Скорость реакции

Определение и формулы

Скорость химической реакции определяется как преобразование концентрации реагирующих веществ за единицу времени в гомогенных (однородных) системах, или изменение количества вещества на единицу реакционной поверхности в гетерогенных (неоднородных) системах.

Обозначают скорость реакции буквой υ, а её единица измерения — моль/л・с.

Определить скорость можно по следующим формулам:

1. Для гомогенных систем:

   , где ΔС — это разница концентраций, рассчитывается как C₂ − C₁, Δt — изменение времени, рассчитывается как t₂ − t₁.

2. Для гетерогенных систем:

   , где Δv — это изменение количества вещества (v₂ – v₁), S — площадь поверхности соприкосновения частиц, Δt — изменение времени (t₂ − t₁).

Посмотрим, как используется эта величина при решении задач:

В реакции образования воды O₂ + 2H₂ = 2H₂O начальная концентрация кислорода равна 0,5 моль/л, а через 2 минуты концентрация оказалась равной 0,25 моль/л. Чему равна скорость данной реакции?

Итак, нам известно следующее: C₁ = 0,5 моль/л, C₂ = 0,25 моль/л, t₂ = 2 мин = 120 с. Также отмечаем, что начальное время реакции t₁ = 0 с.

Чтобы рассчитать υ, необходимо вначале определить дельты:

• ΔС = C₂ − C₁ = |0,25 − 0,5| = |−0,25| = 0,25 моль/л
• Δt = t₂ − t₁ = 120 − 0 = 120 с

Затем рассчитываем скорость реакции по формуле, справедливой для гомогенных систем: υ = ΔС/Δt = 0,25/120 = 0,002 моль/л・с.

Итак, искомая нами скорость реакции составила 0,002 моль/л・с.

Важно понимать, что на скорость реакции могут оказывать влияние множество факторов: реагенты, температура, концентрация, наличие или отсутствие катализатора. Давайте подробнее разберем каждый из них.

Влияние природы реагирующих веществ

Природа реагирующих веществ определяется характером химической связи в веществах и их строением. Менее активные вещества реагируют медленнее, тогда как более активные легко и быстро вступают в реакции с другими веществами.

Так, к примеру, чем более активен металл, тем более бурно он будет реагировать в водой. Щелочные металлы с водой взаимодействуют крайне активно, при такой реакции может происходить взрыв, выделяется тепло и свет. Менее активные металлы с водой могут не взаимодействовать вовсе.

Таким образом, чем более реакционноспособно вещество, вступающее в химическую реакцию, тем выше скорость реакции.

Если среда реакции неоднородная, то есть процесс происходит в гетерогенной системе, то также учитывается площадь поверхности реагирующих веществ. Например, реакция взаимодействия гранул цинка с соляной кислотой пройдет быстрее, если гранулы измельчить: Zn_(тв) + 2HCl_(р-р) = ZnCl₂ + H₂ ↑.

178.2K

Какая профессия тебе подходит? Узнай за 10 минут!

Получи больше пользы от Skysmart:

• Подтяни оценки на курсах по химии.

• Выбирай из 550+ репетиторов по химии.

• Записывайся на бесплатные курсы для детей.

Влияние изменения концентрации

Концентрация — это количество того или иного вещества, содержащееся в определенной массе или объеме раствора.

Выразить концентрацию можно разными способами, например, как массовую долю, мольную долю, но в нашей теме используется молярная концентрация (С), показывающая количество вещества (моль) в одном литре раствора.

Влияние концентрации на скорость продиктовано законом действующих масс:

Скорость элементарной химической реакции прямо пропорциональна произведению молярных концентраций реагирующих веществ, возведенных в степени, равные их стехиометрическим коэффициентам.

Если реакция имеет вид aA + bB = cC +dD, то закон действующих масс будет иметь вид: υ = k・C^a_A・C^b_B , где υ — скорость химической реакции, [моль/л・с], C_A и C_B — молярные концентрации веществ A и B, [моль/л], k — константа скорости реакции, не зависящая от концентрации реагирующих веществ.

Исходя из этого, можно сделать вывод, что при увеличении концентрации реагирующих веществ скорость реакции повышается, при уменьшении — снижается.

Влияние изменения температуры

При повышении температуры частицы любого вещества ускоряют свое движение, что приводит к возрастанию числа активных соударений. Следовательно, с ростом температуры скорость химической реакции также увеличивается.

Зависимость скорости реакции от температуры отражает правило Вант-Гоффа:

При увеличении температуры на каждые 10॰ скорость реакции увеличивается в 2–4 раза

Эту зависимость можно выразить математически:

υ₂ = υ₁ ・γ^(T2−T1)/10, где υ₂ — скорость при температуре T₂, υ₁ — скорость реакции при температуре T₁, γ — температурный коэффициент скорости реакции, принимающий значения в диапазоне от 2 до 4.

Давайте применим правило Вант-Гоффа:

Как и во сколько раз изменится скорость реакции, если реакционную смесь нагрели от 150॰ до 200॰, а температурный коэффициент равен 4?

Нам известно следующее: T₁ = 150॰, T₂ = 200॰, γ = 4.

Изменение скорости реакции характеризуется отношением скоростей υ₂/υ₁. Тогда:

υ₂/υ₁ = γ^(T2−T1)/10 = 4^{(200−150)/10} = 1024,

значит, скорость реакции увеличилась в 1024 раза.

Итак, при повышении температуры скорость реакции увеличивается, а при понижении температуры — уменьшается.

Катализаторы и ингибиторы

Повысить или понизить скорость химической реакции можно с помощью специальных веществ — катализаторов и ингибиторов.

Катализатор — это вещество, которое ускоряет химическую реакцию, но само в ходе реакции не расходуется.

При воздействии катализатора происходит снижение энергии активации, которая необходима для протекания реакции:

Если в проведении реакции участвует катализатор, то такие реакции являются каталитическими.

Катализаторы могут быть как гомогенными, то есть находящимися в одной фазе с реагирующими веществами, так и гетерогенными, образующими самостоятельную фазу, отделенную от той, в которой находятся реагенты.

Примеры катализаторов
Органическая химия
Процесс	Катализатор
Гидрирование/дегидрирование	Ni, Pt, Pd
Изомеризация	AlCl3
Тримеризация ацетилена	Cакт
Дегидратация	Al2O3
Неорганическая химия
Процесс	Катализатор
Синтез аммиака	Fe
Окисление сернистого газа	V2O5
Окисление аммиака	Pt

Ингибитор — вещество, замедляющее химическую реакцию.

Применение ингибиторов позволяет существенно замедлить процессы коррозии металлов, старения полимеров и окисления топлива, что способствует увеличению срока службы и сохранению качества различных материалов и продуктов.

Скорость химической реакции — важный параметр, который определяет то, насколько быстро протекают химические процессы. Мы рассмотрели основные факторы, влияющие на скорость, поэтому пора переходить к отработке полученных знаний на практике.

Пора проверить себя

1. Из предложенного перечня выберите все факторы, приводящие к увеличению скорости реакции: 2CuS_(тв) + 3O_2(г) = 2CuO_(тв) + 2SO_2(г) + Q.
   1. Понижение температуры
   2. Увеличение концентрации SO₂
   3. Измельчение CuS
   4. Повышение давления
   5. Уменьшение концентрации SO₂
2. Из предложенного перечня выберите все факторы, влияющие на скорость реакции: Fe + H₂SO₄ = FeSO₄ + H₂.
   1. Добавление FeSO₄
   2. Измельчение Fe
   3. Понижение температуры
   4. Увеличение концентрации H2
   5. Повышение давления

Ответы

1 — c, d; 2 — b, c.