Скорость реакции и её вычисление

Средняя скорость гомогенной реакции — это изменение концентрации вещества за единицу времени:

v = \frac{\Delta c}{\Delta t} = \frac{|c_2 - c_1|}{t_2 - t_1},

единица — $\frac{\text{моль}}{\text{л}\cdot\text{с}}$ или $\frac{\text{моль}}{\text{л}\cdot\text{мин}}$ . Гетерогенная реакция (например, между твёрдым веществом и газом) идёт на границе раздела фаз, её скорость относят к единице площади поверхности: $v = \frac{\Delta n}{S\cdot\Delta t}$ .

Коэффициенты уравнения показывают соотношение скоростей изменения концентраций веществ: в реакции $\mathrm{2H_2} + \mathrm{O_2} \rightarrow \mathrm{2H_2O}$ водород расходуется в 2 раза быстрее кислорода.

Факторы, влияющие на скорость

Природа веществ: например, калий реагирует с водой энергичнее натрия.
Концентрация. Закон действующих масс: при постоянной температуре скорость простой реакции пропорциональна произведению концентраций реагентов. Для $a\mathrm{A} + b\mathrm{B} \rightarrow$ продукты $v = k[\mathrm{A}]^a[\mathrm{B}]^b$ ; $k$ — константа скорости. Концентрации твёрдых веществ в выражение не входят: для $\mathrm{C} + \mathrm{O_2} \rightarrow \mathrm{CO_2}$ $v = k[\mathrm{O_2}]$ .
Давление (для газов): увеличение давления в $x$ раз увеличивает концентрацию каждого газа в $x$ раз.
Температура. Правило Вант-Гоффа: при повышении температуры на каждые $10^\circ$ C скорость возрастает в 2–4 раза:

\frac{v_2}{v_1} = \gamma^{\frac{t_2 - t_1}{10}},

$\gamma$ — температурный коэффициент. Причина: при нагревании растёт доля активных молекул, энергия которых не меньше энергии активации.

Площадь поверхности: измельчение твёрдого вещества ускоряет гетерогенную реакцию.
Катализатор.

Катализатор и каталитические реакции

Катализатор — вещество, которое ускоряет реакцию, а к её концу остаётся неизменным. Он направляет реакцию по пути с меньшей энергией активации. Если катализатор и реагенты находятся в одной фазе, катализ гомогенный (гидролиз сахарозы в присутствии кислоты), если в разных — гетерогенный: $\mathrm{2H_2O_2} \xrightarrow{\mathrm{MnO_2}} \mathrm{2H_2O} + \mathrm{O_2}$ . Вещества, замедляющие реакцию, называют ингибиторами, биологические катализаторы живых организмов — ферментами.

Катализатор одинаково ускоряет прямую и обратную реакции, поэтому не смещает равновесие, а лишь ускоряет его установление.

Обратимые реакции, равновесие и константа равновесия

Необратимые реакции идут до конца в одном направлении: если образуется осадок, газ или малодиссоциирующее вещество (вода), а также реакции горения. Обратимые реакции при одних и тех же условиях идут в обоих направлениях: $\mathrm{N_2} + \mathrm{3H_2} \rightleftarrows \mathrm{2NH_3}$ .

В обратимой реакции скорость прямой реакции уменьшается, а обратной растёт. Когда они становятся равными, наступает химическое равновесие: $v_{\text{пр}} = v_{\text{обр}}$ . Равновесие динамическое: реакции не прекращаются, но концентрации остаются постоянными.

Для $a\mathrm{A} + b\mathrm{B} \rightleftarrows c\mathrm{C} + d\mathrm{D}$ константа равновесия:

K = \frac{[\mathrm{C}]^c[\mathrm{D}]^d}{[\mathrm{A}]^a[\mathrm{B}]^b}.

В выражение подставляют равновесные концентрации, твёрдые вещества не включают. $K$ зависит только от природы веществ и температуры; концентрации, давление и катализатор её не меняют.

Принцип Ле Шателье

Если на систему, находящуюся в равновесии, оказать внешнее воздействие, равновесие смещается в сторону той реакции, которая ослабляет это воздействие.

Концентрация: увеличение концентрации реагента или удаление продукта смещает равновесие в сторону прямой реакции (вправо).
Температура: при нагревании равновесие смещается в сторону эндотермической реакции, при охлаждении — экзотермической.
Давление: при повышении давления равновесие смещается в сторону меньшего числа молекул газов. Если число моль газов слева и справа одинаково ( $\mathrm{H_2} + \mathrm{I_2} \rightleftarrows \mathrm{2HI}$ ), давление на равновесие не влияет.

Например, чтобы повысить выход аммиака в реакции $\mathrm{N_2} + \mathrm{3H_2} \rightleftarrows \mathrm{2NH_3} + Q$ , нужно повысить давление, понизить температуру и выводить аммиак из системы.

Запомните

$v = \frac{\Delta c}{\Delta t}$ ; закон действующих масс: $v = k[\mathrm{A}]^a[\mathrm{B}]^b$ , твёрдые вещества не записывают.
Правило Вант-Гоффа: $\frac{v_2}{v_1} = \gamma^{\frac{t_2 - t_1}{10}}$ , $\gamma = 2$ – $4$ .
Катализатор снижает энергию активации, но не смещает равновесие.
При равновесии $v_{\text{пр}} = v_{\text{обр}}$ ; $K$ зависит только от температуры (и природы веществ).
Ле Шателье: равновесие смещается в сторону ослабления воздействия; давление влияет только на реакции, где меняется число моль газов.

Разобранные примеры

Пример 1
В реакции $\mathrm{A} + \mathrm{2B} \rightarrow \mathrm{C}$ за 20 секунд концентрация вещества A уменьшилась с 0,8 моль/л до 0,5 моль/л. а) Найдите среднюю скорость по веществу A. б) Насколько за это время уменьшилась концентрация B? в) Во сколько раз возрастёт скорость при повышении температуры с $20^\circ$ C до $50^\circ$ C, если температурный коэффициент равен 2?
Решение
а) $\Delta c(\mathrm{A}) = 0{,}8 - 0{,}5 = 0{,}3$ моль/л; $v = \frac{0{,}3}{20} = 0{,}015\ \frac{\text{моль}}{\text{л}\cdot\text{с}}$ .

б) По уравнению с 1 моль A реагируют 2 моль B: $\Delta c(\mathrm{B}) = 2 \cdot 0{,}3 = 0{,}6$ моль/л.

в) $\frac{v_2}{v_1} = 2^{\frac{50 - 20}{10}} = 2^3 = 8$ .

Ответ: $0{,}015\ \frac{\text{моль}}{\text{л}\cdot\text{с}}$ ; 0,6 моль/л; в 8 раз.
Пример 2
В закрытом сосуде установилось равновесие $\mathrm{H_2} + \mathrm{I_2} \rightleftarrows \mathrm{2HI}$ . Исходные концентрации водорода и иода равны соответственно 0,6 моль/л и 0,4 моль/л, равновесная концентрация HI — 0,6 моль/л. Вычислите константу равновесия. Как повлияет на равновесие повышение давления?
Решение
1. По уравнению на 2 моль HI расходуется 1 моль $\mathrm{H_2}$ и 1 моль $\mathrm{I_2}$ . Если образовалось 0,6 моль/л HI, израсходовано по 0,3 моль/л $\mathrm{H_2}$ и $\mathrm{I_2}$ .
2. Равновесные концентрации: $[\mathrm{H_2}] = 0{,}6 - 0{,}3 = 0{,}3$ моль/л, $[\mathrm{I_2}] = 0{,}4 - 0{,}3 = 0{,}1$ моль/л, $[\mathrm{HI}] = 0{,}6$ моль/л.
3. $K = \frac{[\mathrm{HI}]^2}{[\mathrm{H_2}][\mathrm{I_2}]} = \frac{0{,}6^2}{0{,}3 \cdot 0{,}1} = \frac{0{,}36}{0{,}03} = 12$ .
4. Слева 2 моль газов и справа 2 моль газов, поэтому давление на равновесие не влияет.
Ответ: $K = 12$ ; давление равновесие не смещает.

Проверьте себя

Сначала решите сами, потом откройте ответ.

Температурный коэффициент реакции равен 3. Во сколько раз возрастёт скорость реакции при повышении температуры на $30^\circ$ C?
1. 3
2. 9
3. 27
4. 81
5. 90
Показать ответСкрыть ответ
Правильный ответ: C 27
$\frac{v_2}{v_1} = 3^{\frac{30}{10}} = 3^3 = 27$ . Ответ 90 получается, если умножить коэффициент на разность температур, — это ошибка: коэффициент возводят в степень.
Во сколько раз возрастёт скорость прямой реакции $\mathrm{2NO} + \mathrm{O_2} \rightarrow \mathrm{2NO_2}$ (протекает как простая реакция) при увеличении давления в сосуде в 2 раза?
1. 2
2. 4
3. 6
4. 8
5. 16
Показать ответСкрыть ответ
Правильный ответ: D 8
$v = k[\mathrm{NO}]^2[\mathrm{O_2}]$ . При увеличении давления в 2 раза концентрация каждого газа возрастает в 2 раза: $2^2 \cdot 2 = 8$ .
На какое равновесие не влияет изменение давления?
1. $\mathrm{N_2} + \mathrm{3H_2} \rightleftarrows \mathrm{2NH_3}$
2. $\mathrm{N_2} + \mathrm{O_2} \rightleftarrows \mathrm{2NO}$
3. $\mathrm{2SO_2} + \mathrm{O_2} \rightleftarrows \mathrm{2SO_3}$
4. $\mathrm{N_2O_4} \rightleftarrows \mathrm{2NO_2}$
5. $\mathrm{C}$ (тв.) $+\ \mathrm{CO_2} \rightleftarrows \mathrm{2CO}$
Показать ответСкрыть ответ
Правильный ответ: B $\mathrm{N_2} + \mathrm{O_2} \rightleftarrows \mathrm{2NO}$
В реакции $\mathrm{N_2} + \mathrm{O_2} \rightleftarrows \mathrm{2NO}$ слева и справа по 2 моль газов. В варианте E твёрдый углерод не учитывают: слева 1 моль газа, справа 2 моль, поэтому давление влияет на это равновесие.

Типичные ошибки

Включать в закон действующих масс концентрацию твёрдого вещества или забывать возводить концентрации в степени, равные коэффициентам.
Считать, что катализатор смещает равновесие в сторону продуктов. Катализатор лишь ускоряет установление равновесия.
Учитывать твёрдые и жидкие вещества при оценке влияния давления; сравнивают только число моль газов.

Всё ещё не до конца понятно?

Объяснит тему голосом, как на уроке, запишет всё на доске и проверит вопросами.

Изучить с Живым репетитором Решить задачу по фото