Скорость реакции

В этой статье мы поговорим с вами о всей теории, которая необходима для выполнения задания 18 ЕГЭ по химии, то есть о факторах, которые влияют на скорость реакции.

Представим у себя в голове картину того, как протекает химическая реакция. Допустим, у нас есть молекулы AB и CD, которые хаотично движутся в каком-то пространстве. В определённый момент эти молекулы с невероятной силой сталкиваются!! Что в таком случае произойдёт???

Правильно: по аналогии со столкновением машин при аварии эти молекулы "разрушатся" (старые химические связи в них порвутся), их атомы в каком-то смысле перемешаются между собой, в результате чего образуются новые вещества! Логика проста: молекулы с достаточной силой сталкиваются - "ломаются" на отдельные части - эти части перемешиваются друг с другом - образуются новые вещества.

Сейчас мы описали один тип взаимодействия между соединениями, но его вполне достаточно, чтобы понять суть: чтобы реакция произошла, молекулы должны столкнуться. И чем чаще они сталкиваются, тем, логично, чаще между ними протекает реакция и больше продукта образуется.

В каждой реакции, как вы уже поняли, фигурируют вещества, которые сталкиваются и взаимодействуют друг с другом (реагенты), и вещества, непосредственно образующиеся в ходе реакции (продукты):

Как мы уже сказали ранее, реагенты в процессе взаимодействия сталкиваются друг с другом и "разрушаются" (их количество уменьшается), и именно из их составных частей образуются продукты реакции (их количество, логично, увеличивается).

В этой статье мы будем говорить о факторах, с помощью изменения которых мы можем повлиять на скорость реакции (замедлить или ускорить её), но перед этим введём две очень важные классификации реакций, которые нам в дальнейшем пригодятся.

1) Гомогенные и гетерогенные реакции. "Гомо" в переводе означает "один, единый", "гетеро" - "разный, различный, другой".

Абсолютно логично, что гомогенные реакции - это те взаимодействия, реагенты которых представляют собой как бы одно целое: в такой смеси мы не можем отличить одно вещество от другого. Как правило, это реакции, протекающее между газами или двумя хорошо смешивающимися друг с другом растворами. Чтобы вам было проще в понимании слова "гомогенный", приведу парочку примеров гомогенных смесей:

- воздух: там есть и азот, и кислород, и углекислый газ, и водород, и многое другое, но мы их не отличаем друг от друга, - для нас воздух представляет собой единое целое;
- 40%-ый раствор этилового спирта: в нём есть вода и непосредственно спирт, но мы их точно так же не отличаем друг от друга, не видим, где конкретно в этой смеси спирт, а где - вода.

Гетерогенные реакции - те, реагенты которых мы способны различить: грубо говоря, увидеть, где один реагент, а где второй. Это, например, реакции между двумя несмешивающимися жидкостями, между жидкостью и газом или твёрдым телом, между двумя твёрдыми веществами.

Самый популярный пример в этом случае: реакция цинка с соляной кислотой. В этой ситуации мы чётко видим цинк (металл) и жидкость (раствор соляной кислоты). Мы различаем вещества, поэтому реакция гетерогенная.

Ниже приведены примеры того, как могут выглядеть гомо- (1-2) и гетерогенные реакции (3-6):

2) Вторая и последняя классификация реакций, которая нам необходима, - это классификация реакций по наличию или отсутствию катализатора.

Некоторые реакции нуждаются в своеобразном "пинке для рывка", так как сами по себе не протекают или идут слишком медленно. В роли этого "пинка" выступает вещество, которое называется катализатором.

Такие реакции называются каталитическими. Реакции, не нуждающиеся в катализаторе, - логично, некаталитическими. Если в реакционную систему некаталитический реакции добавить катализатор - ничего не произойдёт, так как эти реакции в нём не нуждаются от слова совсем.

Ну, всё! Теперь мы наконец можем приступить к самому главному, - к факторам, которые влияют на скорость реакции. Их всего шесть:

Перед тем, как мы будем рассматривать каждый из факторов выше в отдельности, предлагаю вспомнить главный тезис: реакция происходит тогда, когда реагенты сталкиваются друг с другом. Следовательно, чем чаще они сталкиваются, тем чаще между ними протекает реакция и больше продукта образуется. А значит: чтобы ускорить реакцию, нужно сделать так, чтобы реагенты сталкивались чаще; чтобы замедлить - реже.

Фактор №1. Температура.

При повышении температуры молекулы начинают двигаться быстрее, а значит, они 100% будут чаще сталкиваться друг с другом. Именно поэтому при повышении температуры скорость реакции растёт.

При понижении температуры молекулы двигаются медленнее, из-за чего они реже сталкиваются между собой и скорость реакции падает.

Короче говоря, здесь (как и, спойлер, во всех остальных факторах) мы наблюдаем прямую зависимость: повышаем температуру - увеличивается скорость, понижаем температуру - скорость уменьшается. Тут можно также провести аналогию с ситуацией на дорогах: если машины двигаются слишком быстро, вероятность их столкновения и аварии выше.

Фактор №2. Концентрация реагентов.

Для начала хотелось бы сказать о том, что вообще представляет из себя концентрация: говоря простым языком, это насыщенность, то есть то, как много молекул вещества содержится в единице объёма. Много молекул вещества - высокая концентрация, мало - низкая.

Соответственно, когда мы добавляем больше реагента в нашу реакционную систему, мы тем самым увеличиваем его концентрацию; когда мы выводим часть реагента из системы - уменьшаем.

Что же будет со скоростью реакции при увеличении концентрации какого-либо из реагентов? Чтобы это понять, предлагаю вам вспомнить пример из реальной жизни. Все вы когда-нибудь были в парке развлечений и видели аттракцион с небольшими машинками, в которые можно сесть и ездить, попутно врезаясь в остальных. Логично, что если на поле находится всего 2-3 таких машинки, сталкиваться друг с другом они будут не так часто, как например, по сравнению с ситуацией, когда их 20. Чем больше машинок - тем выше вероятность их столкновения. С молекулами точно так же.

Делаем вывод: чем больше концентрация (насыщенность) реагентов, тем выше скорость реакции; чем меньше их концентрация - тем скорость ниже! Наблюдаем ту же прямую зависимость, что и в ситуации с температурой.

P.s. Важное уточнение: если мы добавляем в систему твёрдое нерастворимое вещество, это не оказывает влияние на скорость реакции. Такое вещество просто осядет на дно сосуда и будет абстрагированно там лежать.

Фактор №3. Давление.

В случае с давлением начнём разговор издалека и рассмотрим следующую ситуацию: у нас есть три сосуда с поршнем, который мы можем двигать (опускаем поршень (давим на него) - повышаем давление, поднимаем поршень - уменьшаем давление). В первом сосуде находится твёрдое вещество, во втором - жидкость, в третьем - газ. Совершенно очевидно, что надавливание на поршень (= изменение давление) оказывает влияние только на газ, поэтому предлагаю сразу сделать важный вывод: изменение давления и объёма реакционного сосуда влияют только на вещества с газообразным агрегатным состоянием, поэтому если в реагентах нет хотя бы одного газа - изменение давления и объёма никак не повлияет на скорость реакции.

Посмотрите на рисунок выше и заметьте: когда мы опускаем поршень (= повышаем давление), пространство, в котором двигаются молекулы, уменьшается, из-за чего им становится более тесно, они начинают сталкиваться друг с другом чаще, а следовательно, скорость реакции растёт. Тут можно с лёгкостью привести аналогию с час пик в метро: это ситуация, когда вагоны метро буквально переполнены людьми, из-за чего те постоянно сталкиваются друг с другом (подобно нашим молекулам).

Делаем вывод: при повышении давления скорость реакции с участием хотя бы одного газа растёт, при понижении - падает. Опять видим нашу любимую прямую зависимость, как в случае с температурой и концентрацией реагентов.

Важное замечание: обратите внимание на то, что когда мы опускаем поршень (= повышаем давление), реакционный объём (пространство, в котором двигаются молекулы) уменьшается. Ещё раз: при повышении давления всегда происходит уменьшение объёма. И наоборот. Как вы уже, наверное, поняли, давление и объём сосуда - величины, обратно пропорциональные друг другу: повышение давления = уменьшение объёма, понижение давления = увеличение объёма. Поэтому если в задании ЕГЭ вы встречаете формулировку "увеличение объёма реакционного сосуда", это то же, что и "понижение давления", с которым мы уже знаем, как работать.

Фактор №4. Площадь соприкосновения реагентов (или степень измельчения твёрдых реагентов).

Перед тем, как мы разберём этот до безобразия простой фактор, предлагаю вам ответить на следующий вопрос: если вам срочно нужно заварить чай, максимально быстро, насколько это возможно, то какой сахар вы выберете: рассыпной или в кубиках?

Каждый из нас прекрасно знает, что измельчённый сахар растворяется в чае гораздо быстрее, чем сахар в кубиках. Но почему так?

Всё дело в общей площади контакта (соприкосновения) сахара с чаем: в случае с кубиками эта площадь гораздо меньше, чем у измельчённого сахара. Мы говорим именно об общей площади!!!

А теперь проецируем этот момент на нашу тему: чем больше площадь соприкосновения реагентов, тем быстрее протекает реакция между ними. Иными словами: чтобы реакция с участием хотя бы одного твёрдого реагента пошла быстрее, его нужно измельчить. Вспоминаем аналогию с сахаром!

Поэтому, например, реакция между цинком и соляной кислотой идёт гораздо быстрее именно с участием измельчённого цинка:

Также иногда удаётся увеличить площадь контакта между реагентами, а значит, и скорость реакции между ними просто путём их перемешивания. По этой же логике мы размешиваем чай (= увеличиваем площадь соприкосновения чая и сахара), чтобы сахар растворился быстрее:

Фактор №5. Природа реагентов.

Рассмотрим этот фактор на конкретном примере. Допустим, у нас есть три сосуда с водой: в первый будем кидать натрий, во второй - магний, в третий - золото. Натрий - щелочной, безумно активный металл, который будет реагировать с водой крайне бурно (со взрывом!). Магний - металл менее активный: будет реагировать с водой медленнее и в основном при кипячении. Золото как истинный благородный металл в воде не будет растворяться ни при каких условиях.

Так что же получается? А получается логичный вывод: чем активнее по своей химической природе вещество, тем быстрее будет протекать реакция с его участием. Что ж, тут не поспоришь (тут должна быть биологическая шутка про папоротники, но я преподаю химию, поэтому извините).

Кстати, активность металлов можно отслеживать и сравнивать с помощью ряда активности металлов, который будет у вас на ЕГЭ в качестве справочного материала (под таблицей растворимости).

К слову, про металлы... Есть на ЕГЭ по химии три интересных металла (Cr, Fe, Al), которые на воздухе из-за взаимодействия с кислородом покрываются слоем оксида - оксидный плёнкой, которая защищает их от многих воздействий. Даже от воздействий жестоких концентрированных кислот-окислителей (концентрированных H₂SO₄ и HNO₃)! Поэтому при нормальных условиях эти металлы с ними не взаимодействуют (их защищает оксидная плёнка), а вот при нагревании или механическом разрушении этой плёнки (например, наждачкой) реакция уже идёт:

В этом же разделе хочу отметить, что, как правило, самые быстрые реакции - это гомогенные, конкретно те, которые протекают в растворах. В отличие от гетерогенных (которые протекают только на границе раздела веществ, то есть в месте, где реагенты соприкасаются друг с другом), гомогенные протекают во всём объёме.

Фактор №6. Заключительный. Катализатор!

Многие из вас помнят, что катализатор - это вещество, ускоряющее реакцию (но только каталитическую!! некаталитические реакции в катализаторе не нуждаются). Для удобства прикрепляю вам список каталитических реакций в неорганике, то есть тех, на скорость которых влияет добавление катализатора в систему:

Противоположность катализатору - ингибитор. Как вы уже поняли, это вещество, замедляющее реакцию или останавливающее её вовсе. Ингибиторы применяют, например, в случаях, когда протекание реакции нежелательно или когда нужно остановить реакцию на определённом этапе, чтобы получить какой-то промежуточный продукт. Многие активные вещества в лекарствах, которые мы принимаем, - ингибиторы. К примеру, аспирин - это, грубо говоря, ингибитор реакции, из-за которой у нас болит голова или что-то другое.

Как же работает катализатор? Давайте разбираться, для этого посмотрим на график ниже:

Судя по этому графику, чтобы реагентам превратиться в продукты реакции, им необходимо затратить какое-то количество энергии (это называется энергией активации). Так вот катализатор уменьшает это значение: он делает так, что реагентам нужно потратить уже гораздо меньше энергии, меньше сил на то, чтобы стать продуктами. Он уменьшает тот энергетический порог, который должны перепрыгнуть реагенты, чтобы превратиться в продукты, поэтому с катализатором реакция протекает легче и быстрее.

Ну, что, как вам "скорость реакции"? Искренне надеюсь, что всё понятно, и жду вас на закреплении этой темы в своём Телеграм-канале!