Что такое скорость химических реакций, ее зависимость от ряда факторов

Химические реакции протекают с самой разной скоростью. Одни реакции проходят мгновенно, другие могут длиться часами или даже годами. Давайте разберемся, что такое скорость химической реакции и какие факторы на нее влияют.

Определение скорости химической реакции

Что такое скорость химической реакции? Это величина, показывающая, как быстро в ходе реакции расходуются реагенты и образуются продукты реакции. Скорость реакции можно рассчитать как изменение концентрации реагентов или продуктов в единицу времени.

Для гомогенных реакций , в которых все вещества находятся в одной фазе (жидкость, газ), скорость вычисляется по формуле:

V = Δc/Δt, где V – скорость реакции, Δc – изменение концентрации за время Δt.

Например, для реакции:

2H₂ + O₂ = 2H₂O

скорость реакции можно рассчитать как уменьшение концентрации водорода или кислорода в единицу времени. Чем быстрее убывают реагенты, тем выше скорость.

Для гетерогенных реакций вещества находятся в разных фазах (жидкость-твердое, газ-жидкость). В таком случае скорость вычисляется иначе:

V = Δm/Δt/S, где Δm – изменение массы реагента, Δt – время, S – площадь соприкосновения фаз.

Зависимость скорости реакции от концентрации реагентов

Одним из важнейших факторов, влияющих на скорость химической реакции, является концентрация реагирующих веществ. Эту зависимость описывает закон действующих масс, сформулированный в 1865 году русским ученым Н.Н. Бекетовым и независимо от него в 1867 году норвежскими химиками К.М. Гульдбергом и П. Вааге.

Скорость химической реакции прямо пропорциональна произведению концентраций реагирующих веществ в степенях, равных стехиометрическим коэффициентам этих веществ в уравнении реакции.

Например, для реакции синтеза аммиака:

N₂ + 3H₂ → 2NH₃

закон действующих масс имеет вид:

V = k[N₂][H₂]³

Где k – константа скорости реакции, [N₂] и [H₂] – концентрации азота и водорода соответственно. Чем выше концентрация, тем больше скорость реакции.

Для твердых веществ закон действующих масс не применим, поскольку их концентрация не меняется.

Влияние температуры на скорость реакции

Еще один ключевой фактор, влияющий на скорость химических реакций – это температура. При повышении температуры частицы вещества начинают активнее двигаться и чаще сталкиваться.

Влияние температуры на скорость реакции описывает правило Вант-Гоффа: повышение температуры на 10°C увеличивает скорость реакции в 2-4 раза. Это справедливо как для экзотермических, так и для эндотермических реакций.

Например, в реакции:

СаЦО₃ → CaO + CO₂

при нагревании от 500 до 800°C скорость реакции возрастет примерно в 3⁶ = 729 раз!

Таким образом, повышая температуру, можно значительно ускорить химическую реакцию. Аналогично, снижение температуры приводит к замедлению реакции.

Влияние давления на скорость реакции

Условия скорости химической реакции существенным образом меняются, если среди реагентов есть газы. Концентрация газа прямо пропорциональна давлению, поэтому повышение давления приводит к увеличению концентрации газа и, как следствие, росту скорости реакции. И наоборот, снижение давления замедляет реакцию.

Например, скорость реакции:

2SO2 + O2 → 2SO3

зависит от давления кислорода. Чем выше давление кислорода, тем быстрее образуется сернистый ангидрид SO3.

При производстве аммиака оптимальным является давление около 150-300 атмосфер. Высокое давление необходимо для увеличения концентрации и, соответственно, повышения скорости реакции азота с водородом.

Каталитическое ускорение реакций

Еще один эффективный прием для изменения скорости химической реакции - использование катализаторов. Катализаторы ускоряют реакцию, но сами в ней не расходуются.

Существуют гомогенные и гетерогенные катализаторы. Гомогенные катализаторы находятся в той же фазе, что и реагенты (жидкость, газ). К таким относятся кислоты, основания, ионы металлов.

Гетерогенные катализаторы отличаются большой площадью поверхности и находятся в другой фазе, чем реагенты. К ним относятся твердые вещества – пористые металлы (Pt, Pd, Ni), оксиды металлов (CuO, ZnO, Fe2O3), цеолиты.

Например, в реакции синтеза аммиака в качестве гетерогенного катализатора используют пористое железо, содержащее оксиды калия и алюминия. Катализатор ускоряет реакцию азота с водородом в сотни тысяч раз!

Влияние природы реагирующих веществ

Скорость реакции также зависит от природы, химической активности реагирующих веществ. Чем выше активность, тем ниже энергетический барьер реакции и тем быстрее она идет.

Например, щелочные металлы очень активны и быстро взаимодействуют с водой. Ряд активности металлов выглядит так:

Li > Na > K > Ca > Mg > Al > Zn > Fe > Ni > Sn > Pb

Следовательно, литий будет вступать в реакцию с водой гораздо быстрее, чем свинец или никель, у которых высокий энергетический барьер этой реакции.

Как изменить условия скорости химической реакции

Итак, мы рассмотрели основные факторы, влияющие на скорость химических реакций. Резюмируем, как можно изменить скорость химической реакции в нужную сторону:

• Повысить температуру (ускорение)
• Понизить температуру (замедление)
• Увеличить концентрацию реагентов (ускорение)
• Уменьшить концентрацию реагентов (замедление)
• Повысить давление для реакций с газами (ускорение)
• Добавить подходящий катализатор (ускорение)

Зная эти закономерности, можно оптимизировать условия для проведения химических реакций с нужной скоростью.

Регулирование скорости реакции изменением температуры

Мы уже говорили, что повышение температуры ускоряет, а снижение - замедляет протекание реакции. Давайте более подробно рассмотрим, как можно использовать этот фактор для регулирования скорости.

Некоторые реакции при нормальной температуре идут очень медленно. Например, взаимодействие азота с водородом для образования аммиака. Повышая температуру до 400-500°C и используя катализатор, удается значительно увеличить скорость этой реакции.

С другой стороны, некоторые вещества и материалы нестабильны и разлагаются при высокой температуре. Например, для сохранения пищевых продуктов или полимерных материалов их помещают в холодильник, то есть понижают температуру с целью замедления реакций разложения.

Изменение концентрации для регулировки скорости

Еще один распространенный прием - изменение концентрации реагентов. Увеличивая концентрацию, можно значительно ускорить реакцию, а разбавляя систему, наоборот, добиться замедления.

Например, для ускорения отверждения бетона или гипса их компоненты берутся в высоких концентрациях. А для замедления полимеризации смол их предварительно разбавляют растворителями, уменьшая концентрацию мономеров.

Регулирование скорости изменением давления

Если в реакции участвуют газообразные реагенты, изменение давления позволяет эффективно влиять на скорость процесса. Пониженное давление снижает концентрацию газа и замедляет ход реакции.

Напротив, повышенное давление концентрирует молекулы газа в единице объема, повышая частоту столкновений частиц. Скорость реакции увеличивается. Этот прием широко используется в промышленности для ускорения процессов с участием газов.

Регулирование скорости с применением катализаторов

Еще один распространенный способ изменения скорости химической реакции - применение катализаторов. Подбирая разные катализаторы можно в сотни и тысячи раз ускорить или замедлить изменить скорость реакции.

Каталитические нейтрализаторы выхлопных газов в автомобилях позволяют в тысячи раз ускорить реакции окисления оксидов азота и угарного газа. Ферменты-катализаторы регулируют скорость биохимических реакций в живых организмах.

Влияние размера частиц на скорость гетерогенной реакции

Для гетерогенных реакций, в которых реагенты находятся в разных фазах, на скорость влияет размер частиц и площадь межфазной поверхности.

Чем меньше размер частиц твердого реагента, тем больше площадь поверхности при одинаковой массе вещества. Соответственно, выше скорость гетерогенной реакции.

Например, мелко размолотый мрамор будет активнее вступать в реакцию с соляной кислотой, чем крупные куски мрамора. Поэтому для ускорения гетерогенных процессов часто используют измельчение реагентов.

Влияние растворимости на скорость реакции

Если реакция идет между растворенными веществами, на ее скорость влияет растворимость реагентов. Хорошо растворимые вещества легко диффундируют друг к другу и быстрее вступают в реакцию.

Например, реакция ионов в водном растворе протекает гораздо быстрее, чем взаимодействие малорастворимых соединений, осажденных в виде осадка.

Зависимость скорости реакции от pH среды

В случае реакций с участием электролитов на скорость может влиять pH среды. Изменяя кислотность или щелочность раствора, можно ускорять или замедлять протекание реакции.

Кислая среда, как правило, ускоряет гидролиз солей. Щелочная, наоборот, подавляет гидролиз. Подбирая pH, можно оптимизировать скорость нужной реакции.

Стабилизация неустойчивых соединений

Для предотвращения самопроизвольного разложения или реакций окисления нестабильных и активных веществ используют различные приемы замедления скорости.

В частности, понижение температуры, разбавление растворов, добавление ингибиторов, хранение в инертной атмосфере. Это позволяет сохранить активные соединения от разложения.