Теория
Скорость реакции показывает, как быстро расходуется исходное вещество или накапливается продукт. Среднюю скорость считают по изменению концентрации за промежуток времени: \(v = \dfrac{|\Delta c|}{\Delta t}\). Концентрацию берут в моль/л, время — в секундах, поэтому единица скорости — моль/(л·с). Для газов вместо концентрации удобно следить за объёмом или давлением, но формула остаётся той же.
Температура влияет на скорость очень сильно: по правилу Вант-Гоффа при изменении температуры на каждые 10 °C скорость меняется в \(\gamma\) раз, то есть \(v_2 = v_1 \cdot \gamma^{\frac{T_2 - T_1}{10}}\). Температурный коэффициент \(\gamma\) обычно лежит в пределах от 2 до 4: нагрев на 30 °C ускоряет реакцию в \(2^3 = 8\) раз, а охлаждение замедляет её во столько же. Из этой же формулы выражают обратную задачу — на сколько градусов изменили температуру, если скорость изменилась в заданное число раз: \(\Delta T = \dfrac{10 \ln(v_2/v_1)}{\ln \gamma}\).
Направление смещения равновесия описывает принцип Ле Шателье: система противодействует внешнему воздействию. Нагревание смещает равновесие в сторону эндотермической реакции, охлаждение — в сторону экзотермической; повышение давления — в сторону меньшего числа молей газа; увеличение концентрации реагента — в сторону продуктов. Катализатор ускоряет и прямую, и обратную реакцию одинаково, поэтому на положение равновесия не влияет — он только сокращает время его достижения.
Важно: не путайте скорость реакции и положение равновесия. Нагревание по правилу Вант-Гоффа ускоряет обе реакции, а по принципу Ле Шателье дополнительно смещает равновесие в сторону эндотермической.
Пример с решением
- Условие. Концентрация реагента уменьшилась с 2 моль/л до 0,5 моль/л за 30 секунд. Найдите среднюю скорость реакции. Во сколько раз она возрастёт при нагревании на 30 °C, если γ = 2?
- Формулы. \(v = \dfrac{|\Delta c|}{\Delta t}\) и \(v_2 = v_1 \cdot \gamma^{\frac{T_2 - T_1}{10}}\).
- Подстановка. \(\Delta c = 2 - 0{,}5 = 1{,}5\) моль/л, \(\Delta t = 30\) с, поэтому \(v = 1{,}5 / 30\). Для нагревания: \(v_2 = v \cdot 2^{30/10}\).
- Вычисление. \(v = 0{,}05\) моль/(л·с); \(v_2 = 0{,}05 \cdot 8 = 0{,}4\) моль/(л·с).
- Ответ. Средняя скорость равна 0,05 моль/(л·с), при нагревании на 30 °C она вырастет в 8 раз. Калькулятор в режиме «Средняя скорость» при c₁ = 2, c₂ = 0,5, t₁ = 0, t₂ = 30 даёт те же значения, а в режиме Вант-Гоффа — множитель 8.
Главное
- Средняя скорость: \(v = |\Delta c| / \Delta t\), единица измерения — моль/(л·с).
- Правило Вант-Гоффа: каждые 10 °C меняют скорость в \(\gamma\) раз; типичные значения \(\gamma\) — от 2 до 4.
- Обратная задача: \(\Delta T = 10 \ln(v_2/v_1) / \ln \gamma\) — по изменению скорости находят изменение температуры.
- Ле Шателье: нагревание смещает равновесие в сторону эндотермической реакции, давление — в сторону меньшего числа молей газа.
- Катализатор ускоряет обе реакции и равновесие не смещает.