Скорость химической реакции

Скорость химической реакции · Тема 9 / 35

Скорость химической реакции

Этот урок проведём вместе с простывшим учеником, который весь день дома: утром шипучая таблетка растворяется с разной скоростью в холодной и тёплой воде, днём бабушка чистит чайник от накипи лимонной кислотой, вечером дедушка показывает, как перекись водорода пенится на ломтике картофеля. Научимся вычислять скорость реакции, узнаем, как на неё влияют концентрация, температура, поверхность и катализатор, и решим задания ГЭЦ.

≈ 45 минутГлав: 4Заданий ГЭЦ: 3материал 8–11 классов

После урока ты сможешь

• вычислять среднюю скорость реакции по изменению концентрации;
• связывать скорости по разным веществам через коэффициенты;
• рассчитывать влияние концентрации и давления по закону действующих масс;
• находить изменение скорости и времени по правилу Вант-Гоффа;
• объяснять роль площади соприкосновения, природы веществ и катализатора.

Перед началом вспомни

• Количество вещества и молярная концентрация: n = m/M, c = n/V.
• Химические уравнения и коэффициенты.
• Степени: 2³ = 8, 3³ = 27.

Содержание

1. ВведениеСитуация: два стакана — две скоростиистория и предположение
2. Глава 1Скорость реакции и её расчётv = Δc/Δτ, коэффициенты, график
3. Глава 2Влияние концентрации. Закон действующих массстолкновения, v = k[A]ᵃ[B]ᵇ, давление
4. Глава 3Влияние температуры. Правило Вант-ГоффаEa, эффективные столкновения, γ
5. Глава 4Площадь соприкосновения, природа веществ и катализаторповерхность, активность, катализатор и ферменты
6. ИтогиЗапомникраткий итог и типичные ошибки
7. ИтогиСамостоятельная работазаданий: 6, от простых к сложным

Введение

Ситуация: два стакана — две скорости

История

Февральское утро. Ученик 9 класса простыл и сегодня сидит дома. Мама даёт ему шипучую таблетку витамина C. Вода из-под крана очень холодная — 10 °C. Мама бросает таблетку в стакан: она медленно шипит. Ученик бросает вторую таблетку в тёплую воду из чайника — 40 °C: эта таблетка бурно пенится и быстро «тает».

В таблетке есть лимонная кислота и сода; в воде они реагируют, выделяются пузырьки CO₂. В холодной воде таблетка растворяется за 4 минуты. Допустим, что при повышении температуры на каждые 10 °C скорость этой реакции растёт в 2 раза. За сколько секунд таблетка растворится в тёплой воде?

В холодной воде пузырьков мало и они медленные, в тёплой таблетка пенится и быстро уменьшается.Сначала предположи

Как ты думаешь, за сколько секунд таблетка растворится в воде при 40 °C? Ответ рассчитаем в 3-й главе.

Одни реакции идут мгновенно (взрыв, нейтрализация), другие — годами (ржавление железа, выветривание горных пород). Химику очень важно знать скорость реакции и управлять ею: на заводе продукт нужен быстро, а дома, наоборот, нужно замедлить порчу продуктов. В этом уроке научимся вычислять скорость и изучим четыре влияющих на неё фактора — концентрацию, температуру, площадь соприкосновения и катализатор.

Глава 1

Скорость реакции и её расчёт

История

В полдень бабушка чистит старый чайник от накипи. Она наливает воду, высыпает пакетик лимонной кислоты и кипятит: белая накипь на дне — карбонат кальция — с шипением растворяется. Ученику интересно, и он каждую минуту берёт каплю раствора и пытается измерить концентрацию кислоты (в школе он изучал титрование).

Вначале концентрация кислоты была 0,50 моль/л, а через 5 минут стала 0,20 моль/л. С какой скоростью идёт реакция — как это выразить числом?

Кислота растворяет накипь, поднимаются пузырьки; панель показывает, как падает концентрация кислоты.

По ходу реакции исходные вещества расходуются, продукты накапливаются. Скорость измеряют изменением концентрации вещества за единицу времени.

Скорость реакции

Средняя скорость гомогенной реакции — изменение концентрации одного из участвующих веществ за единицу времени: v = Δc / Δτ (моль/(л·с)). Концентрация исходного вещества уменьшается, продукта — растёт; скорость всегда берут положительной. В гетерогенной реакции скорость относят к единице площади соприкосновения: v = Δn / (S · Δτ).

v = Δc / Δτ = Δn / (V · Δτ)

Анимация · концентрация меняется со временемЗа первые 20 секунд концентрация A уменьшается на 0,75 моль/л, за следующие 20 — всего на 0,19 моль/л: по мере расхода реагента реакция замедляется. Поэтому «средняя скорость» всегда относится к определённому промежутку времени.История

Вопрос про чайник. Δc = 0,50 − 0,20 = 0,30 моль/л, Δτ = 5 мин = 300 с. v = 0,30 : 300 = 0,001 моль/(л·с) (или 0,06 моль/(л·мин)). Реакция гетерогенная — кислота касается накипи только по поверхности; поэтому бабушка кипятит чайник и иногда встряхивает его: температура и свежая поверхность ускоряют реакцию (главы 3 и 4).

Скорость и коэффициенты

Скорости одной реакции, вычисленные по разным веществам, относятся как коэффициенты в уравнении. Например, для 2SO₂ + O₂ → 2SO₃v(SO₂) : v(O₂) : v(SO₃) = 2 : 1 : 2.

Так спрашивают на экзаменеГЭЦ · 01.06.2025

В гомогенной реакции A₂ + 2B → 2C за некоторое время концентрация A₂ уменьшилась с 0,25 моль/л до 0,22 моль/л. Вычислите, на сколько (моль/л) за это время уменьшилась концентрация B.

A₂ + 2B → 2CΔc(A₂) = 0,03 моль/лΔc(B) = 2 · 0,03 = 0,06 моль/лA) 0,06B) 0,03C) 0,25D) 0,5E) 0,125

1. Израсходованная концентрация A₂: 0,25 − 0,22 = 0,03 моль/л.
2. По уравнению 1 моль A₂ реагирует с 2 моль B: Δc(B) = 2 · 0,03 = 0,06 моль/л.Почему так?

   Реакция гомогенная, объём один — изменения концентраций тоже относятся как 1 : 2.

3. Ответ: 0,06 (вариант A).

Официальное пояснение ГЭЦ (01.06.2025)

Израсходованная концентрация A₂: 0,25 – 0,22 = 0,03 моль/литр Вещества B расходуется в 2 раза больше, чем A₂, то есть 0,03 · 2 = 0,06 моль/литр.Источник: пояснение ГЭЦ (перевод с азербайджанского) — 01.06.2025, IV группа специальностей (PDF)

Так спрашивают на экзаменеГЭЦ · 07.06.2026

Зависимость количества (моль) исходных веществ и продуктов от времени в реакции 2CO+O₂ → 2CO₂, протекающей в сосуде объёмом 1 литр, показана на графике: Вычислите a (1), b (2) и скорость реакции по CO за первые 20 секунд (моль/(л·с)) (3).

Рисунок меняется вместе с шагами.

1. На графике две кривые убывают от 7 моль — это исходные вещества (CO и O₂), кривая, растущая от 0, — CO₂. За 20 секунд образовалось 6 моль CO₂.Почему так?

   CO убывает быстрее, потому что его коэффициент в уравнении вдвое больше, чем у O₂.

2. 2CO + O₂ → 2CO₂: на 6 моль CO₂ расходуется 6 моль CO: a = 7 − 6 = 1.
3. O₂ — вдвое меньше, 3 моль: b = 7 − 3 = 4.
4. Скорость по CO (V = 1 л): v = 6 моль : (1 л · 20 с) = 0,3 моль/(л·с). Внимание: в оригинале пояснения ГЭЦ после точки нет пробела, а выражение «больше израсходовав» неточно — по смыслу «израсходовав»; в переводе эти места опущены.Почему так?

   В сосуде объёмом 1 л число моль численно равно концентрации.

5. Ответ: 1) 1; 2) 4; 3) 0,3.

Официальное пояснение ГЭЦ (07.06.2026)

Как видно из графика, оба вступающих в реакцию вещества остались в избытке. … За первые 20 секунд … израсходовав 7 - aмоль CO и 7 - bмоль O₂, образовалось 6 моль CO₂. Вычисление a (1): (7-a) моль --------- 6 моль 2CO + O₂ → 2CO₂ 2 моль ---------- 2 мольa=1 Вычисление b (2): (7-b) моль --- 6 моль 2CO + O₂ → 2CO₂ 1 моль ----- 2 мольb=4 Вычисление скорости по CO (3): υ= 6моль/(1л · 20с) = 0,3 моль/(л · с) 1)1 2) 4 3) 0,3Источник: пояснение ГЭЦ (перевод с азербайджанского) — 07.06.2026, I группа специальностей (PDF)

Проверь себя

В реакции 2SO₂ + O₂ → 2SO₃ за 15 секунд концентрация SO₂ снизилась с 0,8 до 0,5 моль/л. Какова средняя скорость по SO₂ (моль/(л·с))?

v = (0,8 − 0,5) : 15.

Глава 2

Влияние концентрации. Закон действующих масс

Чтобы прореагировать, молекулы должны столкнуться. Чем больше частиц в единице объёма, тем чаще столкновения — реакция ускоряется. Поэтому лучина на воздухе тлеет, а в чистом кислороде вспыхивает.

Анимация · концентрация и столкновенияВ правом сосуде частиц A вдвое больше — вдвое чаще и столкновения A с B, и скорость реакции.Закон действующих масс

При постоянной температуре скорость реакции прямо пропорциональна произведению концентраций реагирующих веществ (в степенях, равных коэффициентам уравнения). Для aA + bB → …v = k · [A]ᵃ · [B]ᵇ; k — константа скорости (зависит от природы веществ и температуры, но не от концентрации). Концентрации твёрдых веществ в выражение не входят: для C(тв) + O₂ → CO₂v = k[O₂].

Для газов повышение давления (уменьшение объёма) увеличивает концентрации всех газов в одинаковое число раз. Внимание: в школьном курсе закон формально применяют к любому уравнению; строго он верен только для реакций, идущих в одну стадию (элементарных).

Пример 1

2NO(г) + O₂(г) → 2NO₂(г). Как изменится скорость реакции, если давление смеси увеличить в 3 раза?

1. v₁ = k[NO]²[O₂].
2. При увеличении давления в 3 раза концентрация каждого газа растёт в 3 раза: v₂ = k(3[NO])²(3[O₂]) = 27 · k[NO]²[O₂].Почему так?

   У NO коэффициент 2, поэтому его концентрация входит в квадрате: 3² = 9.

3. Ответ: увеличится в 27 раз.

Так спрашивают на экзаменеГЭЦ · 07.06.2026

Сравните скорости реакций, протекающих при одинаковой температуре в закрытых сосудах равного объёма. Aᵣ(N)=14, Aᵣ(H)=1

Рисунок меняется вместе с шагами.A) v₁> v₂> v₃B) v₂> v₃> v₁C) v₃>v₂>v₁D) v₁=v₂=v₃E) v₃> v₁> v₂

1. Уравнение: N₂ + 3H₂ ⇄ 2NH₃, v = k[N₂][H₂]³. Температура и объём одинаковы, поэтому k одна и та же, а вместо концентраций можно брать числа моль.Почему так?

   Внимание: реакция N₂ + 3H₂ на самом деле многостадийная, v = k[N₂][H₂]³ — формальная запись школьного курса; ГЭЦ применяет её так же.

2. Числа моль: 14 г N₂ = 14 : 28 = 0,5 моль; 14 г H₂ = 14 : 2 = 7 моль.
3. v₁ = k · 0,5 · 7³ = 171,5k; v₂ = k · 0,5 · 14³ = 1372k; v₃ = k · 14 · 7³ = 4802k.
4. v₃ > v₂ > v₁.
5. Ответ: v₃>v₂>v₁ (вариант C).

Официальное пояснение ГЭЦ (07.06.2026)

Реакция протекает при одинаковой температуре в сосудах одинакового объёма. Так как реакция идёт между одними и теми же веществами при одной температуре, константа скорости (k) не меняется. Сравним скорости, применив закон действующих масс. Поскольку объёмы сосудов равны, при сравнении вместо концентрации можно использовать количество вещества. 14 г N₂ = 0,5 моль 14 г H₂ = 7 моль v₁ = k·[N₂]·[H₂]³ = k·0,5·7³ v₂ = k·[N₂]·[H₂]³ = k·0,5·14³ = k·4·7³ v₃ = k·[N₂]·[H₂]³ = k·14·7³ Из сравнения выражений видно, что v₃>v₂>v₁Источник: пояснение ГЭЦ (перевод с азербайджанского) — 07.06.2026, IV группа специальностей (PDF)

Проверь себя

В реакции 2A(г) + B(г) → C концентрацию A увеличили в 2 раза, концентрацию B не меняли. Во сколько раз вырастет скорость?

v = k[A]²[B].

Глава 3

Влияние температуры. Правило Вант-Гоффа

Не каждое столкновение приводит к реакции: чтобы разорвать старые связи, энергия частиц должна превышать определённый порог — энергию активации (Ea). Такие столкновения называют эффективными. При повышении температуры частицы движутся быстрее, и доля частиц с высокой энергией резко растёт.

Анимация · температура и энергичные частицыПри небольшом повышении температуры доля частиц с энергией выше Ea растёт в несколько раз — поэтому скорость очень сильно зависит от температуры.Правило Вант-Гоффа

При повышении температуры на каждые 10 °C скорость реакции возрастает в 2–4 раза: v₂ / v₁ = γ^((t₂ − t₁)/10); γ — температурный коэффициент. Время протекания реакции обратно пропорционально скорости: v₂ / v₁ = τ₁ / τ₂.

v₂ / v₁ = γ(t₂ − t₁)/10 = τ₁ / τ₂

История

Вопрос про таблетку. t₂ − t₁ = 40 − 10 = 30 °C, v₂ / v₁ = 2³ = 8. Время обратно пропорционально скорости: τ₂ = 240 с : 8 = 30 с. И правда, в тёплой воде таблетка «отшипела» за полминуты. По той же причине продукты хранят в холодильнике: при 4 °C реакции, из-за которых они портятся, идут в несколько раз медленнее, чем при комнатной температуре.

Пример 2

Температурный коэффициент реакции γ = 3. При 20 °C реакция заканчивается за 9 минут. Сколько она продлится при 50 °C?

1. v₂ / v₁ = 3^((50 − 20)/10) = 3³ = 27.
2. τ₂ = τ₁ : 27 = 540 с : 27 = 20 с.Почему так?

   Если скорость выросла в 27 раз, то же количество вещества израсходуется в 27 раз быстрее.

3. Ответ: 20 секунд.

В лаборатории меняй температуру воды и γ: как меняется время растворения таблетки? При 10 °C время 4 минуты.

Лаборатория · правило Вант-Гоффатемпература воды40 °CПроверь себя

Температуру реакции с γ = 2 подняли с 30 °C до 70 °C. Во сколько раз вырастет скорость?

Δt = 40 °C — четыре раза по 10 градусов: 2⁴.

Глава 4

Площадь соприкосновения, природа веществ и катализатор

История

Вечером ученик падает во дворе и царапает колено. Дедушка протирает ранку перекисью водорода (H₂O₂, 3 %) — ранка покрывается белой пеной. Ученик спрашивает: «А почему во флаконе она не пенится?» Дедушка нарезает на кухне сырой картофель и капает на ломтик немного H₂O₂: ломтик сразу покрывается пеной. А в стакане H₂O₂ остаётся спокойной.

Пена — это выделяющийся кислород: 2H₂O₂ → 2H₂O + O₂↑. Что есть в крови и в картофеле такого, что ускоряет эту реакцию в тысячи раз? Дедушка налил на ломтик около 3,4 г 3 %-го раствора; если он полностью разложится, сколько мл кислорода (н. у.) выделится?

На ломтике картофеля H₂O₂ пенится; в круге фермент превращает две молекулы H₂O₂ в воду и кислород.

Гетерогенная реакция идёт только на границе фаз. Чем мельче раздроблено твёрдое вещество, тем больше его поверхность: поэтому сахарная пудра растворяется быстрее, стружка загорается легче, а мучная пыль может даже взорваться.

Анимация · при измельчении растёт поверхностьПоверхность кубика с ребром 2 см — 6 · 2² = 24 см². Разделим на 8 кубиков — 8 · 6 · 1² = 48 см², на 27 — 27 · 6 · (2/3)² = 72 см². Масса та же, а поверхность реакции растёт.

Скорость зависит и от природы реагирующих веществ: в одной и той же соляной кислоте магний реагирует бурно, цинк спокойно, железо очень медленно, а медь не реагирует вовсе. Разница — в активности металлов.

Катализатор

Катализатор — вещество, которое ускоряет реакцию, но к концу реакции остаётся неизменным по количеству и составу. Он ведёт реакцию другим путём — с меньшей энергией активации. Катализатор не смещает равновесие и не меняет тепловой эффект. Вещества, замедляющие реакцию, — ингибиторы. В живом организме катализаторы — белки-ферменты: каталаза разлагает H₂O₂, амилаза — крахмал.

Анимация · катализатор понижает «горку»С катализатором энергия активации меньше: эффективных столкновений больше. Начальный и конечный уровни не меняются — тепловой эффект тот же.История

Вопрос дедушки. В крови и в картофеле есть фермент каталаза — он резко снижает энергию активации разложения H₂O₂, и реакция ускоряется в тысячи раз. Во флаконе фермента нет, H₂O₂ разлагается понемногу месяцами (поэтому её хранят в тёмном флаконе). Расчёт: m(H₂O₂) = 3,4 · 0,03 = 0,102 г, n = 0,102 : 34 = 0,003 моль, n(O₂) = 0,003 : 2 = 0,0015 моль, V = 0,0015 · 22 400 = 33,6 мл. Этот небольшой объём делится в воде на тысячи пузырьков — так и получается пена.

Пример 3

В лаборатории кислород получают из H₂O₂ в присутствии MnO₂. Какова роль MnO₂ и сколько литров O₂ (н. у.) получится при разложении 6,8 г H₂O₂?

1. 2H₂O₂ MnO₂→ 2H₂O + O₂↑: MnO₂ — катализатор, его пишут над стрелкой, после реакции он остаётся неизменным.Почему так?

   Катализатор не увеличивает количество продукта — лишь ускоряет его получение.

2. n(H₂O₂) = 6,8 : 34 = 0,2 моль → n(O₂) = 0,1 моль → V = 2,24 л.
3. Ответ: MnO₂ — катализатор; 2,24 л O₂.

Проверь себя

Кубик с ребром 1 см разрезали на кубики с ребром 0,5 см. Какой станет общая поверхность (см²)?

8 кубиков · 6 граней · 0,5² см².

Итоги

Запомни

• Средняя скорость: v = Δc / Δτ (моль/(л·с)); в гетерогенной реакции — на единицу поверхности.
• Скорости по разным веществам относятся как коэффициенты уравнения.
• Закон действующих масс: v = k[A]ᵃ[B]ᵇ; твёрдые вещества не записывают; при росте давления в n раз концентрация каждого газа растёт в n раз.
• Вант-Гофф: v₂/v₁ = γ^((t₂ − t₁)/10), γ = 2–4; время обратно пропорционально скорости: v₂/v₁ = τ₁/τ₂.
• Реакция идёт только при эффективных столкновениях — частиц с энергией больше Ea.
• Измельчение увеличивает поверхность; катализатор уменьшает Ea, не меняет равновесие и Q; ферменты — биологические катализаторы.

Типичные ошибки

«Если увеличить количество твёрдого вещества, по v = k[A][B] скорость вырастет».

Концентрация твёрдого вещества в выражение не входит; на скорость влияет не его количество, а поверхность.

«При повышении температуры на 30 °C и γ = 2 скорость вырастет в 6 раз».

Правило Вант-Гоффа степенное: 2^(30/10) = 2³ = 8 раз.

«Если скорость выросла, время реакции тоже выросло».

Наоборот: время обратно пропорционально скорости — если скорость выросла в 8 раз, время сократилось в 8 раз.

«Катализатор расходуется в реакции и даёт больше продукта».

Катализатор после реакции остаётся неизменным и не увеличивает количество продукта — лишь позволяет получить его быстрее.

Итоги

Самостоятельная работа

Задания расположены от простых к сложным. Сначала реши сам, потом выбери вариант; пояснение откроется после ответа.

1 · Уровень 1

Какой фактор не увеличивает скорость реакции?

Ингибитор замедляет реакцию.

2 · Уровень 1

В каких единицах измеряют скорость реакции?

Изменение концентрации (моль/л) за время (с).

3 · Уровень 2

В реакции C(тв) + O₂(г) → CO₂(г) концентрацию кислорода увеличили в 3 раза. Как изменится скорость?

v = k[O₂] — углерод твёрдый, в выражение не входит.

4 · Уровень 2

В реакции N₂ + 3H₂ → 2NH₃ за 10 секунд концентрация H₂ уменьшилась на 0,6 моль/л. Какова средняя скорость по N₂ (моль/(л·с))?

v(H₂) = 0,06; v(N₂) = v(H₂) : 3 = 0,02.

5 · Уровень ГЭЦ

На сколько градусов нужно повысить температуру реакции с γ = 3, чтобы скорость выросла в 81 раз?

3^(Δt/10) = 81 = 3⁴ → Δt = 40 °C.

6 · Уровень ГЭЦ

В реакции 2A(г) + B(г) → 2C(г) объём сосуда уменьшили в 2 раза. Во сколько раз вырастет скорость?

Концентрация каждого газа растёт в 2 раза: 2² · 2 = 8.

Экзаменационные задания и официальные пояснения — ГЭЦ (PDF на азербайджанском языке, в уроке — в переводе):

1. 01.06.2025, IV группа специальностей (PDF) — вариант A, 34; B-52, C-32, D-43
2. 07.06.2026, I группа специальностей (PDF) — вариант A, 88; B-88, C-88, D-88
3. 07.06.2026, IV группа специальностей (PDF) — вариант A, 41; B-40, C-40, D-44

История, сцены, примеры, задания «Проверь себя» и «Самостоятельная работа» — наши, не из материалов ГЭЦ. Задания и пояснения ГЭЦ даны в переводе с азербайджанского; знак «…» обозначает пропущенную часть.