Факторы скорости реакции
Скорость химической реакции показывает, насколько быстро изменяется концентрация реагентов или продуктов. На неё влияют природа веществ, концентрация, температура, площадь поверхности соприкосновения и наличие катализатора.
Что такое скорость реакции
Скорость реакции — изменение концентрации вещества за единицу времени. Для реагента концентрация уменьшается, поэтому используют знак «минус»; для продукта концентрация увеличивается, поэтому знак «плюс».
Скорость реакции \(v\) измеряют в единицах концентрации, делённой на время, например \(\mathrm{моль/(л\cdot с)}\). В школьных задачах часто сравнивают скорости по изменению концентрации за одинаковый промежуток времени.
Для реакции \(aA+bB\rightarrow cC+dD\) изменение концентраций разных веществ связано стехиометрическими коэффициентами. Чтобы получить одну и ту же скорость реакции, изменения концентраций делят на соответствующие коэффициенты.
Подробнее способы вычисления скорости разобраны на страницах средняя скорость реакции и мгновенная скорость реакции.
Основные факторы скорости
Скорость реакции определяется числом эффективных столкновений частиц за единицу времени. Эффективным является столкновение, при котором частицы имеют достаточную энергию и правильную ориентацию.
Чем больше эффективных столкновений происходит за единицу времени, тем выше скорость реакции. Изменение условий влияет либо на число столкновений, либо на долю столкновений, приводящих к реакции.
1. Природа реагирующих веществ
Разные вещества реагируют с разной скоростью даже при одинаковых температуре и концентрации. Это связано со строением частиц, типом химической связи и прочностью этих связей. Например, активные металлы реагируют с кислотами быстрее малоактивных, а ионные реакции в растворах обычно идут быстро, потому что ионы уже разделены на частицы.
При первом упоминании этого фактора полезно открыть страницу природа реагирующих веществ: она является частью данного конспекта и содержит сравнение активности веществ.
2. Концентрация и давление
При увеличении концентрации реагентов в растворе число частиц в единице объёма возрастает. Частицы чаще сталкиваются, поэтому реакция обычно ускоряется. Для газов аналогичный эффект даёт увеличение давления при постоянной температуре: уменьшается объём, и молекулы чаще сталкиваются.
В простейшем школьном приближении, если концентрацию одного реагента увеличить в \(k\) раз, число столкновений с его участием также возрастает. Однако точную зависимость скорости от концентраций определяют экспериментально: она не всегда совпадает со стехиометрическими коэффициентами уравнения.
Нельзя автоматически записывать закон скорости только по коэффициентам уравнения реакции. Например, для реакции \(2A+B\rightarrow C\) выражение \(v=k c^2(A)c(B)\) справедливо не всегда; порядок реакции устанавливают экспериментально.
3. Температура
При нагревании частицы движутся быстрее, чаще сталкиваются и получают больше энергии. Поэтому увеличивается доля частиц, способных преодолеть энергетический барьер реакции. Обычно при повышении температуры скорость реакции возрастает.
Для школьных оценок используют правило Вант-Гоффа. Оно применяется приближённо в сравнительно узком интервале температур.
При повышении температуры на каждые \(10\,^{\circ}\mathrm{C}\) скорость большинства реакций увеличивается примерно в \(\gamma\) раз, где температурный коэффициент \(\gamma\) обычно равен от 2 до 4.
Во сколько раз изменится скорость, если \(\gamma=3\), а температуру повысили на \(20\,^{\circ}\mathrm{C}\)?
4. Площадь поверхности
Если твёрдое вещество реагирует с жидкостью или газом, реакция идёт на поверхности соприкосновения. Измельчение твёрдого вещества увеличивает общую площадь поверхности, поэтому число контактов частиц возрастает и реакция ускоряется.
Порошок карбоната кальция реагирует с кислотой быстрее, чем кусок той же массы. При этом количество вещества не изменяется: меняется только площадь поверхности и доступность частиц.
Катализатор
Катализатор — вещество, которое изменяет скорость реакции, участвуя в промежуточных стадиях, но восстанавливается к концу процесса. Чаще всего катализатор ускоряет реакцию, снижая энергию активации и создавая новый путь реакции.
Катализатор изменяет скорость реакции и не расходуется в суммарном уравнении. Он не изменяет состав и количество равновесной смеси, а лишь помогает быстрее достичь равновесия.
Катализатор может быть гомогенным, если он находится в той же фазе, что и реагенты, или гетерогенным, если фазы различаются. Примеры подробно разобраны на страницах гомогенный катализ и гетерогенный катализ.
Катализатор не следует путать с реагентом: реагент расходуется и входит в уравнение реакции, а катализатор обычно записывают над стрелкой и не включают в суммарное уравнение.
Катализатор не смещает химическое равновесие. Он одинаково ускоряет прямую и обратную реакции, поэтому равновесие устанавливается быстрее, но равновесные концентрации не изменяются.
Разобранный пример
Для реакции температурный коэффициент скорости \(\gamma=2\). Во сколько раз изменится скорость при повышении температуры с \(20\,^{\circ}\mathrm{C}\) до \(50\,^{\circ}\mathrm{C}\)?
Ответ: скорость реакции увеличится в 8 раз. Если температуру понизить на \(30\,^{\circ}\mathrm{C}\), скорость, наоборот, уменьшится в \(2^3=8\) раз, то есть станет равной \(\frac{1}{8}\) первоначальной.
1. При изменении температуры считают интервалы по \(10\,^{\circ}\mathrm{C}\), а не просто разность температур. 2. При охлаждении используют обратный множитель: скорость уменьшается. 3. Увеличение площади поверхности относится к твёрдому веществу, а не к растворённому веществу. 4. Катализатор не увеличивает выход равновесного продукта сам по себе.
Алгоритм анализа условия
- Определите, какой фактор изменили: природу вещества, концентрацию, температуру, площадь поверхности или катализатор.
- Укажите, как изменится число или эффективность столкновений частиц.
- Сделайте вывод о скорости: она увеличится, уменьшится или останется прежней.
- Если дана температура и коэффициент \(\gamma\), примените правило Вант-Гоффа.
- Если спрашивают о равновесии, отделяйте влияние на скорость от влияния на равновесный состав.
Для связи с последующей темой полезно прочитать теорию столкновений: она объясняет, почему перечисленные факторы действуют именно так. При задачах на количество прореагировавшего вещества пригодятся таблицы изменения концентраций и страница о степени превращения.
Быстрая проверка
Главное
- Скорость реакции определяется числом эффективных столкновений частиц.
- Увеличение концентрации, давления газов, температуры и площади поверхности обычно ускоряет реакцию.
- Правило Вант-Гоффа: \(v_2/v_1=\gamma^{\Delta T/10}\); оно является приближённым.
- Катализатор изменяет скорость реакции, но не смещает химическое равновесие.
- Природа веществ также важна: разные частицы имеют разную реакционную способность.