Почему кусок угля тлеет, а угольная пыль взрывается? Сталкивай молекулы в сосуде, меняй концентрацию, температуру, измельчение и катализатор и смотри, как быстро копится продукт.
Чтобы две молекулы прореагировали, они должны встретиться и удариться достаточно сильно. Чем больше молекул в объеме, тем чаще встречи. Чем горячее, тем быстрее летят молекулы и тем больше ударов достаточно сильных. Большая часть столкновений проходит впустую: молекулы просто отскакивают друг от друга.
Если одно из веществ твердое, реагировать может только его поверхность: молекулам газа не добраться внутрь куска. Раздроби кусок, и поверхность вырастет во много раз. Поэтому полено горит часами, а мелкая угольная пыль в воздухе сгорает за доли секунды, со взрывом. Катализатор облегчает реакцию: с ним удачным становится большее число столкновений.
ⓘ Температуру и катализатор можно менять на ходу. Новая концентрация или измельчение начинают опыт заново, а прошлая кривая остается серой для сравнения.
Первая формула определяет скорость. Вторая говорит, как скорость зависит от концентраций и поверхности. Третья показывает, как сильно на нее действует температура. Числа под формулами берутся из опыта, а карточка фактора, который ты менял последним, подсвечена.
Что такое скорость реакции
Скорость равна изменению концентрации, деленному на время, за которое оно произошло. Это наклон кривой на графике концентрации.
Закон действующих масс
Скорость пропорциональна концентрации каждого газа: вдвое больше молекул A, вдвое чаще встречи с B. Для твердого вещества вместо концентрации стоит площадь поверхности S.
Правило Вант-Гоффа: нагрев
На каждые 10 °C нагрева скорость растет в γ раз. Для большинства реакций γ от 2 до 4. Нагрел на 30 °C при γ = 2: скорость выросла в 2 · 2 · 2 = 8 раз.
v = Z · p
Z это число столкновений молекул A и B в литре за секунду. Оно пропорционально и cA, и cB: отсюда закон действующих масс. Нагрев увеличивает Z совсем немного, потому что скорость молекул растет как корень из абсолютной температуры: с 20 до 30 °C всего на 1,7%.
p это доля удачных столкновений: тех, где энергии удара хватает, чтобы разорвать старые связи. Эту энергию называют энергией активации Eₐ. Именно p так сильно зависит от температуры: при Eₐ = 50 кДж/моль нагрев с 20 до 30 °C увеличивает p почти вдвое. Катализатор снижает Eₐ, и p растет при той же температуре.
Почему скорость падает со временем: реагенты расходуются, их концентрация уменьшается, встречи становятся реже. На графике концентрации это видно как кривая, которая становится все положе. Касательная в начале круче, чем касательная в середине.
Кусок угля горит спокойно, а облако угольной пыли в шахте сгорает почти мгновенно и взрывается. Поэтому выработки осланцовывают: посыпают инертной каменной пылью, поливают водой и не дают пыли подниматься в воздух.
Топливо впрыскивают под давлением 1500–2500 бар, чтобы разбить его на капли в сотые доли миллиметра. Поверхность огромная, и топливо успевает сгореть за тысячные доли секунды. Изношенная форсунка льет крупные капли, мотор дымит и теряет мощность.
Золото из руды растворяют раствором цианида. Чем мельче помол, тем больше поверхность частиц и тем быстрее и полнее идет растворение. Поэтому руду дробят и мелют в мельницах до долей миллиметра, хотя это самая энергоемкая стадия фабрики.
Бетон твердеет за счет реакции цемента с водой. На морозе реакция почти стоит, и бетон не набирает прочность. Его греют проводами или паром, а в смесь добавляют ускорители.
Ток в аккумуляторе дает химическая реакция. При −30 °C она идет в несколько раз медленнее, аккумулятор отдает меньший ток, и стартер еле крутит. Поэтому технику зимой ставят в теплый бокс или греют батареи.
В выхлопе есть угарный газ CO и несгоревшее топливо. Сами по себе они догорают слишком медленно. Платина и палладий в нейтрализаторе снижают энергию активации, и вредные газы превращаются в CO₂ и воду за доли секунды.
Молекулы в опыте это кружки на плоскости, которые летают с разной скоростью и отскакивают от стенок и друг от друга. Удачным считается столкновение, которое прошло проверку на вероятность p; p меняется с температурой по закону Аррениуса с Eₐ = 50 кДж/моль, то есть примерно вдвое на каждые 10 °C. Само значение p подобрано так, чтобы опыт уложился в десятки секунд: в настоящем газе удачным бывает одно столкновение из миллиардов, зато столкновений 10³⁴ в секунду в литре. Катализатор в опыте снижает Eₐ всего на 3 кДж/моль, чтобы разница уместилась на экране; настоящие катализаторы ускоряют реакции в тысячи и миллионы раз. Кусок угля состоит из 64 атомов, поэтому выигрыш от измельчения здесь всего в 2–3 раза, а в настоящей пыли поверхность больше в тысячи раз. Тепло реакции не учитывается, температура в сосуде постоянная.