Скорость химической реакции

Закон действующих масс и факторы, влияющие на скорость: концентрация, температура (правило Вант-Гоффа), катализатор, площадь поверхности

Понятие скорости химической реакции

Скоростью химической реакции называют изменение концентрации одного из реагирующих или образующихся веществ за единицу времени. Для реакции, протекающей в постоянном объёме, среднюю скорость вычисляют по формуле:

$v = \pm \frac{Δ c}{Δ t}$

где Δc — изменение молярной концентрации вещества (моль/л), Δt — промежуток времени (с или мин). Знак «плюс» берут, если скорость рассчитывают по продукту реакции (его концентрация растёт), знак «минус» — если по исходному веществу (его концентрация убывает), чтобы скорость всегда была положительной величиной. Различают гомогенные реакции, идущие в одной фазе (например, между газами или в растворе), и гетерогенные, идущие на границе раздела фаз (например, между твёрдым веществом и раствором) — для гетерогенных реакций скорость относят к единице площади поверхности раздела фаз.

Закон действующих масс

Основной количественный закон химической кинетики — закон действующих масс: скорость элементарной химической реакции при постоянной температуре прямо пропорциональна произведению концентраций реагирующих веществ, взятых в степенях, равных их стехиометрическим коэффициентам (для элементарных, одностадийных реакций). Для реакции aA + bB → продукты закон действующих масс записывается так:

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

где [A] и [B] — молярные концентрации веществ A и B, k — константа скорости реакции, зависящая от природы веществ, температуры и наличия катализатора, но не зависящая от концентраций. Чем больше значение k, тем быстрее протекает реакция при прочих равных условиях. Важно помнить: в этот закон не входят концентрации твёрдых веществ, поскольку их «концентрация» на поверхности постоянна и не меняется в ходе реакции — например, для реакции горения угля C + O₂ → CO₂ скорость зависит только от концентрации кислорода.

Факторы, влияющие на скорость реакции: природа веществ

Скорость реакции в первую очередь определяется природой реагирующих веществ — характером химических связей, которые нужно разорвать, и энергией активации процесса. Так, реакции между ионами в растворе (например, реакции ионного обмена) протекают практически мгновенно, тогда как реакции с разрывом прочных ковалентных связей (например, взаимодействие азота с водородом) идут медленно даже при значительном нагревании.

Влияние концентрации реагентов

В соответствии с законом действующих масс увеличение концентрации любого из реагирующих веществ увеличивает скорость реакции, поскольку возрастает число столкновений между их частицами в единицу времени. Это же объясняет, почему реакции с участием газов ускоряются при повышении давления (давление и концентрация газа прямо связаны): сжатие газовой смеси увеличивает число частиц в единице объёма.

Влияние температуры. Правило Вант-Гоффа

Повышение температуры почти всегда резко увеличивает скорость реакции: возрастает доля молекул, обладающих энергией, достаточной для преодоления энергетического барьера реакции (энергии активации), и увеличивается частота эффективных столкновений. Приближённо влияние температуры на скорость реакции в интервале обычных лабораторных температур описывает эмпирическое правило Вант-Гоффа: при увеличении температуры на каждые 10 °C скорость большинства реакций возрастает в 2–4 раза.

$\frac{v_{2}}{v_{1}} = γ^{\frac{(T_{2} - T_{1})}{10}}$

где γ — температурный коэффициент реакции (обычно от 2 до 4), T₁ и T₂ — начальная и конечная температуры в градусах Цельсия. Это правило работает лишь приближённо и в ограниченном интервале температур, но хорошо иллюстрирует, насколько сильно температура влияет на скорость химических процессов.

Катализаторы и ингибиторы

Катализатор — вещество, ускоряющее химическую реакцию, но не расходующееся в ней (его количество и химический состав остаются неизменными после завершения реакции). Катализатор понижает энергию активации реакции, открывая для неё энергетически более выгодный путь (через образование промежуточных соединений), благодаря чему при той же температуре реагирует значительно большая доля частиц. Важно, что катализатор ускоряет как прямую, так и обратную реакцию в одинаковое число раз и потому не влияет на положение химического равновесия (это будет подробно разобрано в следующей теме). Реакции, ускоряемые биологическими катализаторами — ферментами, называют ферментативными. Вещества, замедляющие реакции, называют ингибиторами; их применяют, например, для защиты металлов от коррозии и в пищевой промышленности как консерванты.

Площадь поверхности соприкосновения реагентов

Для гетерогенных реакций (например, между твёрдым веществом и раствором или газом) скорость сильно зависит от площади поверхности соприкосновения фаз: чем более измельчено твёрдое вещество, тем больше площадь его контакта с другим реагентом и тем быстрее протекает реакция. Именно поэтому кусковой мел реагирует с соляной кислотой заметно медленнее, чем порошок мела той же массы, а угольная пыль в воздухе взрывоопасна, тогда как кусок угля горит спокойно.

Пример 1: применение закона действующих масс

Условие. Для реакции 2NO + O₂ → 2NO₂ во сколько раз увеличится скорость прямой реакции, если концентрацию NO увеличить в 3 раза, а концентрацию O₂ оставить неизменной?

Решение. По закону действующих масс скорость реакции v = k·[NO]²·[O₂] (степень при [NO] равна коэффициенту 2). Обозначим начальные концентрации [NO]=x, [O₂]=y, тогда v₁=k·x²·y. После увеличения [NO] в 3 раза: v₂=k·(3x)²·y=9k·x²·y.

$\frac{v_{2}}{v_{1}} = \frac{({9 k \cdot x}^{2} \cdot y)}{({k \cdot x}^{2} \cdot y)} = 9$

Ответ. Скорость реакции возрастёт в 9 раз.

Пример 2: применение правила Вант-Гоффа

Условие. Температурный коэффициент реакции γ=3. Во сколько раз изменится скорость реакции при повышении температуры от 10 °C до 50 °C?

Решение. Разность температур ΔT=50−10=40 °C, число «десятиградусных шагов» равно 40/10=4.

$\frac{v_{2}}{v_{1}} = γ^{\frac{(T_{2} - T_{1})}{10}} = 3^{\frac{40}{10}} = 3^{4} = 81$

Ответ. Скорость реакции возрастёт в 81 раз.

Типичные ошибки

Частая ошибка — включать концентрацию твёрдого (нерастворённого) вещества в выражение закона действующих масс: концентрации твёрдых веществ в кинетическое уравнение гетерогенной реакции не входят. Другая ошибка — путать показатель степени в законе действующих масс со стехиометрическим коэффициентом в сложных (многостадийных) реакциях: строго говоря, показатели степени в кинетическом уравнении совпадают с коэффициентами только для элементарных одностадийных реакций, но в школьном курсе это допущение обычно принимается по умолчанию. Также часто забывают, что катализатор не смещает химическое равновесие, а лишь ускоряет его достижение, одинаково ускоряя прямую и обратную реакции.

Краткий словарь терминов

Скорость химической реакции — изменение концентрации реагента или продукта реакции за единицу времени.

Закон действующих масс — скорость реакции пропорциональна произведению концентраций реагентов в степенях, равных их коэффициентам.

Константа скорости реакции (k) — коэффициент пропорциональности в законе действующих масс, зависящий от природы веществ, температуры и катализатора.

Энергия активации — минимальная избыточная энергия, которой должны обладать частицы для эффективного столкновения и протекания реакции.

Катализатор — вещество, ускоряющее реакцию за счёт снижения энергии активации и не расходующееся в ходе реакции.

Правило Вант-Гоффа — эмпирическое правило: при повышении температуры на 10 °C скорость реакции возрастает в 2–4 раза.

Заключение

Скорость химической реакции зависит от природы веществ, концентрации реагентов, температуры, наличия катализатора и площади поверхности соприкосновения фаз, а количественно на элементарном уровне описывается законом действующих масс. Понимание этих факторов необходимо не только для решения расчётных задач, но и для перехода к следующей важной теме — химическому равновесию и принципу Ле Шателье, где скорости прямой и обратной реакций уравновешивают друг друга.