Что нужно знать до
Если что-то из этого забылось, начни оттуда — так будет понятнее.
Коротко о главном
Скорость химической реакции показывает, на сколько изменяется концентрация реагента или продукта за единицу времени. Она зависит от природы веществ, температуры, концентрации, площади соприкосновения и наличия катализатора.
Подробное объяснение
Спичка вспыхивает за долю секунды, а гвоздь во влажном воздухе ржавеет неделями. Обе реакции — окисление, но идут они с очень разной скоростью. Химику важно уметь эту скорость измерять и менять: ускорять полезные процессы и тормозить вредные, например порчу продуктов.
Как измерить скорость
Во время реакции реагенты расходуются, а продукты накапливаются. Удобнее всего следить за молярной концентрацией — количеством вещества в 1 л: \(c = \dfrac{n}{V}\), единица — моль/л.
Скорость реакции — изменение концентрации вещества за единицу времени:
Здесь \(\Delta c\) — на сколько изменилась концентрация (моль/л), \(\Delta t\) — за какое время (с или мин). Значит, скорость измеряют в моль/(л·с) или моль/(л·мин). Концентрация реагента падает, продукта — растёт; скорость всегда берут положительной, поэтому из большей концентрации вычитают меньшую.
От чего зависит скорость
- Природа веществ. Магний вытесняет водород из кислоты бурно, железо — медленно: магний активнее. Сильная соляная кислота реагирует с цинком быстрее, чем слабая уксусная той же концентрации.
- Температура. При нагревании частицы движутся быстрее, сталкиваются чаще и сильнее — реакция ускоряется. Поэтому продукты хранят в холодильнике.
- Концентрация. Чем больше частиц в единице объёма, тем чаще они встречаются. Для газов то же даёт повышение давления: газ сжимается, концентрация растёт.
- Площадь соприкосновения. Реакцию веществ в разных агрегатных состояниях (твёрдое и жидкость, твёрдое и газ) называют гетерогенной. Она идёт только на границе веществ, поэтому измельчённый мел растворяется в кислоте быстрее куска.
- Катализатор. Это вещество, которое в малом количестве сильно изменяет скорость реакции, а само в состав продуктов не входит и после реакции остаётся. Явление ускорения реакции катализатором называют катализом. Пример — разложение пероксида водорода: само по себе оно идёт еле-еле, а с щепоткой чёрного оксида марганца(IV) раствор вскипает пузырьками кислорода:
Катализатор может направить реакцию по другому пути, и тогда продукты будут другими. В обратимой реакции он одинаково ускоряет прямой и обратный процессы. Биологические катализаторы — ферменты — работают в живых клетках, их используют в пищевой промышленности и медицине. Большинство химических производств и автомобильные нейтрализаторы выхлопа тоже основаны на катализе.
Как решать задачи
- Выпишите начальную и конечную концентрации вещества и время.
- Если дано количество вещества, переведите его в концентрацию: \(c = n / V\).
- Найдите \(\Delta c\) — разность большей и меньшей концентрации.
- Разделите \(\Delta c\) на \(\Delta t\); проверьте единицы времени (секунды или минуты).
- Если скорость нужна по другому веществу, пересчитайте её через коэффициенты уравнения.
Разобранные примеры
Скорость по убыли реагента
Концентрация кислоты в растворе за 40 с снизилась с 2,0 моль/л до 1,2 моль/л. Найдите скорость реакции.
- \(c_1 = 2{,}0\) моль/л
- \(c_2 = 1{,}2\) моль/л
- \(\Delta t = 40\) с
- \(v\)
\(\Delta c = 2{,}0 - 1{,}2 = 0{,}8\) моль/л.
\(v = \dfrac{0{,}8}{40} = 0{,}02\) моль/(л·с).
Концентрация через заданное время
Продукт образуется со средней скоростью 0,015 моль/(л·с). В начале его не было. Какой станет концентрация продукта через 2 мин?
- \(v = 0{,}015\) моль/(л·с)
- \(c_1 = 0\)
- \(\Delta t = 2\) мин \(= 120\) с
- \(c_2\)
Скорость дана в секундах, поэтому время переводим в секунды.
\(\Delta c = v \cdot \Delta t = 0{,}015 \cdot 120 = 1{,}8\) моль/л, значит \(c_2 = 1{,}8\) моль/л.
Количество вещества вместо концентрации
В реакторе объёмом 4 л за 5 мин израсходовалось 1,6 моль водорода. Найдите скорость реакции по водороду.
- \(V = 4\) л
- \(\Delta n = 1{,}6\) моль
- \(\Delta t = 5\) мин
- \(v\)
Сначала переводим количество вещества в изменение концентрации: \(\Delta c = \dfrac{\Delta n}{V} = \dfrac{1{,}6}{4} = 0{,}4\) моль/л.
\(v = \dfrac{0{,}4}{5} = 0{,}08\) моль/(л·мин).
Типичные ошибки
Скорость определяется через концентрацию. 1 моль газа в 1 л и в 10 л — совсем разные условия: во втором случае частицы встречаются в 10 раз реже.
Если в условии даны моли, сначала найдите \(\Delta c = \Delta n / V\), и только потом делите на время.
Катализатор участвует в промежуточных стадиях, но в конце реакции восстанавливается. Оксид марганца(IV) после разложения пероксида водорода остаётся на дне тем же чёрным порошком.
Катализатор пишут над стрелкой, а не среди реагентов или продуктов: \(\mathrm{2H_2O_2 \xrightarrow{MnO_2} 2H_2O + O_2}\).
Скорость 0,3 моль/(л·мин) и 0,3 моль/(л·с) отличаются в 60 раз. Если время дано в минутах, а ответ записан «в секунду», ответ неверен.
Пишите единицы при каждом числе и указывайте в ответе ту единицу времени, в которой считали.
Проверь себя
Ответь на вопросы — после каждого ответа появится пояснение.
-
В каких единицах обычно выражают скорость химической реакции?
Показать ответ
Ответ: Б) Моль/(л·с)
Скорость — изменение молярной концентрации (моль/л) за единицу времени (с), отсюда моль/(л·с).
-
Какие изменения ускорят реакцию цинка с соляной кислотой?
Правильных ответов несколько.
Показать ответ
Ответ: А) Нагреть кислоту; В) Взять цинковый порошок вместо гранулы; Г) Взять более концентрированную кислоту
Скорость растёт с температурой, концентрацией кислоты и площадью поверхности цинка; разбавление и охлаждение её снижают.
-
Концентрация вещества за 5 с уменьшилась с 0,9 моль/л до 0,4 моль/л. Найдите скорость реакции в моль/(л·с).
Показать ответ
Ответ: 0,1
\(v = \dfrac{0{,}9 - 0{,}4}{5} = 0{,}1\) моль/(л·с).
-
Какое утверждение о катализаторе верно?
Показать ответ
Ответ: В) Он изменяет скорость реакции, а сам после неё остаётся неизменным
Катализатор берут в малом количестве, он ускоряет реакцию и не входит в состав продуктов.
-
Какие реакции гетерогенные, то есть идут на границе раздела фаз?
Правильных ответов несколько.
Показать ответ
Ответ: А) Мел с соляной кислотой; В) Горение угля; Г) Железо с раствором серной кислоты
В гетерогенных реакциях вещества в разных агрегатных состояниях (твёрдое и жидкость, твёрдое и газ); нейтрализация двух растворов — гомогенная.
Результат:
Задачи для тренировки
От простых к сложным. Подсказку, решение и ответ открывай, только когда попробовал сам.
Концентрация реагента за 20 с уменьшилась с 1,2 моль/л до 0,4 моль/л. Найдите скорость реакции.
Подсказка
Найдите, на сколько изменилась концентрация, и разделите на время.
Решение
\(\Delta c = 1{,}2 - 0{,}4 = 0{,}8\) моль/л.
\(v = \dfrac{\Delta c}{\Delta t} = \dfrac{0{,}8}{20} = 0{,}04\) моль/(л·с).
Ответ
В начале опыта продукта в сосуде не было, а через 30 с его концентрация стала 0,6 моль/л. С какой скоростью шла реакция?
Подсказка
Скорость можно считать и по продукту — по тому, как растёт его концентрация.
Решение
\(\Delta c = 0{,}6 - 0 = 0{,}6\) моль/л.
\(v = \dfrac{0{,}6}{30} = 0{,}02\) моль/(л·с).
Ответ
Реакция идёт со средней скоростью 0,05 моль/(л·с). Начальная концентрация реагента 1,5 моль/л. Какой она станет через 20 с?
Подсказка
Сначала найдите, на сколько уменьшится концентрация за 20 с.
Решение
Изменение концентрации: \(\Delta c = v \cdot \Delta t = 0{,}05 \cdot 20 = 1\) моль/л.
Концентрация через 20 с: \(c_2 = 1{,}5 - 1 = 0{,}5\) моль/л.
Ответ
Почему сухие опилки в костре сгорают почти мгновенно, а полено того же дерева горит часами?
Решение
Горение древесины — гетерогенная реакция: твёрдое вещество реагирует с кислородом воздуха только на своей поверхности. У опилок той же массы площадь поверхности в сотни раз больше, чем у полена, поэтому одновременно реагирует гораздо больше частиц и скорость горения резко возрастает.
Ответ
Реакция идёт по уравнению A + 2B → C. Концентрация вещества B за 3 мин уменьшилась с 0,8 моль/л до 0,2 моль/л. Найдите скорость реакции по веществу B и скорость образования вещества C.
Подсказка
По уравнению на каждые 2 моль B образуется 1 моль C.
Решение
По веществу B: \(\Delta c(\mathrm{B}) = 0{,}8 - 0{,}2 = 0{,}6\) моль/л, \(v(\mathrm{B}) = \dfrac{0{,}6}{3} = 0{,}2\) моль/(л·мин).
По уравнению из 2 моль B получается 1 моль C, значит концентрация C выросла вдвое меньше: \(\Delta c(\mathrm{C}) = 0{,}3\) моль/л.
\(v(\mathrm{C}) = \dfrac{0{,}3}{3} = 0{,}1\) моль/(л·мин).
Ответ
В сосуде объёмом 2 л за 10 с израсходовалось 0,6 моль газа, а в сосуде объёмом 5 л за те же 10 с — 1,0 моль того же газа. В каком сосуде реакция идёт быстрее?
Подсказка
Скорость считают по изменению концентрации, а не количества вещества. Переведите моли в моль/л.
Решение
Сосуд 1: \(\Delta c = \dfrac{0{,}6}{2} = 0{,}3\) моль/л, \(v_1 = \dfrac{0{,}3}{10} = 0{,}03\) моль/(л·с).
Сосуд 2: \(\Delta c = \dfrac{1{,}0}{5} = 0{,}2\) моль/л, \(v_2 = \dfrac{0{,}2}{10} = 0{,}02\) моль/(л·с).
Хотя во втором сосуде прореагировало больше газа, скорость больше в первом: \(0{,}03 > 0{,}02\).
Ответ
Для родителя
Как объяснить за 5 минут. Растворите шипучую таблетку (или ложку соды в уксусе) в холодной и в горячей воде — в горячей шипит заметно быстрее. Потом сравните целую таблетку и раскрошенную: порошок «отшипит» раньше. Это два фактора — температура и площадь соприкосновения. Если в аптечке есть перекись водорода, капните её на срез сырой картошки: бурное вспенивание — работа фермента-катализатора. Вопросы для проверки понимания: 1) Почему молоко в холодильнике скисает медленнее, чем на столе? 2) Что такое катализатор и расходуется ли он? 3) Концентрация вещества за 10 с упала с 0,5 до 0,3 моль/л — какова скорость? (0,02 моль/(л·с)) На что обратить внимание. Ребёнок должен считать скорость через концентрацию, а не через массу или моли, и не путать секунды с минутами.