§ 24. От чего зависит скорость химической реакции?

Определения и обозначения

Скорость химической реакции — изменение концентрации реагента или продукта за единицу времени. Её обозначают v и выражают как v = Δc/Δt, где Δc — изменение концентрации, а Δt — промежуток времени. Для реагента, который расходуется, можно записать v = (c₁ − c₂)/Δt.

Эффективное столкновение — столкновение частиц, после которого происходит химическое превращение. Частицы должны иметь достаточную энергию и встретиться в подходящей взаимной ориентации. Это понятие помогает понять, почему не каждое столкновение приводит к реакции.

Катализатор — вещество, изменяющее скорость реакции и не расходующееся в суммарном уравнении. Обычно он ускоряет превращение, предлагая более лёгкий путь его протекания. Поэтому катализатор записывают не как обычный реагент.

Ингибитор — вещество, замедляющее химическую реакцию. Он уменьшает число успешных превращений или затрудняет их протекание. Ингибиторы используют, например, чтобы замедлить нежелательные процессы.

Как это устроено

Скорость реакции оценивают по изменению концентрации реагента или продукта за выбранное время. Если за одну и ту же секунду исчезает больше реагента, реакция идёт быстрее. Такой способ сравнивает не общее количество вещества, а темп его превращения.

Природа реагентов влияет на скорость, потому что их частицы имеют разное строение и разные типы химических связей. Для одних веществ разрыв старых связей и образование новых происходят сравнительно легко, а для других требуют больших затрат энергии. Поэтому одинаковые условия не гарантируют одинаковую скорость разных реакций.

При увеличении концентрации в том же объёме становится больше частиц реагентов. Они чаще встречаются друг с другом, поэтому за одинаковое время возрастает число столкновений и эффективных столкновений среди них. В результате реакция обычно ускоряется.

Для газов похожий эффект создаёт повышение давления. При сжатии газ занимает меньший объём, частицы сближаются и чаще сталкиваются. Если давление увеличивают не за счёт добавления инертного газа, а уменьшая объём или повышая содержание реагента, скорость реакции обычно возрастает.

Повышение температуры увеличивает энергию движения частиц и число их столкновений. Главное изменение состоит в том, что большая доля частиц получает энергию, достаточную для преодоления энергетического барьера реакции. Измельчение твёрдого вещества увеличивает площадь его контакта, а катализатор даёт путь с меньшим энергетическим барьером.

Факторы, влияющие на скорость химической реакции

Таблица помогает быстро сопоставить фактор, направление его действия и причину. Если нужно объяснить результат опыта, сначала назовите изменённое условие, затем свяжите его с частотой или успешностью столкновений.

Разбор задач

Задача 1. За 20 с концентрация реагента уменьшилась с 0,80 до 0,60 моль/л. Найдём среднюю скорость его расходования.

1. Определим, насколько уменьшилась концентрация: 0,80 − 0,60 = 0,20 моль/л.
2. Разделим изменение концентрации на время: v = 0,20/20 = 0,01 моль/(л·с).
3. Используем модуль уменьшения, потому что скорость расходования записывают положительным числом.

Ответ: средняя скорость расходования реагента равна 0,01 моль/(л·с).

Задача 2. В двух пробирках одинаковые массы цинка реагируют с соляной кислотой, но в одной кислота разбавленная, а в другой более концентрированная. Сначала сравним условие, которое изменилось: это концентрация кислоты.

1. В более концентрированном растворе в одном и том же объёме содержится больше частиц кислоты.
2. Частицы кислоты чаще сталкиваются с цинком, поэтому число эффективных столкновений за время опыта увеличивается.
3. Следовательно, реакция в пробирке с более концентрированной кислотой идёт быстрее.

Ответ: быстрее реакция с более концентрированной соляной кислотой; причина — большая частота столкновений частиц.

Задача 3. Сравним реакцию одинаковых масс мела с одной и той же кислотой: в одном опыте мел крупными кусками, в другом — порошок. Масса одинакова, поэтому решающим условием становится не количество мела, а площадь его поверхности.

1. Разделение куска на множество частиц увеличивает суммарную поверхность твёрдого вещества.
2. С кислотой одновременно соприкасается больше частиц порошка, поэтому появляется больше мест для столкновений.
3. Число эффективных столкновений в единицу времени возрастает, и реакция ускоряется.

Ответ: быстрее реагирует порошок мела; фактор — большая площадь поверхности соприкосновения.

Типичные ошибки

Ошибка: считать, что катализатор ускоряет реакцию, потому что сам расходуется. Так его путают с реагентом, хотя катализатор может участвовать в промежуточных стадиях и восстанавливаться. Проверьте себя по суммарному уравнению: катализатор не должен входить в него как израсходованное вещество.

Ошибка: отождествлять увеличение концентрации с увеличением общего количества вещества. В большой ёмкости можно иметь больше вещества, но не большую концентрацию. Сравнивайте количество частиц в единице объёма.

Ошибка: утверждать, что нагревание всегда ускоряет реакцию ровно в одинаковое число раз. Действие температуры зависит от конкретной реакции и её энергетического барьера. Проверяйте, о какой реакции идёт речь, и не приписывайте всем процессам один коэффициент.

Ошибка: считать, что измельчение ускоряет любую реакцию. Площадь поверхности особенно важна для твёрдого реагента, соприкасающегося с жидкостью или газом. Если твёрдого вещества нет или контакт не изменился, этот фактор не объясняет ускорение.

Связь с другими темами

Для понимания скорости реакции нужны понятия химической реакции, реагента, продукта, концентрации раствора и агрегатного состояния веществ. Эти знания позволяют правильно определить, какие частицы сталкиваются и какое условие изменилось.

Скорость реакции связана с химическим равновесием, потому что изменение условий влияет на протекание прямого и обратного процессов. Знания о факторах скорости применяют при выборе условий промышленных процессов и способов управления химическими превращениями.

Что запомнить

• Скорость реакции характеризует изменение концентрации за единицу времени.
• Чем чаще происходят эффективные столкновения частиц, тем быстрее идёт реакция.
• Природа реагентов может существенно менять скорость реакции.
• Повышение концентрации обычно ускоряет реакцию; для газов аналогичный эффект даёт повышение давления.
• Повышение температуры обычно увеличивает скорость реакции.
• Измельчение твёрдого реагента увеличивает площадь его поверхности.
• Катализатор ускоряет реакцию, а ингибитор замедляет её.