Условия протекания химической реакции
Химическая реакция начинается и протекает не сама по себе: обычно нужны определённые условия. Важно различать условия возникновения реакции и факторы, которые изменяют её скорость: нагревание, освещение, давление, тесный контакт веществ и действие катализатора.
Что называют условиями химической реакции
Химическая реакция — это превращение одних веществ в другие с изменением состава и строения частиц. Чтобы реакция началась, частицы исходных веществ должны столкнуться и взаимодействовать. Однако одного столкновения недостаточно: частицы должны иметь подходящую энергию и встретиться в нужной ориентации.
Условие протекания химической реакции — фактор, при котором реакция начинается, становится возможной или идёт с заметной скоростью. К таким факторам относятся контакт веществ, нагревание, свет, давление для газов и катализатор.
Чем больше эффективных столкновений частиц происходит за единицу времени, тем быстрее идёт реакция. Эффективным является столкновение, при котором частицы имеют достаточную энергию и могут образовать новые связи.
Иногда реакция термодинамически возможна, но практически не наблюдается, потому что идёт слишком медленно. Например, железо взаимодействует с кислородом воздуха, но ржавление занимает много времени. При нагревании или увеличении площади контакта скорость процесса возрастает.
Контакт веществ и площадь поверхности
Для реакции между твёрдыми веществами необходимо, чтобы их поверхности соприкасались. Если вещества разделены, частицы не сталкиваются и реакция не идёт. Поэтому порошок обычно реагирует быстрее, чем кусок того же вещества: у порошка больше площадь поверхности контакта.
- Растворение веществ в воде часто ускоряет реакцию между ними, потому что частицы свободно перемещаются и чаще сталкиваются.
- Перемешивание увеличивает контакт реагентов и выравнивает их концентрацию.
- Измельчение твёрдого вещества увеличивает площадь поверхности и обычно ускоряет реакцию.
- Для реакции газа с жидкостью важны площадь соприкосновения и перемешивание.
Кусочек мела и порошок мела помещают в одинаковые объёмы соляной кислоты. В обоих случаях образуется углекислый газ, но порошок реагирует быстрее: площадь его поверхности больше, поэтому за одно и то же время происходит больше столкновений частиц мела и кислоты.
Нагревание и свет
При нагревании частицы движутся быстрее, поэтому чаще сталкиваются. Кроме того, увеличивается доля частиц, энергия которых достаточна для преодоления энергетического барьера реакции. Поэтому многие реакции при нагревании ускоряются.
Нагревание не всегда является обязательным условием: некоторые реакции идут при комнатной температуре, а другие требуют сильного нагрева. Например, для горения необходимы горючее вещество, кислород и температура воспламенения. После начала горения выделившееся тепло может поддерживать процесс.
Свет может быть источником энергии для реакции. Такие реакции называют фотохимическими. На свету растения осуществляют фотосинтез, а некоторые вещества разлагаются или соединяются только при освещении. Важно указывать свет над стрелкой химического уравнения, если он является условием реакции.
Обозначение \(h\nu\) означает действие света. Иногда важен не любой свет, а определённая часть спектра, например ультрафиолетовое излучение.
Почему порошок вещества обычно реагирует быстрее, чем крупный кусок той же массы?
Давление и концентрация газов
Для газообразных веществ увеличение давления в замкнутой системе уменьшает объём газа. Частицы оказываются ближе друг к другу и чаще сталкиваются, поэтому скорость реакции обычно увеличивается. Давление можно повысить сжатием газа или уменьшением объёма сосуда.
Здесь \(p\) — давление, \(c\) — концентрация газа, \(v\) — скорость реакции. Это правило применяют прежде всего к реакциям, в которых участвуют газы. Для твёрдых и жидких веществ влияние давления обычно значительно меньше.
Если газ образуется в реакции, например при взаимодействии кислоты с карбонатом, его выделение можно заметить по пузырькам. Такой признак связан с образованием нового вещества и рассматривается вместе с другими признаками реакций и условиями их протекания.
Катализатор: ускоритель реакции
Катализатор — вещество, которое изменяет скорость реакции, обычно ускоряя её, и само практически не расходуется. Он предоставляет другой путь реакции с меньшей энергией активации. После реакции катализатор восстанавливается.
Катализатор не изменяет состав исходных веществ и продуктов, поэтому не является реагентом. Он также не заменяет обязательные условия: если нет контакта веществ или подходящей температуры, одного катализатора может быть недостаточно.
Не путайте ускорение и возникновение реакции. Нагревание, свет или катализатор могут ускорить процесс, но не всегда делают невозможную реакцию возможной. Катализатор не расходуется полностью, хотя может временно вступать в промежуточные превращения. Повышение давления важно главным образом для газов, а не для любых веществ.
Как определить условие по описанию опыта
В заданиях экзамена часто описывают два опыта и просят объяснить, почему скорость реакции различается. Сначала найдите, что изменили: температуру, площадь поверхности, давление, освещение, перемешивание или наличие катализатора. Затем определите, как это повлияло на число эффективных столкновений или энергию частиц.
- Запишите, какие вещества реагируют и в каком состоянии они находятся.
- Сравните условия двух опытов: изменился один фактор или несколько.
- Назовите направление изменения скорости: реакция ускорилась или замедлилась.
- Объясните причину через столкновения частиц и энергию активации.
- Если требуется, укажите наблюдаемый признак: выделение газа, осадок, изменение цвета, запаха или температуры.
В двух пробирках находятся равные массы цинка. В первую добавили кусочки цинка и соляную кислоту, во вторую — порошок цинка с таким же количеством кислоты. В какой пробирке водород выделяется быстрее и почему?
Уравнение реакции, подтверждающее образование газа: \(\mathrm{Zn+2HCl\rightarrow ZnCl_2+H_2\uparrow}\). Важно: состав продуктов в обоих опытах одинаков, изменяется только скорость процесса.
Связь с другими темами
Условия реакции помогают правильно записывать уравнения по алгоритму составления уравнения. При реакциях растворов существенны частицы, находящиеся в растворе, и среда раствора. Для отдельных типов превращений полезно повторить схему химической реакции. Бет «Условия химических реакций» объединяет эту тему с признаками и общим алгоритмом распознавания реакций.
Если в условии сказано «нагревали», «измельчили», «перемешали», «осветили», «сжали газ» или «добавили катализатор», сразу связывайте это с конкретным механизмом: энергия частиц, площадь контакта, частота столкновений или энергия активации.
Проверь себя
Главное
- Для реакции необходим контакт частиц; увеличение площади поверхности обычно ускоряет процесс.
- Нагревание повышает энергию частиц, а свет может служить источником энергии для фотохимических реакций.
- Повышение давления ускоряет реакции между газами благодаря увеличению концентрации и частоты столкновений.
- Катализатор снижает энергию активации и изменяет скорость реакции, практически не расходуясь.
- В задачах сначала найдите изменённое условие, затем объясните результат через эффективные столкновения частиц.