"Химия", Журин А.А.
Скорость химической реакции показывает, насколько быстро изменяется концентрация реагента или продукта. Её находят как изменение концентрации за единицу времени и измеряют, например, в моль/(л·с). На скорость влияют концентрация веществ, температура, площадь поверхности твёрдого реагента и катализатор. Понимание этих факторов помогает объяснить, почему одни реакции идут мгновенно, а другие продолжаются долго.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Скорость химической реакции — это изменение количества реагента или продукта за единицу времени. Обычно отслеживают концентрацию вещества: если она быстро меняется, реакция идёт быстро. Понятие скорости нужно, чтобы сравнивать реакции и оценивать влияние условий их проведения.
Скорость через концентрацию записывают формулой υ = Δc/Δt. Здесь Δc — изменение концентрации, а Δt — промежуток времени, за который оно произошло. Для продукта берут увеличение концентрации, а для реагента учитывают уменьшение: скорость расходования можно записать как υрасх = −Δc/Δt.
Единицей скорости реакции служит, например, моль/(л·с): это означает, что концентрация изменяется на один моль/л за одну секунду. У реагента концентрация уменьшается, поэтому изменение имеет отрицательный знак. Когда говорят именно о скорости расходования, обычно используют противоположный знак или модуль, чтобы получить положительное значение.
Гомогенная реакция протекает в одной фазе, например только в растворе или только в газовой смеси. Гетерогенная реакция идёт между веществами разных фаз, например между твёрдым металлом и раствором кислоты. Это различие важно, потому что в гетерогенной реакции большое значение имеет площадь соприкосновения фаз.
Химическое превращение начинается, когда частицы реагентов сталкиваются. Но не каждое столкновение приводит к реакции: частицы должны иметь подходящее взаимное расположение и достаточную энергию. Поэтому скорость зависит и от общего числа столкновений, и от доли столкновений, которые оказываются эффективными.
Повышение концентрации обычно ускоряет реакцию, потому что в том же объёме оказывается больше частиц реагентов. Из-за этого они чаще встречаются и сталкиваются друг с другом. Число эффективных столкновений за единицу времени увеличивается, поэтому концентрация исходных веществ меняется быстрее.
При нагревании частицы движутся быстрее, поэтому столкновения происходят чаще и становятся энергичнее. Кроме того, возрастает доля частиц, энергия которых достигает необходимого порога — энергии активации. Поэтому увеличивается число эффективных столкновений, а реакция обычно ускоряется.
У твёрдого вещества реакция идёт главным образом на поверхности, которая соприкасается с другим реагентом. Если кусок измельчить, суммарная площадь открытой поверхности возрастает. Больше частиц получает доступ к контакту, поэтому гетерогенная реакция протекает быстрее.
Катализатор изменяет путь реакции и позволяет ей идти через превращения с меньшей энергией активации. Благодаря этому эффективными становятся столкновения, которые без катализатора не привели бы к реакции. Катализатор ускоряет прямую и обратную реакции, а в суммарном уравнении не расходуется и не изменяет положение химического равновесия.
| Фактор | Как изменение фактора влияет на скорость | Объяснение |
|---|---|---|
| Концентрация реагентов | Увеличение концентрации обычно ускоряет реакцию | В единице объёма становится больше частиц, поэтому чаще происходят эффективные столкновения |
| Температура | Повышение температуры обычно ускоряет реакцию | Частицы движутся быстрее, а доля частиц с достаточной энергией увеличивается |
| Площадь поверхности твёрдого реагента | Увеличение площади контакта ускоряет гетерогенную реакцию | Больше частиц твёрдого вещества соприкасается с другим реагентом |
| Катализатор | Ускоряет реакцию, сам не расходуясь в суммарном уравнении | Обеспечивает другой путь реакции с меньшей энергией активации |
В таблице сначала определите, какой фактор изменился, а затем найдите объяснение через столкновения частиц. Если условия меняются одновременно, влияние каждого фактора нужно рассматривать отдельно. Для твёрдых веществ особенно проверяйте, идёт ли реакция на границе фаз.
За 20 с концентрация реагента уменьшилась с 0,80 до 0,60 моль/л. Требуется найти среднюю скорость его расходования. Поскольку реагент исчезает, для ответа берём положительную величину уменьшения концентрации.
Ответ: средняя скорость расходования реагента равна 0,01 моль/(л·с). Знак минус в промежуточном изменении показывает уменьшение концентрации, а не отрицательную физическую скорость.
Одинаковое количество цинка реагирует с соляной кислотой в двух опытах: сначала в виде куска, затем в виде порошка. Температура и остальные условия одинаковы. Нужно сравнить скорости реакций и объяснить различие.
Ответ: цинк в порошке реагирует быстрее, чем такой же цинк в крупном куске. Причина — увеличение площади контакта в гетерогенной реакции.
В двух опытах одинаковые растворы смешали при разных температурах. За 30 с в первом опыте концентрация продукта выросла на 0,09 моль/л, а во втором — на 0,18 моль/л. Нужно сравнить средние скорости и связать результат с температурой.
Ответ: υ₁ = 0,003 моль/(л·с), υ₂ = 0,006 моль/(л·с), поэтому скорость второго опыта вдвое больше. Если во втором опыте температура была выше, результат объясняется более частыми и энергичными эффективными столкновениями.
Ошибка: считать скоростью просто время протекания реакции. Так думают, потому что время действительно измеряют в опыте, но скорость показывает не длительность, а изменение концентрации за единицу времени. Проверьте себя: в формуле должна быть величина Δc, разделённая на Δt.
Ошибка: оставлять отрицательный ответ для скорости расходования реагента. Минус появляется потому, что концентрация реагента уменьшается, а спрашиваемая скорость расходования обычно выражается положительным числом. Проверьте, используете ли вы модуль изменения или формулу υрасх = −Δc/Δt.
Ошибка: ожидать, что катализатор всегда увеличит количество продукта. Катализатор ускоряет достижение равновесия, но не меняет его положение и не становится дополнительным реагентом. Проверьте, не путаете ли вы скорость установления равновесия с выходом продукта.
Ошибка: считать, что измельчение любого вещества одинаково ускоряет любую реакцию. Площадь поверхности особенно важна для гетерогенной реакции, где твёрдое вещество соприкасается с другой фазой. Проверьте, есть ли в условии твёрдый реагент и граница между фазами.
Для изучения скорости реакции нужны знания о концентрации раствора, химической реакции и агрегатных состояниях веществ. Без концентрации нельзя правильно применить формулу υ = Δc/Δt, а без понятия фаз трудно объяснить различие гомогенных и гетерогенных процессов.
Скорость реакции пригодится при изучении химического равновесия и условий проведения реакций. Она также важна для промышленности: подбор температуры, концентрации, площади контакта и катализатора помогает получать вещества быстрее и экономичнее.
Как понять, что одна химическая реакция идёт быстрее другой?
Сравнивают, как быстро изменяется концентрация вещества. Чем больше изменение концентрации за одинаковое время, тем выше скорость реакции.
Почему повышение температуры обычно ускоряет химическую реакцию?
При нагревании частицы движутся быстрее и чаще сталкиваются. Кроме того, увеличивается доля частиц с энергией, достаточной для химического превращения.
Почему порошок реагирует быстрее, чем крупный кусок того же вещества?
У порошка значительно больше суммарная площадь поверхности. Поэтому больше частиц твёрдого вещества одновременно соприкасается с другим реагентом.
Чем катализатор отличается от реагента?
Катализатор изменяет путь реакции и ускоряет её, но сам не расходуется в суммарном уравнении. Реагент же вступает в превращение и расходуется.
В каких единицах измеряют скорость химической реакции?
Если скорость выражают через изменение молярной концентрации, её измеряют в моль/(л·с). Возможны и другие единицы, если используют иные единицы концентрации и времени.
7. Скорость химических реакции
