Скорость химической реакции
Скорость химической реакции — изменение концентрации исходного вещества или продукта за единицу времени: v = Δc / Δt, единица — моль/(л·с). Скорость зависит от природы реагирующих веществ, их концентрации, температуры, площади соприкосновения и присутствия катализатора. Тему проходят в 9 классе и повторяют в 11-м, а каждый фактор можно проверить опытом в виртуальной лаборатории.
Скорость химической реакции: определение и формула
Для реакции в растворе или в смеси газов скорость считают по изменению молярной концентрации c (моль/л):
v = ±Δc / Δt = ±(c₂ − c₁) / (t₂ − t₁)
Если скорость считают по исходному веществу, ставят минус: его концентрация уменьшается, а скорость должна быть положительной. Для продукта берут плюс.
Реагенты расходуются, и реакция постепенно замедляется, поэтому по формуле находят среднюю скорость за выбранный промежуток времени.
Гомогенные и гетерогенные реакции
Гомогенные реакции идут в однородной среде, во всём объёме смеси газов или раствора: 2NO + O₂ → 2NO₂, NaOH + HCl → NaCl + H₂O. Гетерогенные идут на границе фаз — между твёрдым веществом и жидкостью или газом: растворение металла в кислоте, горение угля C + O₂ → CO₂, растворение мрамора в кислоте.
Скорость гетерогенной реакции относят к площади поверхности: v = Δn / (S · Δt), где Δn — изменение количества вещества (моль), S — площадь соприкосновения веществ. Отсюда практический вывод: чем сильнее измельчено твёрдое вещество, тем быстрее идёт реакция.
Факторы, влияющие на скорость химической реакции
Все факторы объясняет теория столкновений. Чтобы прореагировать, частицы должны столкнуться, причём с энергией не меньше энергии активации. Чем чаще столкновения и чем больше среди них «удачных», тем выше скорость.
| Фактор | Как влияет | Пример |
|---|---|---|
| Природа веществ | активные вещества реагируют быстрее | Mg с кислотой быстрее Zn, Zn — быстрее Fe |
| Концентрация | больше частиц в объёме — чаще столкновения | в кислороде лучина горит ярче, чем на воздухе |
| Температура | на каждые 10 °C скорость растёт в 2–4 раза | цинк в горячей кислоте |
| Площадь соприкосновения | измельчение ускоряет гетерогенную реакцию | порошок мела реагирует быстрее куска |
| Катализатор | ускоряет реакцию и сам не расходуется | MnO₂ разлагает пероксид водорода |
Природа реагирующих веществ: металлы в кислоте
При прочих равных условиях быстрее реагируют более активные вещества. Металлы в кислоте реагируют тем энергичнее, чем левее они стоят в ряду активности: Mg + 2HCl → MgCl₂ + H₂↑ идёт бурно и с разогревом, Zn + 2HCl → ZnCl₂ + H₂↑ — заметно спокойнее, Fe + 2HCl → FeCl₂ + H₂↑ — медленно, а медь с соляной кислотой не реагирует совсем. Другой пример — водород с галогенами: с фтором он взрывается даже в темноте, с хлором реагирует на свету (H₂ + Cl₂ → 2HCl), а с иодом — только при нагревании и обратимо (H₂ + I₂ ⇄ 2HI).
Опыт. В опыте «Получение водорода» положите по очереди одинаковые порции магния, цинка и железа в соляную кислоту и следите за счётчиком «Собрано газа». Магний даёт водород быстрее всех и разогревает раствор, цинк — медленнее, железные опилки — медленнее цинка. Алюминий на холоду реагирует очень медленно: его защищает оксидная плёнка.
Концентрация реагентов и закон действующих масс
Чем выше концентрация реагирующих веществ, тем чаще сталкиваются их частицы. Количественно это выражает закон действующих масс (К. Гульдберг и П. Вааге, 1860-е годы): скорость простой реакции пропорциональна произведению концентраций реагентов в степенях, равных коэффициентам. Для реакции 2NO + O₂ → 2NO₂ v = k · c²(NO) · c(O₂). Если концентрацию NO увеличить в 2 раза, скорость вырастет в 2² = 4 раза. Концентрации твёрдых веществ в выражение не входят: для горения угля v = k · c(O₂).
Опыты. В опыте «Получение кислорода» тлеющая лучина в кислороде вспыхивает: концентрация O₂ там примерно в пять раз выше, чем в воздухе. Концентрацию одной и той же кислоты в лаборатории не меняют, зато можно сравнить сильную и слабую: в соляной кислоте цинк выделяет водород заметно быстрее, чем в уксусной. Уксусная кислота — слабый электролит, ионов H⁺ в её растворе гораздо меньше, а с металлом реагируют именно они (см. электролитическая диссоциация).
Температура: правило Вант-Гоффа
При нагревании частицы движутся быстрее и сталкиваются чаще, а главное — растёт доля частиц с энергией не ниже энергии активации. Правило Вант-Гоффа: при повышении температуры на каждые 10 °C скорость большинства реакций возрастает в 2–4 раза. Это число называют температурным коэффициентом γ:
v₂ = v₁ · γ(t₂ − t₁) / 10
Пример 2. γ = 2, скорость нужно увеличить в 16 раз. 16 = 2⁴, значит, температуру поднимают на 4 · 10 = 40 °C.
Опыт. Нагрейте пробирку с цинком и соляной кислотой спиртовкой и следите за термометром: при 60–80 °C водород выделяется в разы быстрее, чем при комнатной температуре. Ещё нагляднее алюминий: на холоду он выделяет водород еле-еле, а в горячей кислоте оксидная плёнка разрушается и идёт 2Al + 6HCl → 2AlCl₃ + 3H₂↑.
Площадь соприкосновения реагирующих веществ
Гетерогенная реакция идёт только на поверхности твёрдого вещества, поэтому чем мельче частицы, тем больше площадь и выше скорость. Кусок мела в соляной кислоте растворяется долго, а мел-порошок вскипает за секунды; железный гвоздь в кислоте медленно обрастает пузырьками, а железный порошок реагирует энергично. Полено разгорается долго, стружка — сразу, а мучная или угольная пыль в воздухе может вспыхнуть со взрывом.
Опыт. В виртуальной лаборатории каждое твёрдое вещество дано в одном виде (мрамор — кусочками, железо — опилками), поэтому порошок и кусок одного вещества здесь не сравнить. Зато видно, как идёт гетерогенная реакция. Кусочки мрамора в соляной кислоте (CaCO₃ + 2HCl → CaCl₂ + CO₂↑ + H₂O) уменьшаются постепенно, и газ идёт ровно и долго. Раствор соды Na₂CO₃ с той же кислотой вскипает сразу: карбонат-ионы распределены по всему объёму. Опыт — «Углекислый газ».
Катализатор и ингибитор
Катализатор — вещество, которое ускоряет реакцию, но к её концу остаётся химически неизменным. Он открывает другой путь реакции, с меньшей энергией активации. Ингибитор, наоборот, замедляет реакцию: ингибиторы коррозии добавляют, например, в охлаждающие жидкости двигателей. Биологические катализаторы — ферменты: каталаза крови разлагает пероксид водорода, поэтому перекись «шипит» на ссадине.
Классический пример — 2H₂O₂ → 2H₂O + O₂↑ кат. MnO₂. Без катализатора 3-процентный раствор пероксида водорода при комнатной температуре разлагается так медленно, что пузырьков не видно. Стоит добавить щепотку чёрного порошка MnO₂ — раствор вскипает от кислорода, а MnO₂ при этом не расходуется.
Опыт. В опыте «Получение кислорода» сначала сильно нагрейте пероксид без катализатора — газ идёт еле-еле. Затем добавьте MnO₂ и сравните, как быстро наполнится пробирка. Другие каталитические реакции: 2SO₂ + O₂ ⇄ 2SO₃ (катализатор V₂O₅), N₂ + 3H₂ ⇄ 2NH₃ (железо), 2Al + 3I₂ → 2AlI₃ — смесь алюминия с иодом вспыхивает от капли воды.
Каталитические реакции
- 2Al + 3I₂ → 2AlI₃СоединенияОВРКаталитическаякат. H₂O
- C₆H₆ + Br₂ → C₆H₅Br + HBrЗамещенияОрганическаяКаталитическаякат. FeBr₃
- C₂H₅OH + CH₃COOH ⇄ CH₃COOC₂H₅ + H₂OОбменаОрганическаяКаталитическаяt°, H₂SO₄ (конц.)
- 2KClO₃ → 2KCl + 3O₂↑РазложенияОВРКаталитическаяt°, кат. MnO₂
- 4NH₃ + 5O₂ → 4NO + 6H₂OДругого типаОВРКаталитическаяПроизводствоt°, кат. Pt
- C₂H₄ + H₂ → C₂H₆СоединенияОрганическаяОВРКаталитическаяt°, кат. Ni
- 2H₂O₂ → 2H₂O + O₂↑РазложенияОВРКаталитическаякат. MnO₂
- CH₄ + H₂O → CO + 3H₂Другого типаОрганическаяОВРКаталитическаяПроизводствоt°, кат. Ni
- C₂H₂ + 2H₂ → C₂H₆СоединенияОрганическаяОВРКаталитическаяt°, кат. Ni
- C₆H₁₂O₆ → 2C₂H₅OH + 2CO₂↑РазложенияОрганическаяВ природе и бытуКаталитическаядрожжи
Скорость химической реакции: опыты онлайн
Чтобы сравнение было честным, в каждой паре опытов меняйте только одно условие.
- Откройте лабораторию, выберите пробирку и соляную кислоту.
- Положите одну порцию металла, прилейте кислоту и подключите газоотводную трубку — счётчик «Собрано газа» покажет объём водорода.
- Засеките, за сколько секунд соберётся, например, 10 мл газа. Ускорение времени (×2, ×4) держите одинаковым.
- Нажмите «Вымыть» и повторите опыт с другим металлом, с уксусной кислотой или с нагреванием.
- Сравните время и запишите вывод: какой фактор и как повлиял на скорость.
Проведите опыт онлайн
Эти опыты есть в виртуальной лаборатории: запустите прямо здесь или откройте на весь экран.
Получение водорода
Металл в кислоте, сбор газа над водой в пробирку и проба горящей лучиной — хлопок.
Получение кислорода
Пероксид водорода с катализатором MnO₂: кислород зажигает тлеющую лучину.
Читайте также
Частые вопросы
Какие факторы влияют на скорость химической реакции?
Природа реагирующих веществ, их концентрация, температура, площадь соприкосновения и катализатор или ингибитор. Для газов важно ещё давление: при сжатии растёт концентрация.
Как найти скорость химической реакции по формуле?
Разделите изменение концентрации на время: v = Δc / Δt. Например, если концентрация продукта за 10 с выросла с 0 до 0,2 моль/л, v = 0,2 / 10 = 0,02 моль/(л·с).
Что такое правило Вант-Гоффа?
При нагревании на каждые 10 °C скорость большинства реакций возрастает в 2–4 раза. Формула: v₂ = v₁ · γ(t₂ − t₁) / 10, где γ — температурный коэффициент.
Почему катализатор ускоряет реакцию?
Катализатор образует с реагентами промежуточные соединения и направляет реакцию по другому пути, с меньшей энергией активации. Поэтому больше столкновений частиц оказываются удачными. В конце реакции катализатор остаётся неизменным.
Чем гомогенная реакция отличается от гетерогенной?
Гомогенная идёт во всём объёме однородной смеси — газов или раствора. Гетерогенная идёт на поверхности раздела фаз, например металла и кислоты, поэтому её скорость зависит от степени измельчения твёрдого вещества.