Скорость реакции и факторы, влияющие на неё

Одни реакции проходят за доли секунды (взрыв гремучей смеси, нейтрализация), другие — годами (ржавление железа, выветривание горных пород). Раздел химии, изучающий скорость реакций и её зависимость от условий, называется химической кинетикой. Управлять скоростью — значит ускорять полезные процессы (синтез аммиака) и замедлять вредные (коррозию, порчу продуктов).

Что такое скорость реакции

Скорость гомогенной реакции — изменение концентрации реагента или продукта в единицу времени:

\[ \upsilon = \pm\frac{\Delta c}{\Delta t}, \qquad [\upsilon] = \frac{\text{моль}}{\text{л}\cdot\text{с}} \]

Знак минус берут для реагента (его концентрация уменьшается), плюс — для продукта. Скорость гетерогенной реакции относят к единице площади поверхности раздела фаз. Пример: концентрация \(\ce{H2O2}\) за 20 с уменьшилась с 0,50 до 0,30 моль/л — средняя скорость \(\upsilon = 0{,}20 : 20 = 0{,}010\) моль/(л·с).

Почему реакции идут с разной скоростью

Чтобы прореагировать, частицы должны столкнуться, но реакцией заканчивается лишь малая доля столкновений — те, в которых энергия частиц достаточно велика. Наименьшая энергия, нужная для реакции, — энергия активации \(E_a\): энергетический барьер, который нужно преодолеть, чтобы разорвать старые связи. Чем ниже барьер и чем чаще столкновения, тем выше скорость. Все факторы скорости действуют через эти две величины.

Факторы скорости

Природа реагентов. Чем слабее рвущиеся связи и активнее вещества, тем быстрее реакция. Калий реагирует с водой бурно, магний — только при нагревании; цинк с соляной кислотой — быстрее, чем с уксусной той же концентрации (в уксусной меньше ионов \(\ce{H+}\)); фтор с водородом реагирует со взрывом даже в темноте, иод — медленно и обратимо.

Концентрация. Чем больше частиц в единице объёма, тем чаще столкновения. По закону действующих масс скорость простой реакции \(\ce{aA + bB -> …}\) пропорциональна произведению концентраций в степенях, равных коэффициентам: \(\upsilon = k\,c^a(\ce{A})\,c^b(\ce{B})\), где \(k\) — константа скорости. Концентрации твёрдых веществ в выражение не входят. Для \(\ce{2NO + O2 -> 2NO2}\): \(\upsilon = k\,c^2(\ce{NO})\,c(\ce{O2})\); если концентрацию \(\ce{NO}\) увеличить втрое, скорость вырастет в 9 раз.

Давление влияет только на реакции с участием газов: сжатие газовой смеси в 2 раза увеличивает концентрации газов в 2 раза. На реакции в растворах и между твёрдыми веществами давление не влияет.

Температура. При нагревании растёт доля частиц с энергией выше \(E_a\), и скорость любой реакции — экзо- и эндотермической — увеличивается. По правилу Вант-Гоффа при нагревании на каждые 10 °C скорость растёт в \(\gamma = 2\)–4 раза (\(\gamma\) — температурный коэффициент):

\[ \frac{\upsilon_2}{\upsilon_1} = \gamma^{\frac{t_2 - t_1}{10}} \]

При \(\gamma = 3\) нагревание с 20 до 50 °C ускоряет реакцию в \(3^3 = 27\) раз.

Площадь поверхности важна для гетерогенных реакций: реакция идёт только на границе фаз. Порошок цинка растворяется в кислоте быстрее гранул, угольная пыль может взорваться, а кусок угля горит спокойно.

Катализатор направляет реакцию по другому пути с меньшей энергией активации и ускоряет её, сам не расходуясь. Ингибиторы, наоборот, замедляют реакции (ингибиторы коррозии, антиоксиданты в пищевых продуктах). Катализатор одинаково ускоряет прямую и обратную реакции, поэтому не смещает равновесие и не меняет тепловой эффект.