ЕГЭ · Химия · Химические реакции: скорость, равновесие, ОВР, электролиз
Скорость химической реакции
От чего зависит скорость: концентрация, температура, катализатор, площадь поверхности. Закон действующих масс и правило Вант-Гоффа с расчётами.
🎯 ЕГЭ химия: этот урок закрывает задание 18 и нужен для задания 22 (равновесие).
- ⚠Считают, что концентрация твёрдого вещества влияет на скорость: она в выражение закона действующих масс не входит
- ⚠Путают влияние давления — оно меняет скорость только там, где есть газообразные реагенты
- ⚠Думают, что катализатор расходуется или смещает равновесие: он лишь снижает энергию активации
- ⚠Считают, что скорость зависит от концентрации продуктов (для прямой реакции — нет)
- ⚠В расчёте по Вант-Гоффу делят разность температур не на 10, а на что-то другое
- ⚠ФИПИ-2025: линия 18 — 61 %, и почти 30 % получили 0 баллов, указав три фактора из четырёх. Спрашивают про любое изменение скорости, а не только про увеличение: понижение температуры и разбавление водой — тоже ответ
Что такое скорость и от чего она зависит
Определение
Скорость гомогенной реакции — изменение концентрации вещества в единицу времени: v = Δc / Δt, единица измерения — моль/(л·с). Для гетерогенной реакции (твёрдое + раствор или газ) скорость относят к единице площади поверхности, поэтому измельчение так сильно ускоряет процесс.
| Концентрация реагентов | растёт число столкновений; для газов то же даёт повышение давления и уменьшение объёма |
|---|---|
| Температура | +10 °C → скорость в 2–4 раза больше (правило Вант-Гоффа): растёт доля молекул с энергией выше энергии активации |
| Катализатор | снижает энергию активации, открывая другой путь реакции; сам не расходуется |
| Площадь поверхности | измельчение твёрдого реагента, перемешивание — для гетерогенных реакций |
| Природа реагентов | Mg реагирует с HCl быстрее, чем Fe, а Cu не реагирует вовсе — она стоит после водорода в ряду активности |
Теория активных соударений: почему скорость меняется так резко
Чтобы реакция произошла, молекулам мало столкнуться. Нужны два условия сразу.
Условие 1. Достаточная энергия. Столкновение должно быть достаточно сильным, чтобы разорвать старые связи. Минимальная энергия, при которой столкновение приводит к реакции, называется энергией активации Eₐ. Молекулы с меньшей энергией просто разлетаются.
Условие 2. Правильная ориентация. Молекулы должны столкнуться «нужными местами». Для сложных молекул это ограничение серьёзное и объясняет, почему реакции в органике идут медленнее, чем ионные в растворе.
Отсюда объяснение всех факторов скорости:
- • Концентрация — больше частиц в объёме, больше столкновений в секунду;
- • Площадь поверхности (для гетерогенных реакций) — реакция идёт только на границе фаз, и измельчение увеличивает эту границу. Для гомогенных реакций этот фактор не существует вовсе;
- • Давление — для газов это то же, что концентрация: сжатие сближает молекулы. Но если в реакции нет газов, давление ничего не меняет, и это главная ловушка задания 18;
- • Температура — и это самое интересное. Скорость молекул растёт всего на несколько процентов при нагреве на 10 градусов, а скорость реакции — в 2–4 раза. Причина в том, что растёт не средняя скорость, а доля молекул, у которых энергии хватает на преодоление барьера: этот «хвост» распределения растёт непропорционально быстро;
- • Катализатор — он не «подталкивает» молекулы, а предлагает другой путь реакции, с меньшей энергией активации. Барьер ниже — доля способных его взять молекул резко больше.
Важное следствие про катализатор. Он снижает барьер одинаково для прямой и обратной реакции, поэтому ускоряет обе и равновесия не смещает. Он лишь помогает достичь равновесия быстрее.
Термины, которые спрашивают: ингибитор — вещество, замедляющее реакцию; ферменты — биологические катализаторы белковой природы, работающие при температуре тела и обладающие высокой избирательностью; гомогенный катализ — катализатор в той же фазе, гетерогенный — в другой (V₂O₅ в производстве серной кислоты, платина в автомобильном нейтрализаторе).
Закон действующих масс
Для простой гомогенной реакции aA + bB → продукты скорость пропорциональна произведению концентраций в степенях, равных коэффициентам: v = k · c(A)ᵃ · c(B)ᵇ. Например, для 2NO + O₂ → 2NO₂ выражение будет v = k · c²(NO) · c(O₂): если концентрацию NO увеличить втрое, скорость вырастет в 3² = 9 раз, а если втрое увеличить концентрацию кислорода — только в 3 раза. Главное правило ЕГЭ: концентрации твёрдых веществ в выражение не входят, потому что реакция идёт только на поверхности и эта поверхность в ходе опыта считается постоянной. Поэтому для C(тв.) + O₂ → CO₂ выражение выглядит просто как v = k · c(O₂), а для реакции Fe + 2HCl → FeCl₂ + H₂↑ скорость зависит от концентрации кислоты и площади железа, но не от «концентрации железа».
Правило Вант-Гоффа
При повышении температуры на каждые 10 градусов скорость увеличивается в γ раз, где γ (температурный коэффициент) = 2–4. Формула: v₂ = v₁ · γⁿ, где n = (t₂ − t₁)/10. Обрати внимание: показатель степени — это число «десяток градусов», а не сама разность температур. Причина такого резкого роста не в увеличении числа столкновений (оно растёт всего на несколько процентов), а в резком росте доли активных молекул — тех, чья энергия превышает энергию активации Ea. Катализатор действует иначе: он не разогревает смесь, а снижает саму Ea, поэтому доля активных молекул растёт при той же температуре.
Разбор примера
Два расчёта: концентрация и температура
(а) Как изменится скорость реакции 2NO + O₂ → 2NO₂, если давление в системе увеличить в 2 раза? (б) Скорость реакции при 20 °C равна 0,040 моль/(л·с), температурный коэффициент γ = 3. Вычислите скорость при 50 °C.
Показать решение по шагам
- 1. (а) Все реагенты газообразны, значит увеличение давления вдвое уменьшает объём вдвое и увеличивает концентрацию каждого газа в 2 раза.
- 2. (а) Закон действующих масс: v = k · c²(NO) · c(O₂). Подставляем удвоенные концентрации: v′ = k · (2c(NO))² · (2c(O₂)) = k · 4c²(NO) · 2c(O₂) = 8 · v.
- 3. (а) Ответ: скорость возрастёт в 8 раз.
- 4. (б) Считаем число «десяток градусов»: (50 − 20)/10 = 3.
- 5. (б) По правилу Вант-Гоффа: v₂ = v₁ · γ³ = 0,040 · 3³ = 0,040 · 27.
- 6. (б) v₂ = 1,08 моль/(л·с) — скорость выросла в 27 раз.
Ответ: (а) в 8 раз; (б) 1,08 моль/(л·с)
Разбор примера
Расчёт: средняя скорость реакции по изменению концентрации
В сосуде объёмом 2,0 л протекает реакция N₂ + 3H₂ → 2NH₃. За 10 секунд количество водорода уменьшилось с 0,60 моль до 0,30 моль. Вычислите среднюю скорость реакции по водороду и по аммиаку.
Показать решение по шагам
- 1. Шаг 1: Скорость гомогенной реакции определяется через концентрацию, а не через количество вещества: v = Δc / Δt, единица измерения — моль/(л·с).
- 2. Шаг 2: Переводим количества в концентрации: c₁(H₂) = 0,60 / 2,0 = 0,30 моль/л; c₂(H₂) = 0,30 / 2,0 = 0,15 моль/л.
- 3. Шаг 3: Изменение: Δc(H₂) = 0,30 − 0,15 = 0,15 моль/л. Для реагента концентрация убывает, но скорость по определению берут по модулю, отрицательной она не бывает.
- 4. Шаг 4: Скорость по водороду: v(H₂) = 0,15 / 10 = 0,015 моль/(л·с).
- 5. Шаг 5: Переходим к аммиаку через коэффициенты: на 3 моль израсходованного водорода образуется 2 моль аммиака. Значит, Δc(NH₃) = 0,15 · 2/3 = 0,10 моль/л, и v(NH₃) = 0,10 / 10 = 0,010 моль/(л·с).
- 6. Шаг 6: Обратите внимание: скорость по разным веществам различается и относится как коэффициенты уравнения. Поэтому, называя скорость, всегда уточняют, по какому веществу она измерена. Единая скорость реакции вводится делением на коэффициент: v = v(H₂)/3 = v(NH₃)/2 = 0,005 моль/(л·с).
- 7. Шаг 7: Частая ошибка — подставить в формулу количества вещества в молях вместо концентраций и получить ответ в «моль/с». Объём сосуда дан в условии именно для перехода к концентрации, и если он есть — его надо использовать. Для гетерогенных реакций всё иначе: там скорость относят к единице площади поверхности, и объём сосуда роли не играет.
Ответ: v(H₂) = 0,015 моль/(л·с); v(NH₃) = 0,010 моль/(л·с).
Разбор примера
Расчёт: закон действующих масс и правило Вант-Гоффа
(а) Как изменится скорость реакции 2NO(г) + O₂(г) → 2NO₂(г), если давление в системе увеличить в 3 раза? (б) Во сколько раз возрастёт скорость реакции при нагревании от 20 до 60 °C, если температурный коэффициент равен 3?
Показать решение по шагам
- 1. Шаг 1: (а) Записываем закон действующих масс с учётом коэффициентов: v = k · c²(NO) · c(O₂). Коэффициенты уравнения становятся показателями степени — это ключевой момент.
- 2. Шаг 2: Увеличение давления в 3 раза означает уменьшение объёма в 3 раза, а значит, концентрация каждого газа растёт в 3 раза.
- 3. Шаг 3: Подставляем: v₂ = k · (3c(NO))² · 3c(O₂) = k · 9c²(NO) · 3c(O₂) = 27 · v₁. Скорость вырастет в 27 раз.
- 4. Шаг 4: Типичная ошибка здесь — умножить на 3 один раз или на 3·3 = 9, забыв про третий множитель. Общее правило: показатель суммарной степени равен сумме коэффициентов реагентов, здесь 2 + 1 = 3, и скорость растёт как 3³.
- 5. Шаг 5: (б) Правило Вант-Гоффа: v₂ / v₁ = γΔt/10, где γ — температурный коэффициент.
- 6. Шаг 6: Δt = 60 − 20 = 40 °C, значит показатель равен 40/10 = 4. Тогда v₂/v₁ = 3⁴ = 81. Скорость вырастет в 81 раз.
- 7. Шаг 7: Проверка смыслом. Каждые десять градусов дают множитель 3, и таких ступеней четыре: 3 · 3 · 3 · 3 = 81. Именно поэтому продукты в холодильнике хранятся во много раз дольше: понижение температуры на 20–30 градусов замедляет порчу в десятки раз. И то же правило объясняет, почему в задании 18 «повышение температуры» всегда среди верных ответов, а «понижение» — никогда.
Ответ: (а) в 27 раз; (б) в 81 раз.
Разбор примера
Разбор задания 18: какие воздействия ускорят реакцию
Из предложенного перечня выберите все внешние воздействия, которые приводят к увеличению скорости реакции цинка с соляной кислотой: Zn(тв.) + 2HCl(р-р) → ZnCl₂(р-р) + H₂(г)↑. 1) понижение температуры; 2) замена гранул цинка цинковым порошком; 3) разбавление раствора кислоты водой; 4) повышение температуры; 5) повышение давления в системе.
Показать решение по шагам
- 1. Шаг 1: Определяем тип реакции по фазам. Цинк твёрдый, кислота в растворе — реакция гетерогенная, идёт на поверхности металла. Это сразу делает важным фактор поверхности.
- 2. Шаг 2: 1) Понижение температуры. Скорость всегда падает при охлаждении. Не подходит.
- 3. Шаг 3: 2) Замена гранул порошком. Площадь поверхности резко растёт, значит растёт и число столкновений на границе фаз. Подходит. Для гомогенной реакции такого варианта не существовало бы вовсе.
- 4. Шаг 4: 3) Разбавление кислоты водой. Концентрация HCl падает, столкновений становится меньше, скорость снижается. Не подходит. Это ловушка для тех, кто читает «добавили воды» как «добавили реагента».
- 5. Шаг 5: 4) Повышение температуры. Растёт доля молекул с энергией выше барьера активации, скорость растёт в разы. Подходит.
- 6. Шаг 6: 5) Повышение давления. Среди реагентов газов нет: цинк твёрдый, кислота в растворе. Давление на скорость не влияет. Не подходит — и это главная ловушка линии 18. Водород в правой части не считается: давление действует на исходные вещества.
- 7. Шаг 7: Ответ 24. Общий приём: сначала посмотрите, есть ли газы среди реагентов (если нет — вариант с давлением сразу отпадает) и есть ли твёрдое вещество (если нет — отпадает вариант с измельчением). Дальше остаются только температура и концентрация, а с ними ошибиться трудно.
Ответ: 24
Ловушки задания 18: катализатор ускоряет и прямую, и обратную реакцию одинаково, поэтому равновесие не смещает. В растворе без газов давление не влияет вообще. Разбавление раствора водой понижает концентрацию → замедляет. Перемешивание помогает только гетерогенным реакциям (подводит свежий реагент к поверхности).
Вопрос на проверку
Что НЕ повлияет на скорость реакции цинка с раствором серной кислоты?
Ответить и проверить себя — после бесплатной регистрации.
Вопрос на проверку
Во сколько раз возрастёт скорость реакции при повышении температуры от 10 до 40 °C, если температурный коэффициент равен 2?
Ответить и проверить себя — после бесплатной регистрации.
Вопрос на проверку
Как записывается закон действующих масс для реакции C(тв.) + O₂ → CO₂?
Ответить и проверить себя — после бесплатной регистрации.
Задание №18 в формате экзамена
Ответить и проверить себя — после бесплатной регистрации.
Задание №18 в формате экзамена
Ответить и проверить себя — после бесплатной регистрации.
Задание №18 в формате экзамена
Ответить и проверить себя — после бесплатной регистрации.
Вопрос с развёрнутым ответом
Объясни, почему повышение температуры на 30 °C ускоряет реакцию в десятки раз, хотя средняя скорость движения молекул растёт всего на несколько процентов.
Ответить и проверить себя — после бесплатной регистрации.
Задание №18 в формате экзамена
Ответить и проверить себя — после бесплатной регистрации.