изменение концентрации отрицательно: Δc = c₂ − c₁ < 0. Чтобы скорость расходования записывалась положительной, используют формулу vср = −Δc/Δt, а для продукта — vср = Δc/Δt. Если концентрацию измеряют в моль/л, а время в секундах, единица скорости равна моль/(л·с).
В реакции с несколькими веществами концентрации изменяются не одинаково, потому что частицы участвуют в превращении в разных количественных соотношениях. Для уравнения aA + bB → cC единая скорость выражается так: v = −1/a·Δ[A]/Δt = −1/b·Δ[B]/Δt = 1/c·Δ[C]/Δt. Деление на коэффициенты устраняет различия и даёт одну характеристику всего процесса.
В гомогенной реакции все участники находятся в одной фазе, поэтому достаточно отслеживать изменение концентрации. В гетерогенной реакции взаимодействуют разные фазы, а превращение происходит на границе между ними. Поэтому вместо одной концентрации или вместе с ней учитывают количество вещества, время и площадь поверхности соприкосновения.
Экспериментально скорость находят, измеряя концентрацию в разные моменты времени. Если прямой анализ невозможен, регистрируют величину, связанную с количеством вещества: объём газа, массу осадка, давление или электропроводность. По таблице измерений вычисляют среднюю скорость на интервале, а по графику c(t) оценивают мгновенную скорость как наклон касательной.
| Характеристика | Гомогенная реакция | Гетерогенная реакция |
|---|---|---|
| Какие фазы взаимодействуют | Одна фаза | Две или более фазы |
| Величина, изменение которой используют | Концентрация вещества | Количество вещества |
| Как учитывают время | Делят изменение концентрации на Δt | Делят изменение количества вещества на Δt |
| Как учитывают поверхность соприкосновения фаз | Не учитывают отдельно | Делят также на площадь S |
| Единицы измерения скорости | моль/(л·с) | моль/(м²·с) |
| Пример реакции | H₂ + I₂ → 2HI, газы | CaCO₃(тв.) + 2HCl(р-р) → CaCl₂ + CO₂ + H₂O |
Сначала определите, находятся ли все участники в одной фазе. Затем выберите величину, которую измеряют, и проверьте, нужно ли делить результат на площадь поверхности. Единицы должны соответствовать выбранным единицам времени, объёма и площади.
За 20 с концентрация реагента уменьшилась с 0,80 до 0,60 моль/л. Требуется найти среднюю скорость его расходования. Поскольку речь идёт о реагенте, изменение концентрации нужно взять со знаком минус.
Ответ: средняя скорость расходования реагента равна 0,010 моль/(л·с).
Для реакции 2A + B → C концентрация A уменьшилась на 0,12 моль/л. Нужно определить изменения концентраций B и C за тот же промежуток времени. Коэффициенты показывают, что на 2 моль A расходуется 1 моль B и образуется 1 моль C.
Ответ: концентрация B уменьшилась на 0,06 моль/л, а концентрация C увеличилась на 0,06 моль/л.
За 5 мин на поверхности площадью 0,20 м² израсходовалось 0,010 моль твёрдого реагента. Скорость на единицу поверхности находят по формуле v = Δn/(S·Δt). Сначала переведём время в секунды, чтобы получить стандартную единицу.
Ответ: скорость реакции равна примерно 1,67·10⁻⁴ моль/(м²·с).
Знак у реагента. Иногда скорость расходования записывают как Δc/Δt и получают отрицательное число, потому что концентрация реагента убывает. Проверьте себя: в положительной скорости перед изменением концентрации реагента должен стоять минус.
Одинаковые скорости участников. Ошибка возникает, если не учитывать коэффициенты уравнения реакции. Сверьте изменения концентраций с отношением стехиометрических коэффициентов и разделите каждое изменение на свой коэффициент.
Путаница средней и мгновенной скорости. Средняя скорость относится ко всему выбранному интервалу, а мгновенная — к одной точке времени. Посмотрите на исходные данные: две конечные точки дают среднюю скорость, касательная к графику — мгновенную.
Пропущенная площадь. Для гетерогенной реакции нельзя ограничиваться отношением количества вещества ко времени, если требуется скорость на единицу поверхности. Проверьте, есть ли в условии площадь, и включите её в знаменатель формулы.
Для расчётов скорости нужны концентрация, количество вещества, время и стехиометрические коэффициенты уравнения реакции. Без этих понятий нельзя правильно выбрать формулу и согласовать единицы измерения.
Скорость реакции понадобится при изучении факторов, влияющих на скорость, химического равновесия и кинетических закономерностей. Она помогает объяснить действие температуры, концентрации, давления, площади поверхности и катализатора.
Почему скорость расходования реагента записывают со знаком минус?
Концентрация реагента во время реакции уменьшается, поэтому её изменение отрицательно. Знак минус перед изменением делает скорость расходования положительной величиной.
Чем средняя скорость реакции отличается от мгновенной?
Средняя скорость рассчитывается для конечного промежутка времени. Мгновенная скорость показывает, насколько быстро идёт реакция в определённый момент.
Почему скорости изменения концентраций разных веществ в одной реакции неодинаковы?
Вещества расходуются и образуются в количествах, заданных стехиометрическими коэффициентами уравнения. Поэтому изменения их концентраций относятся друг к другу как соответствующие коэффициенты.
Как определить скорость гетерогенной реакции?
Нужно определить, какое количество вещества изменилось за выбранное время, и разделить его на время и площадь поверхности соприкосновения фаз. Единица скорости включает количество вещества, время и площадь.
В каких единицах выражают скорость химической реакции?
Для гомогенной реакции обычно используют моль/(л·с) или моль·л⁻¹·с⁻¹. Для гетерогенной реакции скорость выражают, например, в моль/(м²·с), если учитывают площадь поверхности.
4.2. Скорость реакции
