egc-2.2· Глава 2: Химические реакции· ~15 мин

Скорость реакции и химическое равновесие

Факторы, влияющие на скорость реакции, закон действия масс, правило Вант-Гоффа и принцип Ле-Шателье

Скорость химической реакции измеряется изменением концентрации реагирующих веществ в единицу времени. На скорость влияют: концентрация реагентов, температура, давление (для газов), поверхность твёрдого вещества и катализатор. Для гомогенной реакции закон действия масс связывает скорость с концентрациями: для реакции aA+bB→aA + bB \rightarrow продукты v=k⋅[A]a⋅[B]bv = k \cdot [A]^a \cdot [B]^b. Влияние температуры оценивается правилом Вант-Гоффа: при увеличении температуры на каждые 10 ∘C10\ ^\circ\text{C} скорость возрастает в γ\gamma (температурный коэффициент, обычно 22–44) раз, то есть v2/v1=γΔt/10v_2/v_1 = \gamma^{\Delta t/10}. В обратимых реакциях химическое равновесие устанавливается, когда скорости прямой и обратной реакций становятся равными; при изменении внешних условий равновесие смещается в сторону, ослабляющую это воздействие (принцип Ле-Шателье).

📌Пример

Например: в реакции N2+3H2⇌2NH3N_2 + 3H_2 \rightleftharpoons 2NH_3 (экзотермическая) при увеличении давления равновесие смещается в сторону меньшего числа молей газа — в сторону образования NH3NH_3.

Ключевые термины

Скорость реакции — Величина, измеряемая изменением концентрации реагирующих веществ в единицу времени.
Закон действия масс — Для гомогенной реакции aA+bB→aA + bB \rightarrow продукт: v=k⋅[A]a⋅[B]bv = k \cdot [A]^a \cdot [B]^b; скорость прямо пропорциональна произведению концентраций.
Температурный коэффициент (γ\gamma) — Величина, показывающая, во сколько раз возрастает скорость реакции при повышении температуры на 10 ∘C10\ ^\circ\text{C}; обычно равна 22–44.
Правило Вант-Гоффа — Даёт отношение скоростей при изменении температуры: v2/v1=γΔt/10v_2/v_1 = \gamma^{\Delta t/10}.
Химическое равновесие — Динамическое состояние обратимой реакции, при котором скорости прямой и обратной реакций равны.
Принцип Ле-Шателье — При изменении внешнего воздействия равновесие смещается в направлении, ослабляющем это воздействие.
Факторы, влияющие на скорость реакции
ФакторВлияние
Увеличение концентрацииСкорость увеличивается
Повышение температурыСкорость увеличивается (γΔt/10\gamma^{\Delta t/10} раз)
Давление (газы)Концентрация увеличивается, скорость возрастает
Поверхность твёрдого веществаПри увеличении поверхности скорость возрастает
КатализаторСнижает энергию активации, увеличивает скорость

На твёрдые вещества и жидкости давление не влияет; катализатор не смещает равновесие.

Принцип Ле-Шателье: смещение равновесия
ВоздействиеНаправление смещения равновесия
Концентрация реагента увеличиваетсяВ сторону продуктов (вправо)
Продукт выводится из системыВ сторону продуктов (вправо)
Давление увеличиваетсяВ сторону меньшего числа молей газа
Температура увеличиваетсяВ эндотермическом направлении
Температура уменьшаетсяВ экзотермическом направлении

Катализатор и инертный газ (при постоянном объёме) не смещают равновесие.

✎Вант-Гофф: скорость реакции при понижении температуры (γ=2\gamma = 2)
  1. 1Дано: γ=2\gamma = 2; температура снижается с 50 ∘C50\ ^\circ\text{C} до 20 ∘C20\ ^\circ\text{C}.
  2. 2Найти Δt\Delta t: Δt=20−50=−30 ∘C\Delta t = 20 - 50 = -30\ ^\circ\text{C}, то есть понижение на 30 ∘C30\ ^\circ\text{C}.
  3. 3Формула: v2/v1=γΔt/10=230/10=23v_2/v_1 = \gamma^{\Delta t/10} = 2^{30/10} = 2^3.
  4. 4Результат: 23=82^3 = 8, то есть скорость уменьшается в 8 раз.
✎Вант-Гофф: время реакции (γ=2\gamma = 2)
  1. 1Дано: γ=2\gamma = 2; при 10 ∘C10\ ^\circ\text{C} реакция завершается за 60 секунд.
  2. 2Найти Δt\Delta t: 40−10=30 ∘C40 - 10 = 30\ ^\circ\text{C}, следовательно Δt/10=3\Delta t/10 = 3.
  3. 3Коэффициент скорости: Скорость возрастает в γ3=23=8\gamma^3 = 2^3 = 8 раз.
  4. 4Время: Время сокращается в 8 раз: 60/8=7,560/8 = 7{,}5 секунды.
🚫Частая ошибка

Не умножайте γ\gamma на Δt/10\Delta t/10: при γ=2\gamma = 2, Δt=30\Delta t = 30 ответ не 2⋅3=62 \cdot 3 = 6, а 23=82^3 = 8. Правильная формула: γΔt/10\gamma^{\Delta t/10}.

⚠️Внимание

В формуле скорости концентрации перемножаются, а не складываются: для aA+bBaA + bB — v=k⋅[A]a⋅[B]bv = k \cdot [A]^a \cdot [B]^b, степени берутся из коэффициентов.

⚠️Внимание

Давление влияет только на газы. В реакции с участием твёрдого вещества или раствора (например, Zn+CuSO4Zn + CuSO_4) давление не изменяет скорость.

💡Заметка

Для увеличения выхода продукта в экзотермической реакции: высокое давление + низкая температура (например, N2+3H2⇌2NH3+QN_2 + 3H_2 \rightleftharpoons 2NH_3 + Q).

💡Заметка

Катализатор и инертный газ, добавленный при постоянном объёме, не смещают равновесие; катализатор лишь ускоряет его достижение.

Правила

  1. 1Закон действия масс (гомогенная реакция): для aA+bB→aA + bB \rightarrow продукт v=k⋅[A]a⋅[B]bv = k \cdot [A]^a \cdot [B]^b.
  2. 2Правило Вант-Гоффа: v2/v1=γΔt/10v_2/v_1 = \gamma^{\Delta t/10}, где γ\gamma — температурный коэффициент (22–44).
  3. 3При увеличении давления равновесие газовой реакции смещается в сторону меньшего числа молей газа; твёрдые вещества и жидкости на давление не влияют.
  4. 4При повышении температуры равновесие смещается в эндотермическом направлении (поглощение теплоты), при понижении — в экзотермическом.
  5. 5Катализатор в равной мере увеличивает скорости прямой и обратной реакций, не смещает равновесие, а лишь ускоряет его достижение.

Тренировка

15 лёгких · 15 средних · 15 сложных

В каждом тесте — 10 случайных вопросов

ЛёгкийСреднийСложныйМикс