Взрыв петарды заканчивается за долю секунды, а гвоздь ржавеет годами. И то и другое — химические реакции, разница только в скорости. Скорость химической реакции — это изменение концентрации вещества за единицу времени.
Для реакций, где все участники в одной фазе — газ с газом или раствор с раствором, — скорость считают через молярную концентрацию: насколько она изменилась (Δc) и за какое время (Δt). Единица измерения — моль/(л·с).
Пример: концентрация реагента за 20 секунд упала с 0,5 до 0,3 моль/л. Скорость: (0,5 − 0,3) / 20 = 0,01 моль/(л·с).
Реакции делят на два класса, и от этого зависит, какие факторы на них действуют:
Различие не формальное: часть факторов ускоряет любые реакции, а часть — только гетерогенные. На ЕГЭ это проверяют в задании 18, так что держи классификацию под рукой.
Калий реагирует с водой бурно, с воспламенением, а железо в той же воде окисляется месяцами. Фтор соединяется с водородом со взрывом даже в темноте, иод — медленно и при нагревании. Чем активнее вещество и чем слабее связи, которые надо разорвать, тем быстрее реакция.
Этот фактор встроен в сами вещества — изменить его нельзя. Зато остальными четырьмя рычагами можно управлять: концентрация, температура, площадь поверхности и катализатор. Разберём каждый.
Реакция идёт, когда частицы сталкиваются. Чем больше частиц в том же объёме, тем чаще удачные столкновения и тем выше скорость.
Классика: цинк в разбавленной соляной кислоте выделяет водород лениво, пузырёк за пузырьком, а в концентрированной — кипит пеной. Вещества те же, изменилась только концентрация. Бытовой вариант: тлеющая лучинка в воздухе (21 % кислорода) едва краснеет, а в чистом кислороде вспыхивает.
Два следствия для задач:
Нагрев разгоняет частицы: они сталкиваются чаще и сильнее, и всё больше столкновений преодолевает энергию активации — минимальную энергию, при которой столкновение заканчивается реакцией.
Количественно это описывает правило Вант-Гоффа: при нагревании на каждые 10 °C скорость реакции возрастает в 2–4 раза. Это число называют температурным коэффициентом γ (гамма).
Холодильник — то же правило наоборот: охлаждение с +25 °C до +5 °C замедляет реакции порчи продуктов в несколько раз. Поэтому молоко на столе скисает за день, а в холодильнике живёт неделю.
Этот фактор работает только для гетерогенных реакций: реакция идёт на границе фаз, значит, чем больше площадь контакта, тем выше скорость. Щепки разгораются быстрее бревна, сахарная пудра растворяется быстрее рафинада, растолчённая шипучая таблетка отшипит за секунды, а целая — за минуту.
По этой же причине мучная и угольная пыль в воздухе взрывоопасны — на мельницах и в шахтах это отдельная статья техники безопасности.
Катализатор — вещество, которое ускоряет реакцию, но само в итоге не расходуется. Он направляет реакцию по обходному пути с меньшей энергией активации: барьер ниже — удачных столкновений больше — скорость выше.
Есть и обратная команда — ингибиторы, которые замедляют реакции: консерванты в продуктах, антикоррозийные присадки.
Дано: концентрация реагента в растворе за 20 с уменьшилась с 0,6 до 0,2 моль/л. Найти среднюю скорость реакции.
Решение. Изменение концентрации: Δc = 0,6 − 0,2 = 0,4 моль/л. Скорость: υ = Δc / Δt = 0,4 / 20 = 0,02 моль/(л·с).
Дано: γ = 3, смесь нагрели с 20 до 50 °C. Во сколько раз вырастет скорость?
Решение. Δt = 50 − 20 = 30 °C. Показатель степени: 30/10 = 3. Скорость вырастет в 3³ = 27 раз.
Обрати внимание: γ возводится в степень Δt/10, а не Δt. Это ошибка номер один в теме.