§ 4. Элементы химической кинетики

Определения и обозначения

Скорость химической реакции — изменение концентрации реагента или продукта за единицу времени. Её обычно обозначают v и выражают, например, в моль/(л·с), или моль·л⁻¹·с⁻¹. Такое определение позволяет сравнивать, насколько быстро протекают разные реакции.

Средняя скорость реакции — изменение концентрации за конечный промежуток времени, делённое на длительность этого промежутка. Если концентрация изменилась на Δc за время Δt, то средняя скорость по модулю равна |Δc|/Δt. Она описывает процесс в целом за выбранный интервал, а не в отдельный момент.

Мгновенная скорость реакции — скорость в конкретный момент времени. На графике зависимости концентрации от времени ей соответствует наклон касательной к кривой в выбранной точке. Это понятие нужно, когда скорость меняется в ходе реакции и среднего значения недостаточно.

Энергия активации — минимальная энергия, необходимая частицам для эффективного столкновения, которое может привести к реакции. Её обозначают Eₐ. Сравнение энергии частиц с этим барьером помогает объяснить, почему не каждое столкновение заканчивается химическим превращением.

Как это устроено

Концентрация показывает, сколько вещества приходится на единицу объёма. Если следить за ней с течением времени, можно определить, как быстро исчезают реагенты или появляются продукты. У реагента концентрация убывает, поэтому Δc/Δt отрицательно; для продукта концентрация растёт, и отношение положительно. Скорость расходования и скорость образования обычно записывают как положительные величины: для реагента ставят знак минус, для продукта — плюс.

Коэффициенты уравнения реакции задают пропорцию, в которой вещества расходуются и образуются. Для уравнения aA + bB → cC скорость реакции выражается как v = −(1/a)Δ[A]/Δt = −(1/b)Δ[B]/Δt = (1/c)Δ[C]/Δt. Деление на коэффициенты позволяет получить одно общее значение скорости, независимо от того, изменение концентрации какого участника измеряют. Если коэффициент B равен двум, B расходуется вдвое быстрее A.

Частицы могут столкнуться, но это ещё не гарантирует реакцию. При столкновении им нужно передать друг другу достаточную энергию, чтобы ослабить или разорвать прежние связи и образовать новые; эту энергетическую преграду называют энергией активации. Кроме того, частицы должны быть ориентированы подходящим образом, чтобы взаимодействовали нужные участки молекул. Поэтому учитывают не все столкновения, а только эффективные.

При нагревании средняя энергия движения частиц увеличивается, и столкновения происходят чаще. Главное для скорости — одновременно растёт доля частиц, энергия которых достигает энергии активации или превышает её. Значит, больше столкновений становятся эффективными, и реакция ускоряется. Для многих реакций приближённо используют правило Вант-Гоффа: при повышении температуры на 10 °C скорость возрастает в γ раз, где γ — температурный коэффициент реакции.

Концентрация влияет на число частиц в заданном объёме: чем их больше, тем чаще они встречаются. Повышение давления сжимает газ и увеличивает концентрацию его частиц, тогда как увеличение площади твёрдого реагента открывает больше мест для контакта. Катализатор действует иначе: он меняет механизм, то есть путь превращения, и снижает энергию активации. В результате эффективных столкновений становится больше без обязательного нагревания смеси.

Факторы, влияющие на скорость химической реакции

Используйте таблицу, чтобы связать наблюдаемое изменение условий с тем, что происходит на уровне частиц. Формулировка «обычно» указывает, что эффект зависит от конкретной реакции и условий. Катализатор ускоряет процесс благодаря изменению пути реакции, а не за счёт повышения температуры.

Разбор задач

Средняя скорость расходования реагента

За 20 с концентрация реагента уменьшилась с 0,80 до 0,50 моль/л. Найдём среднюю скорость его расходования. Так как речь идёт о расходовании, итоговое значение должно быть положительным.

1. Вычислим изменение концентрации: Δc = 0,50 − 0,80 = −0,30 моль/л.
2. Возьмём модуль изменения и разделим на время: v = |Δc|/Δt = 0,30/20 = 0,015 моль/(л·с).

Ответ: средняя скорость расходования равна 0,015 моль/(л·с). Знак минус у Δc показывает убывание концентрации, но не делает скорость расходования отрицательной.

Соотношение изменений концентраций

В реакции A + 2B → C концентрация A уменьшилась на 0,12 моль/л. Нужно определить изменения концентраций B и C за то же время. Сначала читаем коэффициенты: на одну частицу A расходуются две частицы B, а из одной частицы A образуется одна частица C.

1. По соотношению коэффициентов B расходуется вдвое больше, чем A: изменение концентрации B равно −2 · 0,12 = −0,24 моль/л.
2. Коэффициенты A и C равны, поэтому концентрация C возрастает на 0,12 моль/л: Δ[C] = +0,12 моль/л.

Ответ: концентрация B уменьшилась на 0,24 моль/л, а концентрация C увеличилась на 0,12 моль/л. Знаки показывают направление изменения концентраций.

Изменение температуры по правилу Вант-Гоффа

Скорость реакции выросла в 8 раз, температурный коэффициент γ равен 2. Требуется найти, на сколько градусов повысили температуру. По правилу Вант-Гоффа каждый интервал в 10 °C умножает скорость на γ, поэтому ищем число таких интервалов.

1. Запишем отношение скоростей: v₂/v₁ = γⁿ, где n — число повышений на 10 °C.
2. Подставим данные: 8 = 2ⁿ. Поскольку 2³ = 8, получаем n = 3.
3. Умножим число интервалов на 10 °C: ΔT = 3 · 10 = 30 °C.

Ответ: температуру повысили на 30 °C. Проверка: три десятиградусных интервала дают увеличение скорости в 2 · 2 · 2 = 8 раз.

Типичные ошибки

Ошибка — считать скорость расходования реагента отрицательной, потому что его концентрация уменьшается. Отрицательным является отношение Δc/Δt, а скорость расходования записывают с минусом перед этим отношением или берут его модуль. Проверьте себя: ответ о скорости должен быть положительным, а знак изменения концентрации отдельно показывает убывание.

При сравнении изменения концентраций разных веществ иногда забывают коэффициенты уравнения. Из-за этого можно решить, что вещества исчезают или образуются в одинаковых количествах, хотя стехиометрия задаёт другое соотношение. Перед расчётом выпишите коэффициенты и сравните изменения пропорционально им.

Среднюю скорость за интервал путают с мгновенной скоростью в конкретный момент. Средняя определяется изменением концентрации между двумя моментами, а мгновенная связана с наклоном касательной к графику в одной точке. Проверьте, какой именно интервал или момент указан в условии.

Катализатор иногда считают веществом, которое нагревает смесь или смещает равновесие. На самом деле он предлагает другой путь реакции с меньшей энергией активации, а не повышает температуру и не меняет положение равновесия. Проверка: объяснение действия катализатора должно содержать снижение энергетического барьера, а не изменение условий или состава равновесной смеси.

Связь с другими темами

Для расчётов скорости нужны понятия концентрации раствора, количества вещества, уравнения реакции и стехиометрических коэффициентов. Кинетика помогает объяснять, как условия влияют на скорость технологических процессов и как выбрать условия проведения реакции. Энергия активации и катализатор понадобятся при изучении химического равновесия и механизмов реакций. Так связываются количественное описание процесса и объяснение того, как именно он протекает.

Что запомнить

• Скорость реакции характеризует изменение концентрации вещества за единицу времени.
• Скорость расходования реагента и скорость образования продукта выражают положительными величинами.
• Стехиометрические коэффициенты связывают скорости изменения концентраций участников реакции.
• Чем чаще происходят эффективные столкновения частиц, тем выше скорость реакции.
• Повышение температуры увеличивает долю частиц, способных преодолеть энергию активации.
• Катализатор ускоряет реакцию, предоставляя путь с меньшей энергией активации.