Скорость химической реакции: что это и как её считать
Скорость реакции показывает, как быстро расходуются исходные вещества или накапливаются продукты. Её считают как изменение концентрации за время: v = Δc ÷ Δt. Единица измерения: моль/(л×с) или моль/(л×мин).
Пример. Концентрация NO₂ за 3 минуты упала с 0,50 до 0,20 моль/л. Изменение равно 0,30 моль/л, значит v = 0,30 ÷ 3 = 0,1 моль/(л×мин). Берут модуль изменения, поэтому скорость всегда положительная.
Такая формула подходит для гомогенных реакций, где все вещества в одной фазе: газы или раствор, например 2CO + O₂ = 2CO₂. Для гетерогенных реакций, например C + O₂ = CO₂, скорость относят к площади поверхности, на которой вещества соприкасаются. Подробнее о самих превращениях веществ читай в теме химические реакции.
От чего зависит скорость реакции
Скорость реакции меняют пять основных факторов:
- Концентрация. Чем больше частиц в единице объёма, тем чаще они сталкиваются. Для реакции A + 2B → … скорость v = k × [A] × [B]². Концентрации твёрдых веществ в такую формулу не входят.
- Давление. Касается только газов: рост давления увеличивает их концентрацию. Давление вдвое больше означает концентрацию вдвое больше.
- Температура. Правило Вант-Гоффа: v₂ = v₁ × γ^((t₂ − t₁) ÷ 10), где γ — температурный коэффициент, обычно от 2 до 4. При нагревании с 30 до 60 °C и γ = 4 скорость вырастет в 4³ = 64 раза.
- Площадь поверхности. Порошок реагирует быстрее, чем целый кусок: частицы доступнее. Это важно для твёрдых веществ.
- Катализатор и ингибитор. Катализатор ускоряет реакцию и сам не расходуется, ингибитор замедляет.
Поэтому продукты хранят в холодильнике: при низкой температуре процессы порчи идут медленнее.
Химическое равновесие и константа равновесия
Многие реакции обратимы, их записывают знаком ⇄. Сначала идёт в основном прямая реакция, потом растёт скорость обратной. Когда скорости сравниваются, наступает химическое равновесие. Реакция при этом не остановилась, просто концентрации веществ перестали меняться.
Для реакции aA + bB ⇄ cC + dD константа равновесия равна:
K = [C]^c × [D]^d ÷ ([A]^a × [B]^b)
В скобках равновесные концентрации, показатели степени равны коэффициентам. Твёрдые вещества и чистые жидкости в выражение не записывают. Для 2SO₂ + O₂ ⇄ 2SO₃ получится K = [SO₃]² ÷ ([SO₂]² × [O₂]).
К зависит только от температуры. Чем она больше, тем сильнее равновесие сдвинуто к продуктам. Константа равновесия и скорость реакции отвечают на разные вопросы: K говорит, какой состав будет в равновесии, а скорость говорит, как быстро к нему придут. Концентрации выражают в моль/л, а как их находить, смотри в темах количество вещества и растворы.
Смещение равновесия по принципу Ле Шателье
Если на систему в равновесии воздействовать, она сместится в сторону, которая это воздействие ослабляет. Для скорости реакции и смещения равновесия достаточно четырёх правил:
- Концентрация исходного вещества растёт: равновесие идёт вправо. Растёт концентрация продукта: влево.
- Давление растёт: равновесие идёт в сторону меньшего числа молей газа.
- Температура растёт: равновесие идёт в сторону эндотермической реакции (с −Q). Температура падает: в сторону экзотермической (с +Q).
- Катализатор равновесие не смещает.
Разбор. N₂(г) + 3H₂(г) ⇄ 2NH₃(г) + Q. Что смещает равновесие вправо: а) повышение температуры; б) повышение давления; в) добавление N₂; г) катализатор?
- Считаем газы. Слева 1 + 3 = 4 моль, справа 2 моль.
- Смотрим на знак: +Q, прямая реакция экзотермическая.
- а) Нагревание смещает равновесие в сторону поглощения тепла, то есть влево. Не подходит.
- б) Давление смещает к меньшему числу молей газа, то есть вправо. Подходит.
- в) Больше исходного вещества: вправо. Подходит.
- г) Катализатор ускоряет прямую и обратную реакции одинаково, равновесие не смещается.
Ответ: б и в.
Где ошибаются чаще всего
- Катализатор «смещает» равновесие. Нет. Он лишь помогает быстрее его достичь, соотношение веществ в равновесии не меняется.
- Нагрев ускоряет только эндотермические реакции. Это неверно. Температура ускоряет и прямую, и обратную реакцию. От знака Q зависит лишь то, в какую сторону сместится равновесие.
- В давлении считают все вещества. Считай только газы. В C + CO₂ ⇄ 2CO слева 1 моль газа, справа 2, поэтому рост давления сместит равновесие влево. Если газов поровну с обеих сторон или их нет, давление равновесие не смещает.
- Путают скорость и смещение. В реакции C + O₂ = CO₂ давление вдвое выше увеличит скорость вдвое: концентрация O₂ выросла в 2 раза, а твёрдый углерод не меняется.
Какие задания присылают ученики
По теме чаще всего приходят расчёт скорости по изменению концентрации, задачи на правило Вант-Гоффа, определение смещения равновесия по принципу Ле Шателье и расчёт константы равновесия. Ещё встречаются тесты с верными утверждениями и вопросы из жизни: почему продукты хранят в холоде, как работают катализаторы.
В списке выше найди задание, похожее на твоё, и посмотри ход решения. Если подходящего нет, сфотографируй своё условие и получишь решение с пошаговым объяснением.