1.4.3. Скорость реакции, ее зависимость от различных факторов.

Некоторые химические реакции происходят практически мгновенно (взрыв кислородно-водородной смеси, реакции ионного обмена в водном растворе), вторые — быстро (горение веществ, взаимодействие цинка с кислотой), третьи — медленно (ржавление железа, гниение органических остатков). Известны настолько медленные реакции, что человек их просто не может заметить. Так, например, преобразование гранита в песок и глину происходит в течение тысяч лет.

Другими словами, химические реакции могут протекать с разной скоростью.

Но что же такое скорость реакции? Каково точное определение данной величины и, главное, ее математическое выражение?

Скоростью реакции называют изменение количества вещества за одну единицу времени в одной единице объема. Математически это выражение записывается как:

v ravno del'ta n razdelit' na del'ta t i razdelit' na V 2

Где n1 и n2 – количество вещества (моль) в момент  времени t1 и t2 соответственно в системе объемом V.

То, какой знак плюс или минус (±) будет стоять перед выражением скорости, зависит от того, на изменение количества какого вещества мы смотрим – продукта или реагента.

Очевидно, что в ходе реакции происходит расход реагентов, то есть их количество уменьшается, следовательно, для реагентов выражение (n2 — n1) всегда имеет значение меньше нуля. Поскольку скорость не может быть отрицательной величиной, в этом случае перед выражением нужно поставить знак «минус».

Если же мы смотрим на изменение количества продукта, а не реагента, то перед выражением для расчета скорости знак «минус» не требуется, поскольку выражение (n2 — n1) в этом случае всегда положительно, т.к. количество продукта в результате реакции может только увеличиваться.

Отношение количества вещества n к объему, в котором это количество вещества находится, называют молярной концентрацией С:

C ravno n razdelit' na V 2

Таким образом, используя понятие молярной концентрации и его математическое выражение, можно записать другой вариант определения скорости реакции:

v ravno del'ta c razdelit' na del'ta t 2

Скоростью реакции называют изменение молярной концентрации вещества в результате протекания химической реакции за одну единицу времени:

Факторы, влияющие на скорость реакции

Нередко бывает крайне важно знать, от чего зависит скорость той или иной реакции и как на нее повлиять. Например, нефтеперерабатывающая промышленность в буквальном смысле бьется за каждые дополнительные полпроцента продукта в единицу времени. Ведь учитывая огромное количество перерабатываемой нефти, даже полпроцента вытекает в крупную финансовую годовую прибыль. В некоторых же случаях крайне важно какую-либо реакцию замедлить, в частности коррозию металлов.

Так от чего же зависит скорость реакции? Зависит она, как ни странно, от множества различных параметров.

Для того чтобы разобраться в этом вопросе прежде всего давайте представим, что происходит в результате химической реакции, например:

A + B → C + D

Написанное выше уравнение отражает процесс, в котором молекулы веществ А и В, сталкиваясь друг с другом, образуют молекулы веществ С и D.

То есть, несомненно, для того чтобы реакция прошла, как минимум, необходимо столкновение молекул исходных веществ. Очевидно, если мы повысим количество молекул в единице объема, число столкновений увеличится аналогично тому, как возрастет частота ваших столкновений с пассажирами в переполненном автобусе по сравнению с полупустым.

Другими словами, скорость реакции возрастает при увеличении концентрации реагирующих веществ.

В случае, когда один из реагентов или сразу несколько являются газами, скорость реакции увеличивается при повышении давления, поскольку давление газа всегда прямо пропорционально концентрации составляющих его молекул.

Тем не менее, столкновение частиц является, необходимым, но вовсе недостаточным условием протекания реакции. Дело в том, что согласно расчетам, число столкновений молекул реагирующих веществ при их разумной концентрации настолько велико, что все реакции должны протекать в одно мгновение. Тем не  менее, на практике этого не происходит. В чем же дело?

Дело в том, что не всякое соударение молекул реагентов обязательно будет эффективным. Многие соударения являются упругими – молекулы отскакивают друг от друга словно мячи. Для того чтобы реакция прошла, молекулы должны обладать достаточной кинетической энергией. Минимальная энергия, которой должны обладать молекулы реагирующих веществ для того, чтобы реакция прошла, называется энергией активации и обозначается как Еа. В системе, состоящей из большого количества молекул, существует распределение молекул по энергии, часть из них имеет низкую энергию, часть высокую и среднюю. Из всех этих молекул только у небольшой части молекул энергия превышает энергию активации.

Как известно из курса физики, температура фактически есть мера кинетической энергии частиц, из которых состоит вещество. То есть, чем быстрее движутся частицы, составляющие вещество, тем выше его температура. Таким образом, очевидно, повышая температуру мы по сути увеличиваем кинетическую энергию молекул, в результате чего возрастает доля молекул с энергией, превышающей Еа и их столкновение приведет к химической реакции.

Факт положительного влияния температуры на скорость протекания реакции еще в 19м веке эмпирически установил голландский химик Вант Гофф. На основании проведенных им исследований он сформулировал правило, которое до сих пор носит его имя, и звучит оно следующим образом:

Скорость любой химической реакции увеличивается в 2-4 раза при повышении температуры на 10 градусов.

Математическое отображение данного правила записывается как:

правило Вант Гоффа температурный коэффициент

где V2 и V1 – скорость при температуре t2 и t1 соответственно, а γ – температурный коэффициент реакции, значение которого чаще всего лежит в диапазоне от 2 до 4.

Часто скорость многих реакций удается повысить, используя катализаторы.

Катализаторы – вещества, ускоряющие протекание какой-либо реакции и при этом не расходующиеся.

Но каким же образом катализаторам удается повысить скорость реакции?

Вспомним про энергию активации Ea . Молекулы с энергией меньшей, чем энергия активации в отсутствие катализатора друг с другом взаимодействовать не могут. Катализаторы, изменяют путь, по которому протекает реакция подобно тому, как опытный проводник проложит маршрут экспедиции не напрямую через гору, а с помощью обходных троп, в результате чего даже те спутники, которые не имели достаточно энергии для восхождения на гору, смогут перебраться на другую ее сторону.

Не смотря на то что катализатор при проведении реакции не расходуется, тем не менее он принимает в ней активное участие, образуя промежуточные соединения с реагентами, но к концу реакции возвращается к своему изначальному состоянию.

Кроме указанных выше факторов, влияющих на скорость реакции, если между реагирующими веществами есть граница раздела (гетерогенная реакция), скорость реакции будет зависеть также и от площади соприкосновения реагентов. Например, представьте себе гранулу металлического алюминия, которую бросили в пробирку с водным раствором соляной кислоты. Алюминий – активный металл, который способен реагировать с кислотами неокислителями. С соляной кислотой уравнение реакции выглядит следующим образом:

2Al + 6HCl → 2AlCl3 + 3H2

Алюминий представляет собой твердое вещество, и это значит, что реакция с соляной кислотой идет только на его поверхности. Очевидно, что если мы увеличим площадь поверхности, предварительно раскатав гранулу алюминия в фольгу, мы тем самым предоставим большее количество доступных для реакции с кислотой атомов алюминия. В результате этого скорость реакции увеличится. Аналогичным образом увеличения поверхности твердого вещества можно добиться измельчением его в порошок.

Также на скорость гетерогенной реакции, в которой реагирует твердое вещество с газообразным или жидким, часто положительно влияет перемешивание, что связано с тем, что в результате перемешивания достигается удаление из зоны реакции скапливающихся молекул продуктов реакции и «подносится» новая порция молекул реагента.

Последним следует отметить также огромное влияние на скорость протекания реакции и природы реагентов. Например, чем ниже в таблице Менделеева находится щелочной металл, тем быстрее он реагирует с водой, фтор среди всех галогенов наиболее быстро реагирует с газообразным водородом и т.д.

Резюмируя все вышесказанное, скорость реакции зависит от следующих факторов:

1) концентрация реагентов: чем выше, тем больше скорость реакции.

2) температура: с ростом температуры скорость любой реакции увеличивается.

3) площадь соприкосновения реагирующих веществ: чем больше площадь контакта реагентов, тем выше скорость реакции.

4) перемешивание, если реакция происходит между твердым веществом и жидкостью или газом перемешивание может ее ускорить.

Комментариев 20
  1. Рустам

    Здравствуйте. Подскажите, пожалуйста, влияет ли на скорость химической реакции создание инертной атмосферы (например при помощи добавления азота)?

  2. Rustam

    Здравствуйте. Подскажите, пожалуйста, влияет ли создание инертной атмосферы (например, при помощи добавления азота) на скорость химической реакции?

  3. Полина

    Здравствуйте!
    Скажите, пожалуйста, можно ли отнести ультрафиолетовое излучение к факторам, влияющим на скорость фотохимической реакции (например, галогенирование алканов)?

    • Соавтор проекта Борисов И.С.

      Добрый день! Да, можно. Я бы сказал, скорее, мощность этого излучения и длина волны влияют.

  4. Inna

    Здравствуйте! Поможет ли перемешивание в системе жидкость-газ увеличить скорость реакции (попалось такое в одном из вариантов)?

    • Соавтор проекта Борисов И.С.

      Добрый день! Фактор изменения поверхности соприкосновения реагентов, конечно влияет на скорость процесса, однако там все зависит от многих параметров системы. Сомневаюсь, что вопрос можно будет увидеть на экзамене.

  5. Тима

    В последнем предложении в слове между нет буквы ж

    • Соавтор проекта Борисов И.С.

      Добрый день! Попрошу уточнить, где нашлась опечатка. Можно предложение полностью.

  6. Светлана

    Добрый день! Большое спасибо за отличный материал!
    Можете, пожалуйста, уточнить:
    Почему при разбавлении раствора сахарозы скорость реакции ее гидролиза не увеличивается? Ведь разбавление = добавить воду (а она реагент)

    (Попался этот вопрос на решуЕГЭ.)

    В других заданиях, например, при добавлении воды в реакцию гидролиза метилацетата — скорость растёт(добавили реагент)

    • Соавтор проекта Борисов И.С.

      Добрый день! Думаю, имела место опечатка или неточность. При разбавлении скорость процесса увеличится.

      • Светлана

        Спасибо огромное!

        • Соавтор проекта Борисов И.С.

          На связи с вами!

  7. мария

    подскажите почему при добавлении твердого вещества в систему тв+ж не увеличится скорость реакции? в задании речь шла о добавлении гранул железа к реакции железа с обычной кислотой

    • Соавтор проекта Борисов И.С.

      Добрый день! Интересно не количество добавленного твердого вещества, а его площадь (удельная поверхность). По этой причине влияет измельчение твердого реагента, а не добавление такого же куска, порошка, гранулы.

  8. Маша

    Здравствуйте! Увеличится ли скорость взаимодействия Zn с CuSO4 при увеличении концентрации сульфат-ионов?(в сокращённом ионном уравнении сульфат-ионы не участвуют, значит скорость не изменится?)

    • Соавтор проекта Борисов И.С.

      Добрый день! Нет, не увеличится. Рассуждения верны.

  9. Инна

    Здравствуйте! Если в растворе присутствуют H2SO4 и ZnSO4, и туда прилили раствор Na2CO3, какая реакция идёт в первую очередь: кислоты с карбонатом, или сульфата с карбонатом, если количествo Na2CO3 небольшое, и на две реакции его не хватит? Заранее спасибо за ответ.

    • Соавтор проекта Борисов И.С.

      Добрый день! Сначала реагирует кислота.

  10. Маша

    Здравствуйте! Скажите, пожалуйста, скорость взаимодействия каких веществ выше: натрия с этанолом или лития с этанолом?
    И ещё вопрос:
    В каком случае будет применим ряд активности металлов? Когда литий активнее натрия?

    • Соавтор проекта Борисов И.С.

      Добрый день! Смотрим на положение щелочных и щелочноземельных металлов в своей подгруппе: вниз активность возрастает там. Натрий со спиртом реагирует быстрее. Ряд активности нормально и адекватно работает нормально, кроме крайней левой части.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован.