Скорость химической реакции. Факторы, влияющие на скорость

Цели урока

• Определять скорость реакции по формуле для гомогенных и гетерогенных систем
• Объяснять влияние каждого фактора на скорость реакции
• Применять правило Вант-Гоффа для расчётов
• Понимать роль катализаторов и ингибиторов

Зачем это нужно на ЕГЭ

Задание 18 посвящено скорости химической реакции и факторам, на неё влияющим. Вас могут попросить определить, как изменится скорость при повышении температуры, увеличении концентрации или давления, добавлении катализатора. Встречаются и расчётные задачи на правило Вант-Гоффа. Понимание скорости реакции также необходимо для темы равновесия (урок 12).

Теория

Понятие скорости реакции

Скорость химической реакции — изменение концентрации одного из реагентов или продуктов за единицу времени.

Для гомогенной реакции (все вещества в одной фазе):

$$v = \frac{\Delta C}{\Delta t} \quad (\text{моль}/(\text{л}\cdot\text{с}))$$

где $\Delta C$ — изменение молярной концентрации, $\Delta t$ — промежуток времени.

По реагенту концентрация уменьшается, поэтому берут модуль или ставят знак минус:

$$v = -\frac{\Delta C(\text{реагента})}{\Delta t} = +\frac{\Delta C(\text{продукта})}{\Delta t}$$

Для гетерогенной реакции (вещества в разных фазах) скорость определяют по изменению количества вещества, приходящегося на единицу площади поверхности раздела фаз:

$$v = \frac{\Delta n}{S \cdot \Delta t} \quad (\text{моль}/(\text{м}^2\cdot\text{с}))$$

Закон действующих масс (ЗДМ)

Для элементарной реакции $aA + bB \rightarrow$ продукты скорость пропорциональна произведению концентраций реагентов в степенях, равных их стехиометрическим коэффициентам:

$$v = k \cdot [A]^a \cdot [B]^b$$

где $k$ — константа скорости (зависит от природы реагентов и температуры, но не от концентрации).

Важно: ЗДМ строго применим только к элементарным (одностадийным) реакциям и к каждой стадии сложной реакции. Для суммарных уравнений сложных реакций показатели степени определяются экспериментально.

Для гетерогенных реакций в выражение скорости не включают концентрации твёрдых веществ (их концентрация постоянна).

Факторы, влияющие на скорость

1. Природа реагирующих веществ

Скорость реакции определяется прежде всего тем, какие связи нужно разорвать и какие — образовать. Реакции между ионами в растворе протекают почти мгновенно. Реакции с участием ковалентных связей — значительно медленнее.

Примеры:

• $Na + H_2O$ → бурная реакция (секунды)
• $Fe + H_2O$ → практически не идёт при обычных условиях
• $2H_2 + O_2$ → при комнатной температуре не идёт (нужна искра)

2. Концентрация

Чем выше концентрация реагентов, тем чаще сталкиваются молекулы → скорость возрастает (закон действующих масс).

Если $[A]$ увеличить в 2 раза в реакции $A + B \rightarrow$ продукты, скорость возрастёт в 2 раза. Если $[A]$ увеличить в 2 раза в реакции $2A + B \rightarrow$ продукты, скорость возрастёт в $2^2 = 4$ раза.

3. Температура (правило Вант-Гоффа)

При повышении температуры на каждые 10 °C скорость реакции возрастает в $\gamma$ раз (температурный коэффициент, обычно $\gamma = 2$–$4$):

$$\frac{v_2}{v_1} = \gamma^{\frac{T_2 - T_1}{10}}$$

Пример: если $\gamma = 3$ и температура повысилась с 20 °C до 50 °C, то скорость возрастёт в $3^{\frac{50-20}{10}} = 3^3 = 27$ раз.

Причина: при нагревании увеличивается доля молекул с энергией, достаточной для преодоления энергетического барьера реакции (энергии активации).

4. Давление (для газовых реакций)

Повышение давления = уменьшение объёма = увеличение концентрации газов → скорость возрастает. На реакции в жидкой и твёрдой фазах давление практически не влияет.

Если давление увеличить в $n$ раз, концентрация каждого газа возрастёт в $n$ раз. Эффект на скорость зависит от суммы показателей степеней в ЗДМ.

5. Площадь поверхности (для гетерогенных реакций)

Чем мельче частицы твёрдого реагента, тем больше площадь контакта с другим реагентом → скорость выше. Порошок растворяется быстрее куска. Именно поэтому мелкодисперсная угольная пыль взрывоопасна, а кусок угля горит медленно.

6. Катализатор

Катализатор — вещество, ускоряющее реакцию, но не расходующееся в ней. Катализатор снижает энергию активации, предлагая реакции альтернативный путь с более низким барьером.

• Катализатор не смещает положение равновесия (ускоряет одинаково и прямую, и обратную реакцию)
• Катализатор не может вызвать термодинамически невозможную реакцию
• Ингибитор — вещество, замедляющее реакцию (повышающее энергию активации)

Типы катализа:

• Гомогенный: катализатор в одной фазе с реагентами ($NO$ при окислении $SO_2$)
• Гетерогенный: катализатор в другой фазе ($Pt$, $Pd$, $Ni$, $V_2O_5$, $MnO_2$ — твёрдые катализаторы для газовых/жидких реакций)
• Ферментативный: биологические катализаторы — ферменты (белки)

Примеры

Пример 1. Правило Вант-Гоффа

Задача: Температурный коэффициент $\gamma = 2$. Во сколько раз увеличится скорость реакции при повышении температуры от 30 °C до 70 °C?

Решение:

$$\frac{v_2}{v_1} = \gamma^{\frac{T_2 - T_1}{10}} = 2^{\frac{70-30}{10}} = 2^4 = 16$$

Скорость возрастёт в 16 раз.

Пример 2. Влияние концентрации

Задача: Реакция $2NO + O_2 \rightarrow 2NO_2$. Как изменится скорость, если концентрацию $NO$ увеличить в 3 раза?

Решение: По ЗДМ: $v = k \cdot [NO]^2 \cdot [O_2]$. При увеличении $[NO]$ в 3 раза:

$$v' = k \cdot (3[NO])^2 \cdot [O_2] = 9 \cdot k \cdot [NO]^2 \cdot [O_2]$$

Скорость возрастёт в 9 раз.

Пример 3. Влияние давления

Задача: Реакция $N_2 + 3H_2 \rightleftharpoons 2NH_3$. Давление увеличили в 2 раза. Как изменится скорость прямой реакции?

Решение: При увеличении давления в 2 раза концентрации всех газов увеличиваются в 2 раза.

$$v = k \cdot [N_2] \cdot [H_2]^3 \quad \Rightarrow \quad v' = k \cdot (2[N_2]) \cdot (2[H_2])^3 = 16v$$

Скорость возрастёт в 16 раз.

Вопросы для самопроверки

1. Чем отличается определение скорости для гомогенных и гетерогенных реакций?
2. Почему порошок цинка растворяется в кислоте быстрее гранулы?
3. Температурный коэффициент равен 3. Во сколько раз нужно изменить скорость, если температуру понизили с 80 °C до 50 °C?
4. Почему катализатор не смещает положение равновесия, хотя ускоряет реакцию?
5. Реакция $A_2(\text{г}) + 3B_2(\text{г}) \rightarrow 2AB_3(\text{г})$. Давление увеличили в 3 раза. Во сколько раз изменилась скорость?

Краткий конспект

• $v = \dfrac{\Delta C}{\Delta t}$ (гомогенная), $v = \dfrac{\Delta n}{S \cdot \Delta t}$ (гетерогенная)
• ЗДМ: $v = k \cdot [A]^a \cdot [B]^b$ (твёрдые не включают)
• Факторы: природа веществ, концентрация, температура, давление, площадь поверхности, катализатор
• Вант-Гофф: $\dfrac{v_2}{v_1} = \gamma^{\frac{T_2 - T_1}{10}}$, обычно $\gamma = 2$–$4$
• Катализатор снижает энергию активации, не смещает равновесие
• Ингибитор замедляет реакцию

Что изучать дальше

Понимание скорости реакции — основа для урока 12 «Химическое равновесие», где вы узнаете, как скорости прямой и обратной реакций определяют положение равновесия и как его можно смещать.