Скорость химической реакции проверяется в задании 18 ЕГЭ по химии. Разберём, от каких именно параметров зависит скорость и как применять эти знания на практике. После изучения статьи ты сможешь избегать типичных ловушек составителей экзамена и уверенно решать тестовые задания.
Формулировки задания 18 ЕГЭ
В этом номере нужно выбрать все подходящие варианты ответов, что полностью исключает возможность угадывания правильных цифр.
В экзаменационных бланках встречаются формулировки:
- «Выберите все реакции, скорость которых зависит от давления».
- «Выберите все способы увеличить скорость приведенной химической реакции».
- «Выберите все воздействия, которые не приводят к изменению скорости реакции».
- «Выберите реакции, которые при обычных условиях протекают быстрее, чем предложенная».
Определение скорости химической реакции
Скорость химической реакции показывает изменение концентрации реагирующих веществ за определённый промежуток времени.
Разберём главные факторы, которые могут ускорить или замедлить процесс.
Зависимость от концентрации реагирующих веществ
Теория столкновений говорит прямо: чем больше частиц находится в заданном объёме, тем чаще они сталкиваются. Увеличение концентрации реагентов приводит к увеличению скорости реакции.
Повышение концентрации работает только для растворов и газов. Если в реакционной смеси участвует твёрдое вещество, его концентрацию увеличить невозможно.
Плотность твёрдого куска железа является постоянной величиной. Добавление дополнительной порции твёрдого реагента никак не изменит скорость процесса.
Если в реакцию вступают два газа, можно добавить в реактор порцию одного из них. Взаимодействие пойдёт быстрее. Если мы берём раствор кислоты, то использование более концентрированного раствора (например, 20% вместо 5%) также увеличит скорость взаимодействия.
Изменение концентрации продуктов реакции не влияет на скорость реакции.
Зависимость от давления
Этот параметр тесно связан с концентрацией и касается исключительно газообразных веществ.
Увеличение давления газа равносильно уменьшению объёма реактора. Если мы сжимаем газ, молекулы оказываются ближе друг к другу. Концентрация газа в единице объёма возрастает, частота столкновений увеличивается, поэтому реакция ускоряется. И наоборот, снижение давления замедляет химический процесс.
Давление влияет на скорость реакции только в том случае, если в левой части уравнения (среди исходных веществ) есть хотя бы один газ. Газы в продуктах реакции роли не играют.
Например, при реакции твёрдого цинка с раствором соляной кислоты активно выделяется газообразный водород. Но изменение давления в лаборатории никак не отразится на скорости процесса, потому что среди исходных реагентов газов нет.
Зависимость от температуры
Некоторые реакции при комнатной температуре протекают крайне медленно. Классическим примером служит смесь водорода и кислорода. Но стоит поднести искру или нагреть эту смесь, как происходит направленный взрыв.
При нагревании реакционного сосуда молекулы получают дополнительную тепловую энергию. Они начинают двигаться быстрее. Возрастает сила их ударов друг о друга. Поэтому повышение температуры увеличивает скорость любой химической реакции.
Правило Вант-Гоффа гласит: при повышении температуры на каждые 10 °C скорость большинства химических реакций возрастает в 2–4 раза.
Понижение температуры всегда вызывает замедление химических взаимодействий. Именно для этого мы кладём скоропортящиеся продукты в холодильник — мы искусственно замедляем химические процессы гниения.
Зависимость от площади соприкосновения реагирующих веществ
Этот фактор применим только к гетерогенным реакциям. Если хотя бы один из реагентов находится в твёрдом агрегатном состоянии, реакция идёт исключительно на его поверхности. Молекулы жидкой кислоты не могут мгновенно проникнуть в центр монолитного куска мрамора.
Если взять молоток и разбить кусок мрамора на мелкие осколки, суммарная площадь поверхности возрастёт многократно. Мелкий порошок будет реагировать с кислотой в разы быстрее, чем крупный монолитный кусок.
Слова-маркеры в задании, которые всегда указывают на увеличение скорости реакции твёрдого вещества: «измельчение», «растирание в порошок». Измельчить газ или раствор физически невозможно.
Зависимость от природы реагирующих веществ
Различные химические вещества обладают разной внутренней реакционной способностью. Она зависит от прочности химических связей внутри молекулы, размера радиуса атома и электроотрицательности.
Оценивать и сравнивать этот фактор нужно для каждой конкретной темы.
- При щелочном гидролизе галогеналканов реакция с иодалканами пойдёт быстрее, чем с хлоралканами (связь углерод-иод разорвать легче).
- При реакции металлов с водой калий будет реагировать со взрывом, кальций вступает в реакцию медленнее, а железо реагирует только при очень сильном нагревании с водяным паром. Причина кроется в активности самих металлов по электрохимическому ряду напряжений.
- Сильные неорганические кислоты (соляная, азотная, серная) всегда реагируют с металлами или карбонатами быстрее слабой уксусной кислоты той же концентрации. Сильные кислоты полностью диссоциируют на ионы, что даёт высокую концентрацию ионов водорода.
Зависимость от наличия катализатора или ингибитора
Катализатор — это вещество, которое увеличивает скорость химической реакции, участвует в её промежточных стадиях, но к концу процесса остаётся в неизменном количестве и состоянии.
Катализатор создаёт обходной путь для реакции, требующий меньших затрат энергии активации. Наличие катализатора способно заставить идти реакцию, которая без него протекала бы годами. Классический пример из органической химии: присоединение воды к этилену с образованием спирта идёт только в присутствии кислотного катализатора.
Обратными свойствами обладают ингибиторы. Эти вещества целенаправленно добавляют в смесь, чтобы замедлить или остановить химическую реакцию. С их помощью предотвращают коррозию металлов или нежелательное окисление продуктов.
Катализатор и ингибитор влияют на скорость только каталитических реакций.
Разбор типичных заданий ЕГЭ
Закрепим изученные правила на реальных примерах из открытого банка ФИПИ. Постарайся перед прочтением разбора самостоятельно сформулировать ответ.
Пример № 1
Из предложенного перечня внешних воздействий выберите все воздействия, которые приводят к увеличению скорости реакции твёрдого мрамора с водным раствором соляной кислоты:
- Охлаждение реакционной смеси.
- Нагревание реакционной смеси.
- Разбавление раствора кислоты.
- Измельчение мрамора.
- Увеличение давления в реакционном сосуде.
- Анализируем реагенты. Мрамор — твёрдое вещество (карбонат кальция). Соляная кислота — раствор (жидкая фаза). Система является гетерогенной.
- Охлаждение всегда замедляет скорость, а нагревание всегда ускоряет любую реакцию. Вариант 2 подходит.
- Разбавление раствора кислоты означает добавление очищенной воды. Концентрация реагента снижается, частота столкновений падает, процесс замедляется.
- Измельчение мрамора увеличит площадь соприкосновения твёрдого вещества с жидкой кислотой. Реакция пойдёт быстрее. Вариант 4 подходит.
- Анализируем влияние давления. Этот фактор влияет только на газы в левой части уравнения (исходные вещества). Твёрдые тела и жидкости несжимаемы, поэтому давление на физику процесса никак не повлияет.
Ответ: 24.
Пример № 2
Из предложенного перечня выберите все вещества, на скорость реакции которых с раствором гидроксида натрия повлияет изменение давления в реакционной системе.
- Сероводород.
- Алюминий.
- Оксид фосфора(V).
- Углекислый газ.
- Оксид азота(IV).
- Вспоминаем ключевое правило: изменение давления влияет на скорость реакции исключительно при наличии газообразных реагентов в левой части уравнения. Вторым постоянным исходным сложным веществом выступает раствор щёлочи (жидкость). Нам нужно найти газы в предложенном списке.
- Анализируем агрегатное состояние предложенных веществ при нормальных условиях:
- Сероводород — газ. Давление повлияет (подходит).
- Алюминий — это твёрдый металл (не подходит).
- Оксид фосфора(V) — белый гигроскопичный порошок, это твёрдое вещество (не подходит).
- Углекислый газ находится в газообразном состоянии (подходит).
- Оксид азота(IV) или бурый газ также находится в газообразном состоянии (подходит).
Ответ: 145.
Пример № 3
Из предложенного перечня реакций выберите все, которые при обычных условиях протекают быстрее, чем реакция гранул цинка с раствором соляной кислоты.
- Взаимодействие порошка железа с углекислым газом.
- Взаимодействие гранул магния с соляной кислотой.
- Взаимодействие растворов гидроксида натрия и азотной кислоты.
- Взаимодействие гранул свинца с соляной кислотой.
- Базовая реакция: твёрдый цинк реагирует с раствором кислоты. Нужно найти химические процессы, где природа веществ химически активнее, либо фазовое взаимодействие происходит успешнее.
- Железо стоит правее цинка в ряду активностей металлов, с углекислым газом без сильного нагревания реагировать практически не будет.
- Магний является более активным металлом, чем цинк, так как располагается левее в ряду стандартных электродных потенциалов. Металл быстрее вытеснит водород, скорость будет выше (вариант 2 подходит).
- Взаимодействие растворов щёлочи и кислоты представляет собой реакцию нейтрализации. Обе молекулы находятся в растворе в виде активных ионов. Реакции ионного обмена протекают в гомогенной системе практически мгновенно, это значительно быстрее постепенного растворения куска металла с поверхности (вариант 3 подходит).
- Свинец намного менее активен, стоит почти в самом конце ряда активности металлов перед водородом. Скорость будет ниже.
Ответ: 23.
Влияние факторов на скорость реакции
Чтобы быстро оценивать ситуацию во время написания теста, придерживайся этой обобщающей схемы применения факторов.
| Фактор взаимодействия | Гомогенные реакции (газ + газ) | Гомогенные реакции (раствор + раствор) | Гетерогенные реакции (твёрдое тело + газ или жидкость) |
|---|---|---|---|
| Изменение температуры | Влияет (чем выше, тем быстрее) | Влияет (чем выше, тем быстрее) | Влияет (чем выше, тем быстрее) |
| Изменение концентрации | Влияет (повышение ускоряет) | Влияет (добавление реагента ускоряет, вода замедляет) | Влияет только для жидкой/газовой фазы. Для твёрдого реагента концентрацию изменить невозможно |
| Изменение давления или объёма реактора | Влияет (больше давление = меньше объём = больше скорость) | Не влияет (жидкости несжимаемы) | Влияет, если одним из исходных реагентов выступает газ |
| Измельчение (площадь поверхности) | Не применимо | Не применимо | Влияет (порошок реагирует быстрее крупных кусков) |
| Наличие катализатора | Влияет, если реакция каталитическая | Влияет, если реакция каталитическая | Влияет, если реакция каталитическая |
Типичные ошибки и ловушки
Составители КИМов прекрасно знают, где чаще всего допускаются ошибки. Внимательно изучи этот перечень.
Перенос свойств химического равновесия на скорость реакции
В школьной программе эти две темы изучают последовательно. В задании 22 добавление продуктов реакции смещает химическое равновесие влево. Многие ошибочно применяют этот принцип к заданию 18. Скорость прямой реакции зависит только от исходных веществ, находящихся в левой части уравнения. Добавление продуктов реакции на начальную скорость прямой реакции никак не влияет.
Применение фактора давления к растворам и жидкостям
Вспоминают базовое правило «повышение давления ускоряет процесс», но забывают проверить агрегатные состояния веществ. Всегда проверяй наличие газов до стрелочки. Если смешивают растворы нитрата бария и сульфата натрия, изменение давления не меняет механизм их взаимодействия.
Попытка увеличить концентрацию твёрдого вещества
В условии может быть сказано: «добавление дополнительной порции железа в кислоту». Кажется, что реагента стало больше, значит, процесс ускорится. Это ошибка. Для твёрдых веществ имеет значение только площадь поверхности соприкосновения, а не масса. Концентрация твёрдого куска считается постоянной. Новые куски железа не растворятся быстрее старых.
Снижение объёма реакционной ёмкости
Изменение объёма колбы часто воспринимают неверно или пытаются применить к жидким растворам. Понижение объёма реактора для газов математически работает точно так же, как повышение давления. Газам становится тесно, они сталкиваются чаще, число эффективных соударений возрастает.
Заключение
Теперь ты понимаешь физические принципы химической кинетики и знаешь, какие параметры влияют на ход процесса.
После изучения статьи ты можешь:
- разделять все реакции на гомогенные и гетерогенные;
- правильно определять влияние давления (только на газы) и измельчения (только на твёрдые вещества);
- доказывать, как температура и концентрация изменяют вероятность столкновения молекул;
- находить отличия между кинетикой и равновесием.
Чтобы закрепить материал перед экзаменом, реши 8–10 вариантов задания 18 из «100балльного банка». Внимательно проверяй агрегатное состояние исходных веществ перед каждым ответом.
