Скорость химической реакции

Для рассмотрения этой темы, познакомимся с некоторыми определениями:

Химическая кинетика — раздел химии, изучающий скорости и механизмы химических реакций.

Система в химии — рассматриваемое вещество или совокупность веществ.

Фаза — часть системы, которая отделена от других частей поверхностью раздела.

Гомогенная (однородная) система — состоит только из одной фазы.

Гетерогенная (неоднородная) система — состоит из двух или нескольких фаз.

В зависимости от того, в какой системе у нас протекает реакция, их делят на два типа:

Гомогенная реакция — протекает в гомогенной системе (реакция протекает во всем объеме V). Вещества в такой системе распределены равномерно во всем объеме, молекулы этих веществ будут встречаться с друг другом во всем объеме и между ними будет происходить взаимодействие.

Гетерогенная реакция — протекает в гетерогенной системе (реакция протекает только на поверхности раздела S). Так как реакция протекает только на границе раздела двух фаз, то в основном объеме первой и второй фазы реакция протекать не будет. Такие реакции идут между веществами, находящимися в разных агрегатных состояниях (например, между твердым веществом и жидкостью или газом), или между веществами, которые не способны образовывать гомогенную среду (несмешивающиеся жидкости)

Для лучшего понимания скорости реакций и влияния на нее различных факторов, рассмотрим что вообще такое скорости гомогенных и гетерогенных реакций по определению:

Скорость гомогенной реакции

По определению — это количество вещества (n), вступающего в реакцию или образующегося в результате реакций за единицу времени (t) в единице объема (V).

Зная формулу молярной концентрации:

Получаем:

Скорость гетерогенной реакции

В данной формуле вместо объема, мы учитываем площадь поверхности и получаем, что скорость равна изменению количества вещества на площадь поверхности раздела (S) за единицу времени (t)

где S — площадь поверхности соприкосновения веществ

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 них выражение (n₂-n₁) всегда имеет значение меньше нуля. Поскольку скорость не может быть отрицательной величиной, в этом случае перед выражение скорости мы ставим знак минус.

Если же мы смотрим на изменение количества продукта, то его количество в ходе реакции всегда увеличивается и перед выражением знак минус ставить не нужно, так как значение n в этом случае всегда положительно

Также стоит отметить, что скорость реакции не является постоянной величиной. Мы указываем лишь некоторую среднюю скорость данной реакции в определенном промежутке времени.

Факторы, влияющие на скорость реакции

1. Концентрации реагирующих веществ

При увеличении концентрации реагирующих веществ скорость реакции увеличивается и, соответственно, при уменьшении концентрации скорость реакции уменьшается.

Заметим, что в отличие от химического равновесия, концентрация продуктов на скорость реакции НЕ влияет. (Про химическое равновесие можно почитать тут: Химическое равновесие. Факторы, влияющие на смещение химического равновесия.)

Почему так происходит? При увеличении концентрации реагентов, количество молекул реагента в единице объема возрастает, а чем больше молекул, чем чаще они встречаются в пространстве, тем больше они соударяются и взаимодействуют между собой. Следовательно, реакция будет протекать быстрее. 

У данной зависимости есть количественное выражение в виде закона действующих масс (ЗДМ):

Скорость химической реакции пропорциональна произведению концентраций реагирующих веществ. 

Рассмотрим уравнение реакции в общем виде:

для этого уравнение записываем выражение скорости реакции:

где k — константа скорости 

Концентрации твердых веществ в данном выражении не учитываются! При добавлении твердого вещества концентрация реагирующих веществ не увеличится, а значит и скорость реакции останется неизменной

2. Температура 

При увеличении температуры скорость большинства реакций повышается и, соответственно, наоборот — при уменьшении температуры скорость реакции уменьшается.

Это можно объяснить с помощью теории активации молекул. То есть чтобы молекулы провзаимодействовали друг с другом, чтобы реакция шла быстрее, молекулы необходимо активировать. Для их активации нужно прилагать больше энергии. Повышение температуры в данном случае и  является дополнительной энергией для активации молекул и они начинают больше друг с другом взаимодействовать.

Такая закономерность описывается правилом Вант-Гоффа:

При повышении температуры на 10℃ скорость большинства реакций увеличивается в 2-4 раза.

Математическая запись правила Вант-Гоффа:

где — температурный коэффициент, показывающий во сколько раз изменяется скорость реакции

3. Катализатор и ингибитор

Катализатор — это вещество, которое ускоряет химическую реакцию, но сам в состав продуктов не входит и в процессе реакции не расходуется. 

Ингибитор — это вещество, которое замедляет химическую реакцию. 

У катализатора есть своя реакция, которую он вызывает:

Каталитическая реакция – это реакция которая протекает быстрее обычной за счет использования катализатора.

Если реакция некаталитическая, то добавление катализатора не будет влиять на скорость реакции!

Список основных каталических неорганических реакций, которые вы вероятнее всего встретите на экзамене:

4. Давление

Этот фактор влияет только на газы!

Так как газы – это единственные по агрегатному состоянию вещества, которые способны распределяться по всему объему реакционного сосуда, то изменение давления будет влиять только на них. 

При повышении давления для газовых систем скорость реакции возрастает, при понижении давления скорость реакции уменьшается.

Как это объяснить? Давление неразрывно связано с объемом — это две противоположные величины:

увеличение давления = уменьшение объема

уменьшение давления = увеличение объема

Такая зависимость называется законом Бойля-Мариотта.

Она экспериментально проверяется с помощью такой установки:

Объем шприца увеличивают с помощью насоса, а манометр измеряет давление. Эксперимент показывает, что при увеличении объема давление действительно уменьшается. 

Таким образом, при увеличении давления мы уменьшим объем, а значит уменьшим пространство для движения молекул. Частицы начнут чаще сталкиваться друг с другом, чаще взаимодействовать, следовательно, скорость реакции увеличится. При уменьшении давления все происходит с точностью наоборот. 

5. Площадь соприкосновения веществ 

Данный фактор влияет на скорость, если в реагентах есть хотя бы одно твердое вещество!

Площадь соприкосновения = степени измельченности твердого вещества

При увеличении площади соприкосновения веществ скорость реакции увеличивается, при уменьшении площади — уменьшается.

Цинк в виде порошка гораздо быстрее растворяется в кислоте, чем гранулированный цинк такой же массы. 

6. Природа реагирующих веществ 

На скорость химических реакций при прочих равных условиях также оказывают влияние химические свойства, т.е. природа реагирующих веществ.

Менее активные вещества будут имеют более высокий активационный барьер, и вступают в реакции медленнее, чем более активные вещества. Более активные вещества имеют более низкую энергию активации, и значительно легче и чаще вступают в химические реакции.

Большую роль играет характер химических связей и строение молекул реагентов. Реакции протекают в направлении разрушения менее прочных связей и образования веществ с более прочными связями. Так, для разрыва связей в молекулах H₂ и N₂ требуются высокие энергии; такие молекулы мало реакционноспособны. Для разрыва связей в сильнополярных молекулах (HCI, H₂O) требуется меньше энергии, и скорость реакции значительно выше. Реакции между ионами в растворах электролитов протекают практически мгновенно.