Задание 18 ЕГЭ по химии проверяет знание факторов, влияющих на скорость химической реакции, и умение определять, как изменится скорость реакции при изменении условий. В этом задании требуется проанализировать, как различные факторы влияют на скорость химической реакции.
Химическая кинетика – раздел физической химии, изучающий скорость протекания химических реакций, факторы, влияющие на неё, и механизмы реакций.
Скорость химической реакции – это изменение концентрации реагирующего вещества или продукта реакции в единицу времени.
Для гомогенной реакции (протекающей в однородной среде) скорость выражается формулой:
v = ±Δc/Δt
где v – скорость реакции, Δc – изменение концентрации вещества, Δt – промежуток времени.
Для гетерогенной реакции (протекающей на границе раздела фаз) скорость выражается формулой:
v = ±Δn/(S·Δt)
где v – скорость реакции, Δn – изменение количества вещества, S – площадь поверхности раздела фаз, Δt – промежуток времени.
Скорость реакции зависит от природы реагирующих веществ, их строения и типа химической связи. Например, ионные реакции в растворах протекают практически мгновенно, а реакции с ковалентными связями – медленнее.
Согласно закону действующих масс, скорость химической реакции прямо пропорциональна произведению концентраций реагирующих веществ, взятых в степенях, равных их стехиометрическим коэффициентам.
Для реакции aA + bB → cC + dD закон действующих масс выражается формулой:
v = k · [A]a · [B]b
где v – скорость реакции, k – константа скорости реакции, [A] и [B] – молярные концентрации веществ A и B, a и b – стехиометрические коэффициенты.
При увеличении концентрации реагирующих веществ в n раз скорость реакции увеличивается в nm раз, где m – сумма стехиометрических коэффициентов реагирующих веществ.
Согласно правилу Вант-Гоффа, при повышении температуры на каждые 10°C скорость большинства химических реакций увеличивается в 2-4 раза (температурный коэффициент γ).
Правило Вант-Гоффа выражается формулой:
vt+10 / vt = γ
или
vt2 / vt1 = γ(t2-t1)/10
где vt – скорость реакции при температуре t, vt+10 – скорость реакции при температуре (t+10), γ – температурный коэффициент.
Более точно зависимость скорости реакции от температуры описывается уравнением Аррениуса:
k = A · e-Ea/(R·T)
где k – константа скорости реакции, A – предэкспоненциальный множитель, Ea – энергия активации, R – универсальная газовая постоянная, T – абсолютная температура.
Для реакций, протекающих в газовой фазе, увеличение давления приводит к увеличению скорости реакции, так как при этом увеличивается концентрация реагирующих веществ.
При увеличении давления в n раз скорость реакции увеличивается в nm раз, где m – сумма стехиометрических коэффициентов газообразных реагирующих веществ.
Для гетерогенных реакций скорость прямо пропорциональна площади поверхности соприкосновения реагентов. Увеличение площади поверхности (например, измельчение твердого вещества) приводит к увеличению скорости реакции.
Катализаторы – вещества, которые увеличивают скорость химической реакции, но сами при этом не расходуются. Катализаторы снижают энергию активации реакции, что приводит к увеличению скорости реакции.
Различают:
Энергия активации (Ea) – минимальная энергия, которой должны обладать молекулы, чтобы их столкновение привело к химической реакции.
Катализаторы снижают энергию активации, что приводит к увеличению скорости реакции.
Как изменится скорость реакции
2NO(г) + O2(г) = 2NO2(г)
если концентрацию NO увеличить в 3 раза, а концентрацию O2 уменьшить в 2 раза?
Ответ:
Скорость реакции увеличится в 4,5 раза.
1) Записываем уравнение химической реакции:
2NO(г) + O2(г) = 2NO2(г)
2) Определяем, какой фактор изменяется:
Изменяются концентрации реагирующих веществ: концентрация NO увеличивается в 3 раза, концентрация O2 уменьшается в 2 раза.
3) Применяем закон действующих масс:
v = k · [NO]2 · [O2]
4) Рассчитываем, во сколько раз изменится скорость реакции:
v2 / v1 = (k · [NO]22 · [O2]2) / (k · [NO]12 · [O2]1)
v2 / v1 = ([NO]2 / [NO]1)2 · ([O2]2 / [O2]1)
v2 / v1 = 32 · (1/2) = 9 · 0,5 = 4,5
Скорость реакции увеличится в 4,5 раза.
Как изменится скорость реакции при повышении температуры от 50°C до 90°C, если температурный коэффициент реакции равен 3?
Ответ:
Скорость реакции увеличится в 81 раз.
1) Определяем, какой фактор изменяется:
Изменяется температура: от 50°C до 90°C, т.е. на 40°C.
2) Применяем правило Вант-Гоффа:
vt2 / vt1 = γ(t2-t1)/10
v90 / v50 = 3(90-50)/10 = 34 = 81
Скорость реакции увеличится в 81 раз.
Влияние концентрации на скорость реакции зависит от порядка реакции по каждому из реагирующих веществ.
Порядок реакции – это показатель степени, в которой концентрация данного вещества входит в кинетическое уравнение реакции.
Для реакции aA + bB → cC + dD кинетическое уравнение может иметь вид:
v = k · [A]α · [B]β
где α и β – порядки реакции по веществам A и B, которые могут не совпадать со стехиометрическими коэффициентами a и b.
Общий порядок реакции равен сумме порядков по всем реагирующим веществам: n = α + β.
Для элементарных реакций порядок реакции по каждому веществу совпадает со стехиометрическим коэффициентом этого вещества в уравнении реакции.
Влияние температуры на скорость реакции объясняется увеличением средней кинетической энергии молекул и, следовательно, увеличением числа активных столкновений, приводящих к химической реакции.
Согласно уравнению Аррениуса, константа скорости реакции экспоненциально зависит от температуры:
k = A · e-Ea/(R·T)
Для большинства реакций энергия активации составляет от 40 до 200 кДж/моль, что соответствует температурному коэффициенту γ от 2 до 4.
Влияние давления на скорость реакции проявляется только для реакций с участием газообразных веществ.
Увеличение давления приводит к увеличению концентрации газообразных веществ, что, согласно закону действующих масс, приводит к увеличению скорости реакции.
Для реакции aA(г) + bB(г) → cC(г) + dD(г) при увеличении давления в n раз скорость реакции увеличивается в na+b раз.
Катализаторы увеличивают скорость реакции, снижая энергию активации. Они не смещают химическое равновесие, а только ускоряют его достижение.
Механизм действия катализаторов может быть различным:
Специфичность катализаторов: каждый катализатор эффективен только для определенных реакций.
Ингибиторы (отрицательные катализаторы) – вещества, которые уменьшают скорость химической реакции.
Механизм действия ингибиторов может быть связан с:
Ингибиторы широко используются для замедления нежелательных реакций, например, для предотвращения коррозии металлов, порчи пищевых продуктов и т.д.
| Фактор | Влияние на скорость реакции | Математическое выражение |
|---|---|---|
| Увеличение концентрации реагирующих веществ | Увеличение скорости реакции | v = k · [A]a · [B]b |
| Повышение температуры | Увеличение скорости реакции | vt2 / vt1 = γ(t2-t1)/10 |
| Увеличение давления (для газообразных веществ) | Увеличение скорости реакции | v2 / v1 = (P2 / P1)a+b |
| Увеличение площади поверхности (для гетерогенных реакций) | Увеличение скорости реакции | v2 / v1 = S2 / S1 |
| Добавление катализатора | Увеличение скорости реакции | Снижение энергии активации: Ea(кат) < Ea |
| Добавление ингибитора | Уменьшение скорости реакции | Увеличение энергии активации: Ea(инг) > Ea |
Закрепите теорию на практике! Попробуйте решить несколько вариантов задания 18.