Железо, оставленное на улице, ржавеет годами. Щёлкните спичкой, и почти та же химия — кислород, атакующий топливо — заканчивается менее чем за секунду. То же…
English narration · English + 中文 subtitles burned in · Английское озвучивание · Английский + китайские субтитры (встроенные)
8.1
Rate of reaction · Скорость реакции
Syllabus · Программа
English
explain and use the term rate of reaction, frequency of collisions, effective collisions and non-effective collisions
explain qualitatively, in terms of frequency of effective collisions, the effect of concentration and pressure changes on the rate of a reaction
use experimental data to calculate the rate of a reaction
Русский
объяснять и использовать термин скорость реакции, частота столкновений, эффективные столкновения и неэффективные столкновения
объяснять качественно, с точки зрения частоты эффективных столкновений, влияние изменений концентрации и давления на скорость реакции
использовать экспериментальные данные для расчета скорости реакции
Source: Cambridge International syllabus · Источник: Программа Cambridge International
English
Collision theory: energy and orientation
The rate of reaction 反应速率 is how fast reactants turn into products. We measure it as the change in concentration (or amount) in each unit of time.
To react, particles must collide 碰撞. The collision frequency 碰撞频率 is how often the particles hit each other. But not every collision leads to a reaction:
an effective collision 有效碰撞 has enough energy and the correct direction, so a reaction happens.
a non-effective collision 无效碰撞 does not have enough energy, or the particles hit at the wrong angle, so nothing happens.
So the rate depends on the frequency of effective collisions — how many useful collisions happen each second.
Concentration and pressure
If you increase the concentration of a solution (or the pressure of a gas), the particles are packed closer together. They collide more often, so there are more effective collisions each second, and the rate goes up.
You can calculate a rate from experimental data — for example, the volume of gas made divided by the time taken.
Worked example. A reaction gives off carbon dioxide. In the first $30\ \text{s}$, $48\ \text{cm}^3$ of gas is collected. Find the average rate of reaction over this time.
The rate is fastest at the start (the graph is steepest there) because the reactants are most concentrated, then it slows as they are used up.
Русский
Теория столкновений: энергия и ориентация
Скорость реакции — это то, насколько быстро реагенты превращаются в продукты. Мы измеряем её как изменение концентрации (или количества) в единицу времени.
Для реакции частицы должны сталкиваться. Частота столкновений — это то, как часто частицы ударяются друг о друга. Но не каждое столкновение приводит к реакции:
Эффективное столкновение обладает достаточной энергией и правильной ориентацией, поэтому реакция происходит.
Неэффективное столкновение не обладает достаточной энергией, или частицы ударяются под неправильным углом, поэтому ничего не происходит.
Таким образом, скорость зависит от частоты эффективных столкновений — сколько полезных столкновений происходит каждую секунду.
Реакция происходит только при правильной ориентации и достаточной энергии (окрашенные концы = реактивная часть)
Концентрация и давление
Если вы увеличиваете концентрацию раствора (или давление газа), частицы упаковываются плотнее. Они сталкиваются чаще, поэтому количество эффективных столкновений в секунду возрастает, и скорость увеличивается.
Больше частиц в том же объёме → чаще столкновения → рост скорости
Вы можете рассчитать скорость по экспериментальным данным — например, объем полученного газа, деленный на затраченное время.
Разобранное решение. В ходе реакции выделяется углекислый газ. За первые $30\ \text{s}$ собирают $48\ \text{cm}^3$ газа. Найдите среднюю скорость реакции за это время.
Скорость максимальна в начале (график там наиболее крутой), потому что концентрация реагентов максимальна, затем она снижается по мере расходования реагентов.
Explore · Исследовать
Rate of reaction · Скорость реакции
[A] = [A]₀·bᵗ
Reactant concentration falls over time as it's used up. · Концентрация реагента падает со временем по мере его расхода.
Temperature and activation energy · Температура и энергия активации
Syllabus · Программа
English
define activation energy, $E_A$, as the minimum energy required for a collision to be effective
sketch and use the Boltzmann distribution to explain the significance of activation energy
explain qualitatively, in terms both of the Boltzmann distribution and of frequency of effective collisions, the effect of temperature change on the rate of a reaction
Русский
определять энергию активации, $E_A$, как минимальную энергию, необходимую для того, чтобы столкновение было эффективным
схематически изображать и использовать распределение Больцмана для объяснения значимости энергии активации
объяснять качественно, с точки зрения как распределения Больцмана, так и частоты эффективных столкновений, влияние изменения температуры на скорость реакции
Source: Cambridge International syllabus · Источник: Программа Cambridge International
English
Maxwell-Boltzmann distribution
The activation energy 活化能 ($E_A$) is the minimum energy a collision needs in order to be effective.
The Boltzmann distribution 玻尔兹曼分布 is a graph showing how the energies of the molecules are spread out at one temperature. The curve starts at the origin, rises to a peak, then falls away in a long tail. The total area under the curve is the total number of molecules. Only the molecules to the right of $E_A$ have enough energy to react.
When you raise the temperature:
the curve flattens and spreads to the right, so a much larger fraction of molecules now have energy greater than $E_A$.
the molecules also move faster and collide more often.
The first effect is the bigger one. This is why a small rise in temperature gives a large rise in rate.
Русский
Распределение Максвелла-Больцмана
Энергия активации ($E_A$) — это минимальная энергия, необходимая столкновению для того, чтобы стать эффективным.
Распределение Больцмана — это график, показывающий, как распределены энергии молекул при одной температуре. Кривая начинается в начале координат, поднимается до пика, а затем плавно спадает, образуя длинный хвост. Общая площадь под кривой равна общему числу молекул. Только молекулы справа от $E_A$ обладают достаточной энергией для реакции.
Когда вы повышаете температуру:
кривая уплощается и растягивается вправо, так что гораздо большая доля молекул теперь имеет энергию больше, чем $E_A$.
молекулы также движутся быстрее и сталкиваются чаще.
Первый эффект является более значительным. Именно поэтому небольшое повышение температуры дает большой рост скорости реакции.
При повышении температуры кривая смещается вправо, поэтому большая доля молекул может вступить в реакцию
Explore · Исследовать
Why heat speeds up reactions · Почему тепло ускоряет реакции
Raise the temperature: the curve spreads right, so more molecules have at least the activation energy and can react. · Повысьте температуру: кривая смещается вправо, так что больше молекул имеют как минимум энергию активации и могут вступить в реакцию.
explain and use the terms catalyst and catalysis: (a) explain that, in the presence of a catalyst, a reaction has a different mechanism, i.e. one of lower activation energy (b) explain this catalytic effect in terms of the Boltzmann distribution (c) construct and interpret a reaction pathway diagram, for a reaction in the presence and absence of an effective catalyst
Русский
объяснять и использовать термины катализатор и катализ: (a) объяснять, что в присутствии катализатора реакция протекает по другому механизму, т.е. с более низкой энергией активации (b) объяснять этот каталитический эффект с точки зрения распределения Больцмана (c) составлять и интерпретировать диаграмму пути реакции для процесса в присутствии и отсутствии эффективного катализатора
Source: Cambridge International syllabus · Источник: Программа Cambridge International
English
Reaction profile: a catalyst's lower-energy route
A catalyst 催化剂 speeds up a reaction but is not used up itself. Catalysis 催化作用 is the name for this action.
A catalyst works by giving the reaction a different reaction mechanism 反应机理 — a new route with a lower activation energy. On the Boltzmann distribution, lowering $E_A$ moves the line to the left, so more molecules now have enough energy. This means more effective collisions each second, and a faster rate.
On a reaction pathway diagram 反应路径图, the catalysed route has a lower energy "hill". The enthalpy change of the reaction, $\Delta H$, is not changed by the catalyst.
There are two types:
a homogeneous catalyst 均相催化剂 is in the same physical state as the reactants — for example, an acid catalyst dissolved in a solution of liquids.
a heterogeneous catalyst 多相催化剂 is in a different state from the reactants — for example, solid iron speeding up the reaction of gases in the Haber process.
Русский
Профиль реакции: путь катализатора с меньшей энергией
Катализатор ускоряет реакцию, но сам при этом не расходуется. Катализ — это название этого процесса.
Катализатор работает, предоставляя реакции другой механизм реакции — новый путь с меньшей энергией активации. На распределении Больцмана снижение $E_A$ смещает линию влево, так что теперь больше молекул имеют достаточную энергию. Это означает больше эффективных столкновений в секунду и более высокую скорость.
На диаграмме пути реакции каталитический путь имеет более низкую энергетическую «горку». Энтальпия реакции, $\Delta H$, не изменяется катализатором.
Катализатор предоставляет путь с низкой энергией активации; изменение энтальпии остаётся неизменным
Есть два типа:
гомогенный катализатор находится в том же агрегатном состоянии, что и реагенты — например, кислотный катализатор, растворенный в растворе жидкостей.
гетерогенный катализатор находится в ином состоянии, чем реагенты — например, твердый железо ускоряет реакцию газов в процессе Габера.
Гомогенный катализатор смешан с реагентами (то же состояние); гетерогенный катализатор — это отдельная поверхность (разное состояние), где реагенты встречаются и реагируютКаталитический нейтрализатор автомобиля является гетерогенным катализатором; его сотовая структура обеспечивает огромную площадь поверхности
Explore · Исследовать
Catalysts · Катализаторы
a catalyst lowers Ea · катализатор снижает Ea
A catalyst lowers Ea, so a bigger fraction of molecules can react — without heating. · Катализатор снижает Ea, поэтому большая доля молекул может реагировать — без нагревания.
Explore · Исследовать
How a catalyst works · Как работает катализатор
Add a catalyst and watch the activation-energy barrier drop — it gives an easier route, without changing ΔH. · Добавьте катализатор и наблюдайте, как снижается барьер энергии активации — он открывает более лёгкий путь, не изменяя ΔH.
Explain rate changes with collision theory — more frequent and/or more energetic effective collisions.
On a Boltzmann distribution mark $E_A$, shade to its right, and show the curve flatten and shift right at higher temperature; it starts at the origin and never touches the axis.
A catalyst gives an alternative route with lower $E_A$ and does not change $\Delta H$.
Say why a small temperature rise gives a large rate rise: a much greater proportion of molecules now exceed $E_A$ (the main effect).
Русский
Объясните изменения скорости с помощью теории столкновений — более частые и/или более энергичные эффективные столкновения.
На распределении Больцмана отметьте $E_A$, заштрихуйте область справа от него и покажите, что кривая становится положе и смещается вправо при более высокой температуре; она начинается в начале координат и никогда не касается оси.
Катализатор предоставляет альтернативный путь с более низкой $E_A$ и не изменяет $\Delta H$.
Объясните, почему небольшое повышение температуры приводит к значительному увеличению скорости: теперь гораздо большая доля молекул превышает $E_A$ (основной эффект).
Interactive lessons on this topic · Интерактивные уроки по этой теме
Work through it step by step, with instant-check exercises. · Пройдите его шаг за шагом с упражнениями мгновенной проверки.
Pick one and the site follows you — notes, papers, videos and practice all open on it. · Выберите один, и сайт будет вести вас — конспекты, работы, видео и практика откроются там.
Type to search notes, lessons, code, vocabulary and past-paper questions across every subject. · Введите запрос для поиска заметок, уроков, кода, словаря и вопросов с реальных экзаменов по всем предметам.
