Условия протекания химических реакций
Химическая реакция начинается и протекает заметно только при определённых условиях. На результат влияют природа и контакт реагентов, температура, давление, освещение и присутствие катализатора; эти факторы чаще всего изменяют скорость реакции, а иногда делают реакцию возможной.
Перед изучением условий полезно повторить классификацию химических реакций: разные типы реакций требуют разных условий. Например, реакция соединения водорода с кислородом возможна после поджигания, а обмен между растворами электролитов обычно протекает сразу после смешивания, если образуется осадок, газ или вода.
Что называют условиями протекания реакции
Условия протекания химической реакции — это внешние и внутренние факторы, при которых реагенты вступают во взаимодействие с заметной скоростью и образуют продукты. К основным условиям относят контакт веществ, нагревание или охлаждение, освещение, изменение давления для газов и добавление катализатора.
Не следует смешивать два вопроса: может ли реакция идти и как быстро она идёт. Если частицы реагентов не сталкиваются, реакция невозможна. Если столкновения происходят, но частицы имеют недостаточную энергию, реакция может быть очень медленной. Подробно это объясняет механизм химической реакции, то есть последовательность элементарных превращений частиц.
Реакция происходит при столкновении частиц, если они обладают достаточной энергией и правильной ориентацией. Чем больше эффективных столкновений в единицу времени, тем выше скорость химической реакции.
Здесь \(v\) — средняя скорость реакции, \(\Delta c\) — изменение концентрации вещества, \(\Delta t\) — промежуток времени. В школьных задачах часто требуется определить, какое условие увеличит число эффективных столкновений.
Контакт веществ и измельчение
Для реакции необходимо соприкосновение реагентов. Твёрдые вещества реагируют главным образом на поверхности, поэтому измельчение твёрдого вещества увеличивает площадь контакта и ускоряет процесс. Порошок карбоната кальция реагирует с кислотой быстрее, чем такой же по массе кусок мрамора.
Перемешивание обновляет соприкасающиеся слои веществ и ускоряет реакцию в растворах и неоднородных смесях. Растворение твёрдого вещества также увеличивает контакт его частиц с водой и другими растворёнными веществами. Однако площадь поверхности влияет именно на скорость, а не обязательно на конечное количество продуктов.
Температура
При повышении температуры частицы движутся быстрее, чаще сталкиваются и в среднем обладают большей энергией. Поэтому доля эффективных столкновений возрастает, а реакция обычно ускоряется. Это частный случай факторов скорости химической реакции.
Приближённое правило Вант-Гоффа: при повышении температуры на каждые \(10^\circ\mathrm{C}\) скорость реакции увеличивается в \(\gamma\) раз, где обычно \(\gamma=2\)–\(4\). Формулу применяют только в указанном диапазоне температур и если значение температурного коэффициента дано или известно.
Скорость реакции при \(20^\circ\mathrm{C}\) равна \(0{,}5\ \mathrm{моль/(л\cdot с)}\). Температурный коэффициент \(\gamma=2\). Найдём скорость при \(50^\circ\mathrm{C}\).
Ответ: скорость увеличится в 8 раз и станет равной \(4\ \mathrm{моль/(л\cdot с)}\). Повышение температуры не означает автоматического увеличения выхода продукта: для обратимых реакций положение равновесия может измениться по-разному.
Какое действие быстрее всего ускорит реакцию порошка цинка с соляной кислотой при неизменной температуре?
Давление и концентрация
Давление существенно влияет на реакции с участием газов. При постоянной температуре увеличение давления уменьшает объём газа, частицы сближаются, и число их столкновений возрастает. Поэтому газовые реакции обычно идут быстрее при повышении давления.
Для газов повышение давления часто эквивалентно увеличению концентрации. В растворах аналогично действует увеличение концентрации реагента: в одном и том же объёме становится больше частиц, поэтому возрастает частота столкновений. Подробнее этот случай рассматривается на странице влияние концентрации на скорость реакции.
Давление заметно влияет прежде всего на газообразные вещества. Сжатие твёрдого вещества или жидкости обычно почти не изменяет их концентрацию и скорость реакции. Кроме того, увеличение давления не всегда увеличивает выход продукта в равновесной реакции: это зависит от числа молекул газа слева и справа.
Свет и электрический разряд
Свет может быть необходим для фотохимических реакций. Поглощая световую энергию, молекулы переходят в возбуждённое состояние и получают возможность разорвать старые связи или образовать новые. Например, на свету разлагается хлорид серебра, поэтому его хранят в непрозрачной упаковке.
В некоторых реакциях нужен электрический разряд или предварительное поджигание. Так запускается взаимодействие водорода с кислородом. После начала экзотермическая реакция поддерживает себя выделением теплоты.
Катализатор
Катализ — изменение скорости реакции под действием особого вещества, которое называется катализатором. Катализатор участвует в промежуточных стадиях механизма, но в итоге регенерируется и не расходуется в суммарном уравнении.
Катализатор — вещество, изменяющее скорость химической реакции благодаря иному пути её протекания и не расходующееся в суммарном процессе. Катализатор снижает энергию активации, то есть минимальную энергию эффективного столкновения.
Положительный катализатор ускоряет реакцию, отрицательный катализатор, или ингибитор, замедляет её. Катализатор не изменяет состав и количество продуктов, если реакция уже завершилась, и не смещает положение химического равновесия: он одинаково ускоряет прямую и обратную реакции.
Катализатор не является реагентом и не записывается среди исходных веществ суммарного уравнения. Нельзя говорить, что катализатор «увеличивает выход» равновесного продукта; он только помогает быстрее достичь равновесия.
Пример каталитической реакции — разложение пероксида водорода в присутствии диоксида марганца. Сам \(\mathrm{MnO_2}\) в суммарном уравнении не расходуется.
Как определить нужное условие в задании
- Определите агрегатное состояние реагентов: для газов проверьте влияние давления, для твёрдых веществ — площадь контакта.
- Спросите, что изменилось: температура, концентрация, давление, освещение или добавление вещества-катализатора.
- Отделите скорость от выхода продукта. Большинство перечисленных условий ускоряют реакцию, но не обязательно изменяют количество продукта.
- Проверьте уравнение и особые условия: свет, нагревание, искра и катализатор могут быть обязательными для запуска реакции.
| Условие | Что изменяется | Типичный результат |
|---|---|---|
| Повышение температуры | Энергия и частота столкновений | Скорость обычно увеличивается |
| Повышение давления | Сближение частиц газа | Газовая реакция ускоряется |
| Увеличение концентрации | Число частиц в объёме | Скорость увеличивается |
| Измельчение | Площадь поверхности твёрдого вещества | Гетерогенная реакция ускоряется |
| Свет или искра | Энергия частиц, запуск процесса | Реакция начинается или ускоряется |
| Катализатор | Энергия активации и механизм | Скорость изменяется, равновесие не смещается |
Температура, давление, концентрация и площадь контакта обычно влияют на скорость. Свет и электрический разряд могут быть пусковыми условиями. Катализатор меняет путь реакции, но не расходуется и не изменяет равновесный выход.
Быстрая проверка
Главное
- Реакция требует контакта частиц и эффективных столкновений.
- Повышение температуры обычно ускоряет реакцию; правило Вант-Гоффа оценивает это ускорение.
- Давление важно главным образом для газов, а концентрация — для растворов и газовых смесей.
- Свет и электрический разряд могут запускать фотохимические и цепные реакции.
- Катализатор изменяет скорость и механизм реакции, но не расходуется в суммарном уравнении и не смещает равновесие.