Скорость реакции

Для многих реакций повышение температуры на 10 °C примерно удваивает скорость. Поэтому в холодильнике продукты хранятся днями, а на тёплом столе портятся.

Взрыв заканчивается за долю секунды. Ржавление длится годами. Скорость реакции показывает, как быстро расходуются реагенты или образуются продукты, например в молях на литр в секунду. Реакции с одним и тем же уравнением могут идти с совершенно разной скоростью в разных условиях. Значительная часть химии, от приготовления пищи до медицины и промышленности, посвящена управлению этой скоростью.

Теория столкновений

Теория столкновений объясняет скорость реакции тремя положениями. Во-первых, частицы должны встретиться: скорость зависит от частоты столкновений частиц реагентов. Во-вторых, они должны встретиться в правильной ориентации, чтобы будущие связанные атомы оказались друг напротив друга. В-третьих, энергия столкновения должна быть достаточной для преодоления барьера активации. Продукты образуются лишь при соблюдении всех трёх условий. В лаборатории следи за числом столкновений за последние пять секунд и за тем, сколько из них обладало достаточной энергией. В большинстве случаев частицы просто отскакивают друг от друга.

Пять факторов, влияющих на скорость

Прежде всего важна природа реагентов. Небольшие кусочки натрия и железа, оставленные на воздухе, ведут себя совсем по-разному: за ночь натрий реагирует полностью, а железо почти не меняется. Кальций реагирует с водой умеренно, натрий почти взрывным образом. Площадь поверхности важна при реакции твёрдого вещества с жидкостью или газом, ведь реакция идёт только в местах соприкосновения. Большие поленья тлеют, тонкие ветки быстро горят, а взвешенные в воздухе опилки могут сгорать со взрывом. Железный порошок выделяет пузырьки в разбавленной кислоте гораздо быстрее, чем железный гвоздь.

Третий фактор: температура. При нагревании частицы движутся быстрее и чаще сталкиваются, а доля столкновений с достаточной энергией значительно увеличивается. Во многих процессах повышение температуры на 10 °C примерно удваивает скорость. Четвёртый фактор: концентрация. Чем больше частиц в одном объёме, тем чаще столкновения. Фосфор горит в чистом кислороде гораздо быстрее, чем в воздухе, где кислорода лишь около 20%. Пятый фактор: катализатор, вещество, ускоряющее реакцию и не расходующееся в ней. В бутылке пероксид водорода разлагается очень медленно, но на порезе сразу пенится, потому что вещества в тканях действуют как катализаторы.

Как рассчитать влияние температуры

Шведский химик Сванте Аррениус описал зависимость константы скорости k от температуры: k = A·e^(−Eₐ/RT), где R равно 8.314 Дж на моль на кельвин, а T является температурой в кельвинах. Экспоненциальный множитель выражает долю столкновений с достаточной энергией. Она быстро растёт с температурой. Для реакции с энергией активации 50 кДж на моль нагревание от 25 °C до 35 °C увеличивает скорость примерно в 1.92 раза, что близко к правилу удвоения. Охлаждение той же реакции до 0 °C снижает скорость примерно до 0.16 от значения при 25 °C. В последней строке показаний лаборатории отображается результат этого расчёта для выбранной температуры.

В модели частиц энергетический барьер занижен, чтобы реакции происходили за секунды, а не оставались незаметными. Её задача показать закономерность: увеличение скорости частиц, их числа и снижение барьера делают зелёную линию круче. Заметь также, что синяя линия со временем становится более пологой. Реагенты расходуются, частиц A для столкновений остаётся меньше, и реакция сама замедляется даже при постоянной температуре.