№18. Скорость химической реакции: факторы, Вант-Гофф и расчёты
Задание №18 — о скорости реакции: какие внешние воздействия её увеличивают или уменьшают и во сколько раз изменится скорость после изменения концентрации и температуры. Нужно знать правило Вант-Гоффа, закон действующих масс и помнить, что концентрация твёрдого вещества в выражение скорости не входит. Ошибки здесь чаще всего арифметические или связаны с невнимательным чтением слов «увеличить» и «уменьшить».
Скорость химической реакции — это изменение концентрации вещества за единицу времени. Для реакции в растворе или в газовой фазе её считают так: v = Δc/Δt, где Δc — на сколько изменилась концентрация (моль/л), а Δt — за какое время это произошло (с). Значит, единица измерения скорости — моль/(л·с). Скорость можно измерять по любому веществу, но у каждого участника она своя, поэтому в расчётах всегда уточняй, по какому веществу считаешь.
v = Δc/Δt, единица измерения моль/(л·с)
Основной закон — закон действующих масс: скорость гомогенной реакции прямо пропорциональна произведению концентраций реагирующих веществ, взятых в степенях, равных их коэффициентам в уравнении. Для реакции aA + bB → продукты v = k·[A]^a·[B]^b, где k — константа скорости. Отсюда практический вывод: если концентрацию реагента с коэффициентом 1 увеличить в 2 раза, скорость вырастет в 2 раза, а если коэффициент равен 2 — в 4 раза. Концентрация твёрдых веществ в это выражение не входит: сколько порошка ни насыпь, скорость гетерогенной реакции от этого не изменится, важна только площадь поверхности соприкосновения.
v = k·[A]^a·[B]^b · для 2NO + O2 → 2NO2: v = k·[NO]^2·[O2]
Второй закон — правило Вант-Гоффа: при повышении температуры на каждые 10 °C скорость реакции увеличивается в γ раз, где γ — температурный коэффициент, обычно от 2 до 4. Отношение скоростей считают по формуле: v2/v1 = γ в степени Δt/10. Например, при γ = 2 и нагревании на 30 °C скорость вырастет в 2^3 = 8 раз, а при охлаждении на 20 °C уменьшится в 2^2 = 4 раза.
v2/v1 = γ^(Δt/10) · пример: γ = 2 и Δt = 30 °C, тогда v2/v1 = 2^3 = 8
| Фактор | Как влияет на скорость | Пояснение и пример |
|---|---|---|
| Концентрация реагирующих веществ | чем больше, тем быстрее: для растворов и газов | увеличение концентрации водорода в реакции C2H4 + H2 ускоряет процесс |
| Температура | повышение почти всегда ускоряет, понижение замедляет | правило Вант-Гоффа: каждые 10 °C дают множитель γ |
| Давление | повышение ускоряет реакции с газообразными реагентами, потому что растёт их концентрация | уменьшение объёма сосуда равносильно повышению давления |
| Катализатор | ускоряет и прямую, и обратную реакцию, сам не расходуется | на положение равновесия не влияет, только сокращает время его достижения |
| Площадь поверхности соприкосновения | чем больше, тем быстрее: для гетерогенных реакций | порошок реагирует быстрее куска, а концентрация твёрдого вещества в формулу не входит |
| Природа реагирующих веществ | чем активнее вещество, тем выше скорость | с соляной кислотой оксид цинка реагирует быстрее, чем с уксусной |
Третий момент — сравнение условий с эталоном. В задании дают исходные концентрации, например по 0,1 моль/л каждого реагента, или исходную температуру и спрашивают, в каких условиях скорость будет выше. Сравнивай условия по множителям: считаешь отношение концентрации к эталонной для каждого реагента, перемножаешь эти отношения, отдельно считаешь температурный множитель и снова перемножаешь. Если итоговый множитель больше единицы, скорость выше эталонной, если меньше — ниже. Большая концентрация одного реагента ещё ничего не решает, если второй сильно разбавлен.
| Что сделали с системой | Множитель скорости при γ = 2 | Итог |
|---|---|---|
| температуру повысили на 10 °C | 2^1 = 2 | скорость выросла в 2 раза |
| температуру повысили на 30 °C | 2^3 = 8 | скорость выросла в 8 раз |
| температуру понизили на 20 °C | 2^2 = 4 в сторону уменьшения | скорость уменьшилась в 4 раза |
| концентрацию увеличили в 2 раза и нагрели на 10 °C | 2 · 2 = 4 | скорость выросла в 4 раза |
| концентрацию уменьшили в 2 раза и нагрели на 20 °C | 0,5 · 4 = 2 | скорость выросла в 2 раза |
| концентрации двух реагентов увеличили в 2 раза | 2 · 2 = 4 | скорость выросла в 4 раза |
- Шаг 1. Проверь, что именно спрашивают: какие воздействия увеличивают скорость, какие уменьшают или во сколько раз изменится скорость.
- Шаг 2. Отбрось воздействия, которые на скорость не влияют: концентрация продуктов реакции и количество твёрдого реагента скорость не меняют.
- Шаг 3. Для газообразных реагентов помни, что повышение давления и уменьшение объёма сосуда увеличивают их концентрацию, то есть ускоряют реакцию.
- Шаг 4. Если нужно сравнить условия с эталоном, перемножь множители: отношения концентраций каждого реагента и температурный множитель.
- Шаг 5. Температурный множитель считай по правилу Вант-Гоффа: число шагов по 10 °C — это показатель степени, а γ — основание. Нагрев на 30 °C при γ = 2 даёт 2^3 = 8, а не 2·3 = 6.
- Шаг 6. Проверь ответ на здравый смысл: если раствор разбавили и охладили, скорость обязана упасть, а не вырасти.
Типичные ошибки. 1) Путают «уменьшить» и «увеличить»: в задании могут спрашивать про замедление, а выбирают факторы ускорения, поэтому глагол в вопросе читай дважды. 2) Считают, что концентрация продуктов реакции влияет на скорость прямой реакции: она не входит ни в закон действующих масс, ни в перечень факторов. 3) Вписывают в выражение скорости концентрацию твёрдого вещества: у гетерогенных реакций она постоянна и в формулу не входит, работает только площадь поверхности. 4) Считают температурный множитель по числу градусов, а не по числу десятков: нагрев на 30 °C при γ = 2 даёт 2^3 = 8. 5) Сравнивают условия по одной концентрации, не перемножая их: большая концентрация одного реагента при сильно разбавленном втором даёт маленькое произведение. 6) Считают, что катализатор увеличивает выход продукта: он ускоряет и прямую, и обратную реакцию и равновесие не смещает.
Проверь себя
- Почему концентрация твёрдого реагента не входит в выражение скорости гетерогенной реакции и что тогда на неё влияет?
- Во сколько раз изменится скорость при охлаждении на 20 °C, если температурный коэффициент равен 3?
- Как повлияет на скорость прямой реакции увеличение концентрации продукта?
- Почему катализатор не увеличивает выход продукта, хотя и ускоряет реакцию?
- Как связаны давление, объём сосуда и концентрация газообразного реагента?
Показательные решения
- Условие: из пяти воздействий выбрать те, которые уменьшают скорость реакции этилена с водородом: C2H4 (газ) + H2 (газ) → C2H6 (газ). Оба реагента газообразные, реакция идёт с катализатором.
- Воздействие 1 — понижение температуры. Охлаждение замедляет почти любую реакцию, значит это воздействие подходит.
- Воздействие 2 — увеличение концентрации этилена: концентрация входит в закон действующих масс, поэтому скорость вырастет. Не подходит.
- Воздействие 3 — использование катализатора: катализатор реакцию ускоряет, значит тоже не подходит.
- Воздействие 5 — повышение давления: оно увеличивает концентрации газов, то есть ускоряет реакцию. Не подходит.
- Воздействие 4 — уменьшение концентрации водорода: реагента стало меньше, скорость снижается. Подходит. Итого подходят воздействия 1 и 4, ответ 14.
Ответ: 14
Официальное решение из банка ФИПИ
Запишем уравнение: С₂H₄ (газ) + H₂ (газ) = С₂H₆ (газ). 1. Понижение температуры уменьшит скорость реакции, как и для большинства реакций. 2. Увеличение концентрации этилена увеличит скорость реакции. 3. Использование катализатора увеличит скорость реакции. 4. Уменьшение концентрации водорода уменьшит скорость реакции. 5. Повышение давления в системе увеличит скорость реакции. Ответ: 14.
- Условие: скорость разложения вещества A прямо пропорциональна его концентрации и увеличивается в 2 раза при нагревании на каждые 10 °C, то есть γ = 2. Нужно выбрать условия, при которых скорость в 4 раза выше, чем в 1 М растворе A при 20 °C.
- Эталон: концентрация 1 моль/л и температура 20 °C, его скорость принимаем за единицу и сравниваем с ней все условия.
- Условие 1: концентрация 1 моль/л, температура 40 °C. Концентрация не изменилась, а температура выше на 20 °C, то есть на два шага по 10 °C: множитель 2^2 = 4. Подходит.
- Условие 2: концентрация 2 моль/л, температура 20 °C. Температура та же, концентрация выросла в 2 раза: множитель 2. Не подходит.
- Условие 3: концентрация 2 моль/л, температура 30 °C. Концентрация даёт множитель 2, температура один шаг по 10 °C даёт ещё 2, итого 2 · 2 = 4. Подходит.
- Условие 4: концентрация 0,5 моль/л, температура 10 °C. Концентрация снижена вдвое, температура ниже на 10 °C: множитель 0,5 · 0,5 = 0,25, скорость в 4 раза меньше. Не подходит.
- Условие 5: концентрация 0,5 моль/л, температура 50 °C. Концентрация даёт 0,5, температура выше на 30 °C даёт 2^3 = 8, итого 0,5 · 8 = 4. Подходит. Ответ: 135.
Ответ: 135
Официальное решение из банка ФИПИ
Скорость разложения A будет в 4 раза выше, чем в 1 М растворе A при 20 °C, при увеличении температуры до 40 °C (1), при увеличении концентрации в 2 раза и повышении температуры до 30 °C (3), при уменьшении концентрации в 2 раза и повышении температуры до 50 °C (5). Ответ: 135.
- Условие: скорость щелочного гидролиза сложного эфира пропорциональна произведению концентраций эфира и щёлочи. Нужно выбрать условия, при которых скорость выше, чем при [эфир] = [OH^−] = 0,1 моль/л.
- Считаем эталонное произведение: 0,1 · 0,1 = 0,01. Дальше сравниваем с этим числом произведение для каждого набора.
- Набор 1: 0,01 · 0,2 = 0,002 — меньше 0,01, скорость ниже, не подходит. Набор 2: 0,1 · 0,2 = 0,02 — больше 0,01, подходит.
- Набор 3: 0,2 · 0,02 = 0,004 — меньше 0,01, не подходит, хотя концентрация эфира здесь в два раза больше эталонной.
- Набор 4: 0,2 · 0,2 = 0,04 — больше 0,01, подходит. Набор 5: 0,25 · 0,05 = 0,0125 — тоже больше 0,01, подходит.
- Ответ: 245 — подходят наборы 2, 4 и 5.
Ответ: 245
Официальное решение из банка ФИПИ
Скорость реакции гидролиза сложного эфира будет выше в тех случаях, когда [ эфир ] [ OH⁻ ] больше 0,1 · 0,1 = 0,01. Установим соответствие: 1) [ эфир ] [ OH⁻ ] = 0,01 · 0,2 = 0,002 меньше 0,01; 2) [ эфир ] [ OH⁻ ] = 0,1 · 0,2 = 0,02 больше 0,01; 3) [ эфир ] [ OH⁻ ] = 0,2 · 0,02 = 0,004 меньше 0,01; 4) [ эфир ] [ OH⁻ ] = 0,2 · 0,2 = 0,04 больше 0,01; 5) [ эфир ] [ OH⁻ ] = 0,25 · 0,05 = 0,0125 больше 0,01. Ответ: 245.