Факторы скорости химической реакции
Скорость химической реакции показывает, как быстро изменяется количество вещества или концентрация реагента. На неё влияют концентрация, температура, площадь соприкосновения веществ и катализатор; понимание этих факторов помогает объяснять условия протекания реакций и решать экзаменационные задачи.
Что такое скорость реакции
Перед изучением факторов полезно повторить материал страницы «Скорость химической реакции». Скорость реакции \(v\) — это изменение концентрации вещества за единицу времени. Если расходуется реагент, его концентрация уменьшается, поэтому знак «минус» позволяет записать скорость положительным числом.
Скорость химической реакции — изменение концентрации реагента или продукта за единицу времени; единицы измерения обычно \(\mathrm{моль/(л\cdot с)}\).
Реакция происходит, когда частицы сталкиваются. Однако не каждое столкновение приводит к превращению: частицы должны иметь достаточную энергию и подходящее взаимное расположение. Факторы скорости изменяют число эффективных столкновений за единицу времени.
Влияние концентрации
При увеличении концентрации реагента в том же объёме число его частиц в единице объёма возрастает. Частицы чаще сталкиваются, поэтому скорость реакции обычно увеличивается. Для газов аналогичный эффект часто достигается повышением давления при постоянной температуре, потому что частицы оказываются ближе друг к другу.
При прочих равных условиях увеличение концентрации реагентов обычно ускоряет реакцию, а уменьшение концентрации замедляет её. Для простых школьных задач часто используют зависимость \(v \sim c\), но точный вид зависимости определяется уравнением скорости реакции.
Если концентрация вещества \(A\) увеличилась в несколько раз, нельзя автоматически утверждать, что скорость увеличилась во столько же раз: порядок реакции может быть другим. В заданиях без специальной формулы обычно требуется качественный вывод: «концентрация больше — эффективных столкновений больше — реакция быстрее».
Влияние температуры
При нагревании частицы движутся быстрее. Увеличиваются и число столкновений, и доля частиц, энергия которых достаточна для реакции. Поэтому большинство реакций при повышении температуры ускоряется, а при охлаждении замедляется. Подробнее фактор рассматривается на странице «Влияние температуры на скорость реакции».
Для многих реакций при повышении температуры на каждые \(10\,^{\circ}\mathrm{C}\) скорость увеличивается примерно в \(2\)–\(4\) раза. Это приближённое правило, а не универсальный точный закон.
Здесь \(v_1\) и \(v_2\) — скорости при температурах \(t_1\) и \(t_2\), а \(\gamma\) — температурный коэффициент, обычно от \(2\) до \(4\). Если температура повышается, показатель степени положителен; если понижается — отрицателен.
Во сколько раз примерно изменится скорость реакции при повышении температуры на \(20\,^{\circ}\mathrm{C}\), если \(\gamma=3\)?
Площадь поверхности твёрдого вещества
Если в реакции участвует твёрдое вещество, реагирует только его поверхность, соприкасающаяся с другим веществом. Измельчение твёрдого реагента увеличивает общую площадь поверхности и число доступных участков столкновения. Поэтому порошок обычно реагирует быстрее, чем такой же по массе кусок.
Например, порошок карбоната кальция реагирует с кислотой быстрее, чем крупные куски того же вещества. При этом количество вещества и температура должны оставаться одинаковыми, иначе сравнение будет некорректным. Подробное объяснение приведено на странице «Влияние площади поверхности».
В две пробирки помещают одинаковые массы карбоната кальция и добавляют одинаковые объёмы кислоты одинаковой концентрации. В одной пробирке находится порошок, в другой — кусочек. Пузырьки углекислого газа выделяются быстрее с порошком, потому что площадь контакта с кислотой больше.
Катализатор
Катализатор — вещество, которое изменяет скорость реакции, участвуя в её промежуточных стадиях и восстанавливаясь к концу процесса. Обычно катализатор ускоряет реакцию, снижая энергию активации — минимальную энергию, необходимую для эффективного столкновения.
Катализатор — вещество, изменяющее скорость химической реакции и не расходующееся в суммарном уравнении реакции. Он не изменяет состав и количество конечных продуктов.
Катализатор не «создаёт» продукт и не заменяет нагревание, если реакция требует других условий. Он предоставляет другой путь реакции с меньшим энергетическим барьером. В обратимой реакции катализатор ускоряет прямое и обратное превращения, поэтому сам по себе не смещает химическое равновесие. С понятием «Катализ» связаны также гомогенный и гетерогенный катализ.
Катализатор изменяет скорость установления равновесия, но не изменяет положение равновесия и равновесный выход продукта.
Разобранный пример: температурный коэффициент
Скорость реакции при \(20\,^{\circ}\mathrm{C}\) равна \(2\,\mathrm{моль/(л\cdot с)}\). Температурный коэффициент \(\gamma=2\). Найдём скорость при \(50\,^{\circ}\mathrm{C}\).
При повышении температуры с \(20\) до \(50\,^{\circ}\mathrm{C}\) скорость увеличится в \(8\) раз и станет равна \(16\,\mathrm{моль/(л\cdot с)}\).
Как сравнивать факторы в задачах
- Определите, какой фактор изменился: концентрация, температура, площадь поверхности или катализатор.
- Проверьте, одинаковы ли остальные условия: масса, объём, давление, состав и время наблюдения.
- Сделайте вывод о направлении изменения скорости: увеличилась или уменьшилась.
- Если дан температурный коэффициент, используйте формулу Вант-Гоффа и посчитайте число интервалов по \(10\,^{\circ}\mathrm{C}\).
Не путайте скорость реакции с количеством продукта: большая скорость означает более быстрое образование продукта, но не обязательно больший конечный выход. Не считайте катализатор реагентом суммарного уравнения. Не применяйте правило Вант-Гоффа без указанного температурного коэффициента. При сравнении порошка и куска нельзя одновременно менять массу или концентрацию кислоты.
Проверка знаний
Ответьте без подсказок
Главное
- Увеличение концентрации обычно ускоряет реакцию за счёт более частых столкновений частиц.
- Повышение температуры увеличивает скорость; для расчётов используют правило Вант-Гоффа: \(v_2=v_1\gamma^{(t_2-t_1)/10}\).
- Измельчение твёрдого вещества увеличивает площадь поверхности и обычно ускоряет реакцию.
- Катализатор изменяет скорость реакции, снижая энергию активации, но не расходуется в суммарном уравнении и не смещает равновесие.
- При решении задач сравнивайте условия и изменяйте только указанный фактор.