17.2 Факторы, влияющие на скорость реакции (Factors Affecting Reaction Rates)

Цели обучения

К концу этого раздела вы научитесь:

• описывать влияние химической природы веществ, их физического состояния, температуры, концентрации и катализа на скорости реакций.

Скорости расходования исходных веществ и образования продуктов в химических реакциях изменяются в очень широких пределах. В этом разделе рассматриваются пять факторов, обычно влияющих на скорости химических реакций: химическая природа реагирующих веществ, степень измельчения исходных веществ (один крупный кусок или множество мелких частиц), температура исходных веществ, концентрация исходных веществ и присутствие катализатора.

Химическая природа реагирующих веществ

Скорость реакции зависит от природы участвующих в ней веществ. Внешне похожие реакции могут протекать с различной скоростью в одинаковых условиях — в зависимости от того, какие именно исходные вещества участвуют. Например, если небольшие кусочки железа и натрия выставить на воздух, натрий за ночь полностью прореагирует с воздухом, тогда как железо изменится лишь незначительно. Активные металлы кальций и натрий оба реагируют с водой с образованием газообразного водорода и основания. Однако кальций реагирует с умеренной скоростью, а натрий — настолько быстро, что реакция носит почти взрывной характер.

Физическое состояние исходных веществ

Химическая реакция между двумя или несколькими веществами требует тесного контакта между ними. Если исходные вещества находятся в разных агрегатных состояниях, или фазах (твёрдой, жидкой, газообразной, растворённой), реакция протекает только на границе раздела фаз. Рассмотрим гетерогенную реакцию между твёрдой фазой и жидкой или газообразной фазой. По сравнению со скоростью реакции для крупных твёрдых частиц скорость для более мелких частиц будет выше, поскольку площадь поверхности контакта с другой фазой больше. Например, крупные куски железа реагируют с кислотами медленнее, чем тонкоизмельчённый железный порошок (рис. 17.6). Крупные куски древесины тлеют, более мелкие сгорают быстро, а опилки сгорают со взрывом.

Рис. 17.6. (a) Порошок железа быстро реагирует с разбавленной соляной кислотой и выделяет пузырьки газообразного водорода: \(\ce{2Fe(s) + 6HCl(aq) -> 2FeCl3(aq) + 3H2(g)}\). (b) Железный гвоздь реагирует медленнее, потому что площадь поверхности, контактирующая с кислотой, значительно меньше.

Дополнительно

Посмотрите этот видеоролик — в нём показана реакция цезия с водой при замедленной съёмке и обсуждается, как агрегатное состояние исходных веществ и размер частиц влияют на скорости реакций.

Температура исходных веществ

Химические реакции, как правило, протекают быстрее при более высоких температурах. Пища, оставленная на кухонном столе, может быстро испортиться. Однако более низкая температура внутри холодильника замедляет этот процесс, и та же пища сохраняется свежей в течение нескольких дней. В лаборатории для ускорения реакций, которые при обычных температурах идут медленно, часто используют газовые горелки, электроплитки и сушильные шкафы. Для многих химических процессов скорости реакций приблизительно удваиваются при повышении температуры на \(10\ \text{°C}\).

Концентрации исходных веществ

Скорости многих реакций зависят от концентраций исходных веществ. Обычно скорость возрастает при увеличении концентрации одного или нескольких реагентов. Например, карбонат кальция (\(\ce{CaCO3}\)) разрушается в результате реакции с загрязнителем — диоксидом серы. Скорость этой реакции зависит от содержания диоксида серы в воздухе (рис. 17.7). Будучи кислотным оксидом, диоксид серы соединяется с водяным паром в воздухе и образует сернистую кислоту по следующей реакции:

\[ \ce{SO2(g) + H2O(g) -> H2SO3(aq)} \]

Карбонат кальция реагирует с сернистой кислотой так:

\[ \ce{CaCO3(s) + H2SO3(aq) -> CaSO3(aq) + CO2(g) + H2O(l)} \]

В загрязнённой атмосфере, где концентрация диоксида серы высока, карбонат кальция разрушается быстрее, чем в менее загрязнённом воздухе. Точно так же фосфор горит в атмосфере чистого кислорода намного быстрее, чем на воздухе, в котором кислорода всего около 20 %.

Рис. 17.7. Скульптуры из карбонатных пород — известняка и мрамора — обычно медленно выветриваются со временем под действием воды, а также теплового расширения и сжатия. Однако такие загрязнители, как диоксид серы, могут ускорять выветривание. По мере роста концентрации загрязнителей воздуха разрушение известняка идёт быстрее. (фото: James P Fisher III)

Дополнительно

Фосфор быстро горит на воздухе, но при более высокой концентрации кислорода он будет гореть ещё быстрее. Посмотрите этот видеоролик, где это показано.

Присутствие катализатора

Сравнительно разбавленные водные растворы пероксида водорода \(\ce{H2O2}\) широко применяются как наружные антисептики. Пероксид водорода разлагается с образованием воды и газообразного кислорода по уравнению:

\[ \ce{2H2O2(aq) -> 2H2O(l) + O2(g)} \]

В обычных условиях это разложение протекает очень медленно. Однако когда разбавленный \(\ce{H2O2(aq)}\) выливают на открытую рану, реакция идёт быстро и раствор вспенивается из-за бурного выделения газообразного кислорода. Такое резкое различие вызвано тем, что в обнажённых тканях раны присутствуют вещества, ускоряющие процесс разложения. Вещества, увеличивающие скорость реакции, называются катализаторами (catalysts); эта тема подробнее рассмотрена далее в этой главе.

Дополнительно

Химические реакции происходят, когда молекулы сталкиваются друг с другом и претерпевают химическое превращение. Прежде чем физически проводить реакцию в лаборатории, учёные могут с помощью моделирования на молекулярном уровне предсказать, как обсуждённые выше параметры повлияют на скорость реакции. Используйте интерактивную симуляцию PhET «Reactions & Rates» (ссылка), чтобы исследовать, как температура, концентрация и природа исходных веществ влияют на скорости реакций.