Факторы скорости химической реакции
Скорость химической реакции показывает, насколько быстро исходные вещества превращаются в продукты. Она зависит не только от природы веществ, но и от условий реакции: температуры, концентрации, площади поверхности соприкосновения и присутствия катализатора.
Что такое скорость реакции
Подробно понятие скорости рассматривается на странице «Скорость химической реакции». В школьных задачах скорость можно оценивать по изменению количества или концентрации вещества за определённое время. Если исходное вещество расходуется, его концентрация уменьшается; если образуется продукт, его концентрация увеличивается.
Скорость химической реакции — это изменение концентрации вещества за единицу времени. Для вещества A, которое расходуется, используют выражение \(v=\frac{c_1-c_2}{t_2-t_1}\), где \(c_1\) и \(c_2\) — концентрации в моменты времени \(t_1\) и \(t_2\).
Чем больше значение \(v\), тем быстрее идёт реакция. Например, образование пузырьков газа при взаимодействии кислоты с карбонатом происходит быстрее при нагревании или при использовании измельчённого твёрдого вещества.
Температура и концентрация
При повышении температуры частицы движутся быстрее. Поэтому столкновения происходят чаще, а доля столкновений, которые приводят к химическому превращению, возрастает. В результате скорость большинства реакций увеличивается.
При повышении температуры на каждые \(10\ ^\circ\mathrm{C}\) скорость многих реакций увеличивается примерно в \(2\)–\(4\) раза. Это приближённое правило, а не точный закон для любой реакции.
Здесь \(v_{T_1}\) и \(v_{T_2}\) — скорости при температурах \(T_1\) и \(T_2\), а \(\gamma\) — температурный коэффициент, обычно от \(2\) до \(4\). Температуры в формуле сравнивают в градусах Цельсия, если разность температур указана в градусах Цельсия.
При повышении концентрации реагентов в одинаковом объёме частиц становится больше. Поэтому они чаще сталкиваются и реакция обычно ускоряется. Для газов аналогичный эффект даёт увеличение давления: при постоянной температуре частицы сближаются, то есть эффективная концентрация возрастает.
Повышение температуры обычно ускоряет реакцию; увеличение концентрации реагентов обычно также увеличивает скорость. Понижение температуры и разбавление раствора обычно замедляют реакцию.
| Условие | Что происходит с частицами | Изменение скорости |
|---|---|---|
| Повышение температуры | Движутся быстрее, эффективных столкновений больше | Обычно увеличивается |
| Увеличение концентрации | Частицы чаще сталкиваются | Обычно увеличивается |
| Разбавление раствора | Частицы сталкиваются реже | Обычно уменьшается |
| Понижение температуры | Движение замедляется | Обычно уменьшается |
Как изменится скорость реакции при нагревании от 20 °C до 40 °C, если температурный коэффициент равен 2?
Площадь поверхности твёрдого вещества
Если в реакции участвует твёрдое вещество, реагируют прежде всего частицы на его поверхности. Поэтому измельчение твёрдого реагента увеличивает площадь соприкосновения с раствором или газом. Чем больше такая площадь, тем чаще происходят столкновения реагирующих частиц и тем выше скорость реакции.
Кусочек мела реагирует с соляной кислотой медленнее, чем такое же по массе количество порошка мела. Состав и масса мела одинаковы, но у порошка больше площадь поверхности соприкосновения с кислотой.
Важно сравнивать опыты честно: масса и состав твёрдого вещества, концентрация раствора и температура должны быть одинаковыми. Иначе нельзя установить, какой именно фактор повлиял на скорость.
Катализатор
Катализатор — вещество, которое изменяет скорость реакции и само в итоге не расходуется. В школьных задачах чаще рассматривают ускорение реакции. Катализатор не является исходным веществом или продуктом реакции и не изменяет общий состав продуктов.
Катализатор предоставляет другой путь реакции с меньшей энергией активации. Поэтому больше столкновений становятся результативными, и реакция идёт быстрее. Катализатор не смещает химическое равновесие, а только помогает быстрее его достичь.
Катализатор может быть специфичным: одно вещество ускоряет одну реакцию, но почти не влияет на другую. В биологических системах роль катализаторов выполняют ферменты. Важно отличать катализатор от ингибитора: ингибитор замедляет реакцию.
1. Нельзя говорить, что катализатор «расходуется полностью»: он участвует в промежуточных стадиях, но регенерируется. 2. Катализатор не увеличивает количество продукта, которое возможно получить из данной массы реагентов. 3. Нельзя считать, что любое нагревание безопасно: некоторые вещества разлагаются или воспламеняются.
Как решать задачи на факторы скорости
Сначала определите, какой фактор изменился, затем установите направление изменения скорости. Если в условии дана величина температурного коэффициента и разность температур кратна 10 °C, применяйте формулу (1). Если изменены одновременно несколько условий, анализируйте их по отдельности и учитывайте, что точный общий результат может зависеть от конкретной реакции.
Скорость реакции при 20 °C равна \(3\) условные единицы. Температурный коэффициент \(\gamma=2\). Найдите скорость при 50 °C.
Ответ: скорость реакции при 50 °C равна \(24\) условные единицы, то есть увеличилась в 8 раз по сравнению со скоростью при 20 °C.
В экспериментальных заданиях могут сравниваться несколько колб: с порошком и кусочком вещества, с холодным и горячим раствором, с разной концентрацией или с катализатором. Быстрее реагирует образец, в котором выше температура, больше концентрация, больше площадь поверхности или присутствует подходящий катализатор — при прочих равных условиях.
Составьте короткую цепочку: изменили условие → изменилось движение или число частиц → изменилось число эффективных столкновений → скорость увеличилась или уменьшилась.
Проверьте себя
Главное
- Скорость реакции — изменение концентрации вещества за единицу времени: \(v=\frac{\Delta c}{\Delta t}\).
- Повышение температуры обычно увеличивает скорость; приблизительно действует правило Вант—Гоффа: на каждые 10 °C скорость возрастает в \(2\)–\(4\) раза.
- Увеличение концентрации реагентов повышает частоту столкновений и обычно ускоряет реакцию.
- Измельчение твёрдого вещества увеличивает площадь поверхности соприкосновения и ускоряет реакцию.
- Катализатор изменяет скорость реакции, снижая энергию активации, но сам в итоге не расходуется.