"Химия", Жилин Д.М., (изд. "БИНОМ. Лаборатория знаний")
Скорость химической реакции показывает, насколько быстро расходуются исходные вещества или образуются продукты. Её определяют по изменению концентрации вещества за единицу времени, поэтому скорость можно сравнивать для разных реакций и разных условий. Для выбранного промежутка находят среднюю скорость: делят изменение концентрации на время. У реагента концентрация обычно уменьшается, у продукта увеличивается, а сама скорость в ходе реакции может меняться.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Скорость химической реакции — это изменение количества реагирующего или образующегося вещества за единицу времени. Она показывает, быстро или медленно идёт превращение веществ. Это понятие нужно, чтобы сравнивать реакции и оценивать влияние условий на их протекание.
Средняя скорость реакции — изменение концентрации вещества за выбранный промежуток времени. Её находят отношением изменения концентрации к продолжительности наблюдения: vср = Δc/Δt. Такая величина описывает не каждый момент, а весь выбранный интервал.
Концентрацию обозначают буквой c, время — буквой t, а скорость реакции — буквой v. Величины Δc и Δt означают соответственно изменение концентрации и промежуток времени. Например, единица моль/(л·с) означает, что концентрация меняется на несколько моль/л за одну секунду.
При расходовании исходного вещества его концентрация уменьшается, а при образовании продукта концентрация увеличивается. Поэтому для реагента берут начальное значение минус конечное, чтобы получить положительную скорость расходования. Для продукта используют конечное значение минус начальное, то есть скорость образования.
Химическая реакция обычно не происходит мгновенно: частицам нужно столкнуться и взаимодействовать. Поэтому для её характеристики смотрят, сколько вещества исчезло или появилось за определённое время. Чем больше изменение за одинаковый промежуток, тем быстрее идёт процесс.
Для расчёта удобно использовать концентрацию, а не только массу или количество вещества. Концентрация показывает, сколько вещества приходится на единицу объёма, поэтому учитывает размер системы. Если сравнивать только массы, одинаковая масса в маленьком и большом объёме может означать совершенно разную насыщенность частицами.
Отношение изменения концентрации к промежутку времени показывает, сколько концентрации в среднем изменяется за единицу времени. Например, деление на 10 с отвечает на вопрос, какое изменение приходится в среднем на одну секунду. Средняя скорость зависит от выбранного интервала, потому что на разных этапах реакции концентрация и условия могут быть различными.
Рассмотрим реакцию, в которой вещество A превращается в вещество B. Со временем концентрация A уменьшается, а концентрация B увеличивается: расходование и образование имеют противоположные направления. Знак изменения зависит от того, какое вещество выбрано, поэтому для скорости расходования обычно меняют порядок вычитания или берут модуль.
Скорость реакции может изменяться в ходе процесса, поскольку исходные вещества постепенно расходуются. Частицы сталкиваются реже, и за одинаковые промежутки времени концентрация может изменяться всё слабее. Поэтому число, полученное по двум измерениям, называют средней скоростью и относят только к конкретному участку времени.
| Что характеризуем | Изменение концентрации | Как выразить среднюю скорость | Единица измерения |
|---|---|---|---|
| Расходование исходного вещества | c₂ − c₁ < 0 | vср = (c₁ − c₂)/(t₂ − t₁) | моль/(л·с) |
| Образование продукта реакции | c₂ − c₁ > 0 | vср = (c₂ − c₁)/(t₂ − t₁) | моль/(л·с) |
| Интервал времени | Δt = t₂ − t₁ | Изменение относят ко всему интервалу | с, мин |
| Знак изменения концентрации | Реагент: минус; продукт: плюс | Скорость обычно записывают положительной | Зависит от c и t |
Сначала определите, о каком веществе говорится: реагент расходуется, а продукт образуется. Затем найдите разность концентраций и разделите её на весь промежуток времени. Проверьте, что единицы концентрации и времени согласованы с единицей ответа.
Задача 1. Концентрация вещества за 20 с уменьшилась с 0,80 до 0,60 моль/л. Нужно найти среднюю скорость его расходования. Поскольку вещество расходуется, вычитаем конечную концентрацию из начальной.
Ответ: средняя скорость расходования равна 0,010 моль/(л·с).
Задача 2. За 30 с концентрация продукта увеличилась с 0,10 до 0,55 моль/л. Требуется определить среднюю скорость образования продукта. Здесь конечная концентрация больше начальной, поэтому используем прирост.
Ответ: средняя скорость образования продукта равна 0,015 моль/(л·с).
Задача 3. За первые 10 с концентрация реагента уменьшилась на 0,30 моль/л, а за следующие 10 с — на 0,12 моль/л. Сравним скорости на двух равных интервалах. Так как времена одинаковы, большее уменьшение сразу означает большую среднюю скорость.
Ответ: скорость на первом участке в 2,5 раза больше, чем на втором. Это показывает, что скорость реакции не обязана оставаться постоянной.
Ошибка 1 — делить изменение концентрации в неправильном порядке. У реагента конечное значение меньше начального, поэтому обычная разность получается отрицательной. Для проверки выберите порядок c₁ − c₂ или возьмите модуль, если требуется положительная скорость расходования.
Ошибка 2 — путать изменение концентрации с самой концентрацией. В формулу входит разность двух значений, а не только начальное или конечное значение. Проверьте себя: в записи должны присутствовать c₂ − c₁ и промежуток времени.
Ошибка 3 — забывать единицы или смешивать секунды и минуты. Число без единицы не показывает, за какое время произошла перемена. Перед расчётом приведите время к нужным единицам и запишите единицу ответа.
Ошибка 4 — считать среднюю скорость постоянной на всей реакции. Она относится только к указанному интервалу, а на другом участке может иметь другое значение. Сравните скорости по отдельным промежуткам, если в условии приведено несколько этапов.
Для расчёта скорости нужно знать концентрацию раствора и уметь находить её по количеству вещества и объёму. Без этого нельзя правильно сравнить содержание вещества в разных системах. Поэтому сначала полезно повторить формулу концентрации.
Тема опирается на умение находить изменение величины и делить его на промежуток времени. Такой способ используют не только в химии, но и при описании движения или изменения температуры. Навык помогает понимать смысл формулы, а не просто подставлять числа.
Скорость реакции понадобится при изучении факторов, влияющих на химические процессы. Она также связана с химическим равновесием и выбором условий проведения реакций. Понимание средней скорости помогает объяснить, почему температура, концентрация и другие условия меняют результат.
Что именно показывает скорость химической реакции?
Она показывает, насколько изменяется концентрация реагента или продукта за единицу времени. Чем больше такое изменение за один и тот же промежуток, тем быстрее идёт реакция.
Почему скорость реакции рассчитывают по изменению концентрации?
Концентрация учитывает и количество вещества, и объём системы, поэтому позволяет сравнивать реакции в разных объёмах. Масса или количество вещества без указания объёма могут дать неполную картину.
Как определить скорость расходования реагента?
Из начальной концентрации вычитают конечную, чтобы получить положительное уменьшение, и результат делят на продолжительность наблюдения. Формула: vср = (c₁ − c₂)/(t₂ − t₁).
Почему при образовании продукта и расходовании реагента изменения концентрации имеют разные знаки?
Концентрация реагента уменьшается, поэтому её изменение c₂ − c₁ отрицательно. Концентрация продукта растёт, поэтому изменение положительно; скорость обычно записывают положительным числом, используя нужный порядок вычитания или модуль.
Может ли скорость реакции изменяться со временем?
Да, может. По мере реакции концентрации исходных веществ меняются, поэтому меняется и вероятность столкновений частиц, приводящих к реакции.
§ 23. Что такое скорость химической реакции?
