Скоростта на химичната реакция зависи от фактори, които се свеждат до едно: колко често частиците се сблъскват и каква част от тези сблъсъци са достатъчно енергични, за да доведат до реакция. Пет от тези фактори се проверяват най-често на изпит — концентрация, температура, катализатор, степен на раздробяване на твърдото вещество и налягане при газовите реакции.
Всеки от тях действа по един от двата начина: или увеличава броя на сблъсъците за единица време, или увеличава дела на сблъсъците, които преодоляват активиращата енергия. Катализаторът е единственият, който работи по втория начин, без да пипа нито концентрацията, нито температурата — и точно затова на него се падат най-много въпроси.
Какво измерваме, когато говорим за скорост
Скоростта на реакцията е изменението на концентрацията на изходно вещество или на продукт за единица време. За изходното вещество концентрацията намалява, за продукта расте — затова скоростта обикновено се записва така, че да излиза положително число.
Две уточнения, които спестяват грешки:
- Средната скорост се отнася за интервал от време, а моментната — за един момент. Това са различни числа за една и съща реакция.
- Скоростта не е постоянна. Почти всяка реакция върви най-бързо в началото, когато концентрациите на изходните вещества са най-високи, и се забавя след това.
Кои фактори променят скоростта на химичната реакция
Таблицата събира петте фактора, които трябва да се знаят наизуст — какво прави всеки с бързината на процеса и защо, погледнато на ниво частици.
| Фактор | Посока на промяната | Обяснение на молекулно ниво |
|---|---|---|
| Увеличаване на концентрацията | Скоростта расте | В същия обем има повече частици, значи повече сблъсъци за единица време. Делът на успешните сблъсъци не се променя, но броят им расте. |
| Повишаване на температурата | Скоростта расте, и то силно | Частиците се движат по-бързо — сблъскват се по-често, но много по-важно е, че се увеличава делът на частиците с енергия над активиращата. Затова ефектът е непропорционално голям. |
| Въвеждане на катализатор | Скоростта расте | Реакцията тръгва по друг път, с по-ниска активираща енергия. При същата температура много по-голяма част от сблъсъците стават резултатни. Катализаторът не се изразходва. |
| По-ситно раздробяване на твърдото вещество | Скоростта расте | Само при хетерогенни реакции. Еднаква маса, раздробена на ситно, има многократно по-голяма повърхност, а реакцията протича именно на границата между фазите. |
| Повишаване на налягането (газове) | Скоростта расте | Свиването на обема е същото като повишаване на концентрацията: същият брой молекули в по-малко пространство се сблъскват по-често. При реакции без участие на газове налягането няма ефект. |
Към тези пет учебните програми добавят и природата на реагиращите вещества — колко здрави са връзките, които трябва да се разкъсат. Това е единственият фактор, който не може да се „настрои“ отвън: той е даденост на конкретната реакция.
Как се чете графиката на концентрацията във времето
Задачите рядко искат число. Почти винаги искат да се прочете наклон.
Ако по вертикалната ос е концентрацията на изходно вещество, кривата тръгва високо и пада. В началото е най-стръмна — там скоростта е най-голяма. С времето се изглажда, защото изходното вещество се изчерпва. Ако по вертикалната ос е продукт, кривата върви огледално: расте бързо, после излиза на плато.
- Стръмен участък — голяма скорост.
- Полегат участък — малка скорост.
- Хоризонтален участък — реакцията е спряла или системата е достигнала равновесие. Графиката сама по себе си не казва кое от двете.
Класическа грешка е да се сравняват две криви по това къде са разположени, вместо по наклона им. Една крива може да е по-ниско и въпреки това да спада по-бавно. Точно това се проверява, когато се дадат две графики за една реакция при различни температури. В уроците по химия тази част се упражнява с реални графики, защото четенето ѝ не се научава от определение.
Скорост и равновесие: двете се бъркат системно
Скоростта казва колко бързо се стига до някакво състояние. Равновесието казва докъде се стига. Това са два различни въпроса и отговорът на единия не се отнася за другия.
Факторите по-горе също имат два ефекта, които трябва да се държат отделно:
- Повишаването на температурата ускорява реакцията и измества равновесието — накъде, зависи от това дали правата реакция е екзотермична или ендотермична.
- Повишаването на налягането при газове ускорява реакцията и измества равновесието — към страната с по-малко газови молекули.
- Катализаторът ускорява реакцията, но не измества равновесието.
Катализаторът е мястото, където разликата се вижда най-ясно, и затова е любим на съставителите на тестове. Той ускорява еднакво правата и обратната реакция. Системата стига до същото равновесно състояние — просто по-бързо. Добивът не се променя; променя се времето.
Ако въпросът пита „как ще се промени добивът“, катализаторът е грешен отговор. Ако пита „как ще се промени скоростта“ или „за колко време ще се установи равновесие“, катализаторът е верният.
Две кратки задачи за преценка
Задача 1. Цинк реагира със солна киселина. В единия опит металът е на гранули, в другия — същата маса, стрита на прах. Киселината е с еднаква концентрация и температура. Как се различават двата опита?
Разсъждение: реакцията е хетерогенна и протича на повърхността на метала. Прахът има много по-голяма обща повърхност, значи повече точки на контакт и по-голяма скорост. Количеството отделен газ накрая обаче е едно и също — масата цинк не се е променила. Ускорява се процесът, не се увеличава добивът.
Задача 2. Газова реакция протича в затворен съд. Без да се мени температурата, обемът на съда се намалява наполовина. Какво става със скоростта?
Разсъждение: същият брой молекули в половин обем означава двойно по-висока концентрация на всеки реагент. Повече частици в единица обем означава повече сблъсъци за единица време, следователно по-голяма скорост. Ако реакцията е обратима, успоредно с това се измества и равновесието — към страната с по-малко газови молекули. Двата ефекта се описват отделно.
Какво точно влиза за конкретната година
Темата присъства както в училищния материал, така и в програмите за кандидатстудентските изпити по химия, но обхватът не е еднакъв навсякъде. На едни места се иска само качествено обяснение на факторите; на други — и законът за действие на масите, механизмът на реакцията и количествени задачи.
Затова проверявайте в официалния конспект на университета, за който се подготвяте, и в учебно-изпитната програма на МОН за съответната година — те се обновяват и формулировките им се менят. Ако темата влиза в подготовката ви за матурата по химия, обхватът се определя от програмата за профилирана или за общообразователна подготовка, според това кой изпит ще полагате.
Практическата част обаче е една и съща навсякъде: факторите се знаят заедно с обяснението си, графиката се чете по наклон, а скоростта и равновесието се държат разделени в главата.
