Задание 18 ЕГЭ по химии: скорость реакции и факторы влияния

Что проверяет задание

Задание 18 проверяет понимание того, как скорость химической реакции зависит от внешних условий: температуры, концентрации веществ, давления (для газов), площади поверхности контакта реагентов и катализатора. Проверяется умение отличать факторы, увеличивающие скорость, от факторов, её уменьшающих, а также умение определять, какие вещества реально влияют на скорость конкретной реакции (например, для гетерогенных процессов концентрация твёрдого вещества не учитывается).

Отдельный акцент — на понимании роли катализатора: он не расходуется, не входит в продукты, не смещает равновесие, но ускоряет обе противоположные реакции одновременно.

Как выглядит формулировка и сколько баллов

Типичная формулировка: «Из предложенного перечня внешних воздействий выберите все воздействия, которые приводят к увеличению/уменьшению скорости реакции...». Даётся уравнение реакции и список из 5 вариантов воздействий или утверждений. Нужно выбрать все подходящие номера (может быть от одного до нескольких) и записать их без пробелов, порядок не важен.

Задание оценивается в 1 балл. Балл засчитывается только за полностью верный набор цифр — частичного зачёта нет. Ответ проверяется по принципу неупорядоченного набора символов (например, 14 и 41 — оба варианта верны).

Что нужно знать

• Основной закон действующих масс: скорость реакции пропорциональна произведению концентраций реагентов в степенях их стехиометрических коэффициентов: $v = k \cdot [A]^{a} \cdot [B]^{b}$.
• Правило Вант-Гоффа: при повышении температуры на каждые $10\,^{\circ}\text{C}$ скорость реакции возрастает в 2–4 раза: $v_2 = v_1 \cdot \gamma^{\frac{T_2-T_1}{10}}$.
• Факторы, увеличивающие скорость реакции: повышение температуры; повышение концентрации реагентов; повышение давления для газовых систем (эквивалентно повышению концентрации); увеличение площади поверхности контакта (измельчение твёрдого вещества); введение катализатора; увеличение интенсивности перемешивания.
• Факторы, уменьшающие скорость реакции: понижение температуры; понижение концентрации реагентов; понижение давления для газов; уменьшение площади поверхности; увеличение объёма реакционного сосуда (снижает концентрацию газов); введение ингибитора.
• Концентрация твёрдых веществ и чистых жидких растворителей не входит в кинетическое уравнение — изменение их количества не влияет на скорость гетерогенной реакции.
• Концентрация или добавление продуктов реакции не влияет на скорость прямой реакции (влияет только на скорость обратной реакции, если она обратима).
• Катализатор: снижает энергию активации, ускоряет и прямую, и обратную реакцию одинаково, не изменяет положение равновесия, не входит в состав продуктов, сам не расходуется в ходе реакции (хотя может участвовать в промежуточных стадиях механизма).
• Ингибитор — вещество, замедляющее реакцию, действует противоположно катализатору.
• Для газовых реакций повышение давления равносильно повышению концентрации всех газообразных участников, а увеличение объёма сосуда равносильно понижению их концентрации.

Методы решения

Метод 1. Анализ через закон действующих масс. Записываем кинетическое уравнение реакции и проверяем, какие концентрации в него входят. Если вещество — реагент (не продукт, не твёрдое в гетерогенной реакции), то увеличение его концентрации увеличивает скорость, уменьшение — уменьшает.

Пример: для реакции $2NO(г) + O_2(г) = 2NO_2(г)$ скорость $v = k[NO]^2[O_2]$. Повышение концентрации кислорода увеличит скорость, а концентрация $NO_2$ (продукта) в уравнение не входит и не влияет.

Метод 2. Учёт агрегатного состояния веществ. Если реакция гетерогенная (например, взаимодействие металла с кислотой), то концентрация твёрдого вещества не учитывается, но площадь его поверхности важна.

Пример: для реакции $Zn(тв) + 2HCl(р) = ZnCl_2(р) + H_2(г)$ увеличение концентрации соляной кислоты повысит скорость, а измельчение цинка (увеличение площади поверхности) также повысит скорость, хотя «концентрация» цинка как понятие не применима.

Метод 3. Анализ температурного фактора через правило Вант-Гоффа. Любое повышение температуры всегда увеличивает скорость любой реакции (и экзотермической, и эндотермической), понижение — всегда уменьшает.

Пример: для реакции $N_2(г) + 3H_2(г) = 2NH_3(г)$ повышение температуры от $400\,^{\circ}\text{C}$ до $450\,^{\circ}\text{C}$ увеличит скорость реакции независимо от того, что реакция экзотермическая.

Метод 4. Оценка влияния давления и объёма для газовых систем. Повышение давления в системе с газами эквивалентно повышению концентрации всех газообразных веществ — скорость растёт. Увеличение объёма сосуда — разбавление — концентрации падают, скорость снижается.

Пример: для реакции $2SO_2(г) + O_2(г) = 2SO_3(г)$ сжатие системы (повышение давления) увеличит скорость, а расширение сосуда — уменьшит.

Метод 5. Проверка утверждений о катализаторе на соответствие теории. Составляем список верных фактов о катализаторе (не расходуется, не входит в продукты, не смещает равновесие, ускоряет обе реакции) и сравниваем с данными утверждениями, отмечая противоречащие теории как неверные.

Пример: утверждение «катализатор входит в состав продуктов реакции» — неверно, так как катализатор регенерируется и остаётся в неизменном виде после реакции.

Алгоритм решения по шагам

1. Прочитать уравнение реакции, определить агрегатные состояния всех веществ (г — газ, ж — жидкость, тв — твёрдое, р — раствор).
2. Определить, является ли реакция гомогенной (все вещества в одной фазе, обычно газы) или гетерогенной (разные фазы).
3. Если в задании речь о концентрациях — выяснить, какое вещество упомянуто: реагент или продукт. Изменение концентрации продукта не влияет на скорость прямой реакции.
4. Проверить, является ли упомянутое вещество твёрдым в гетерогенной системе — если да, изменение его «концентрации» не учитывается (только площадь поверхности).
5. Для газовых систем оценить влияние давления и объёма сосуда: повышение давления или уменьшение объёма — скорость растёт; понижение давления или увеличение объёма — скорость падает.
6. Оценить влияние температуры: повышение всегда увеличивает скорость, понижение — всегда уменьшает, независимо от знака теплового эффекта.
7. Проверить наличие катализатора — использование катализатора всегда увеличивает скорость (и прямой, и обратной реакции).
8. Сопоставить каждый вариант ответа с выводами шагов 3–7, отметить подходящие номера.
9. Записать все подходящие номера без пробелов и разделителей, в любом порядке.

Разбор примеров

Пример 1. Реакция этилена с водородом: $C_2H_4(г) + H_2(г) = C_2H_6(г)$. Нужно выбрать воздействия, которые уменьшают скорость реакции.

Шаг 1. Реакция гомогенная (все вещества — газы), кинетическое уравнение: $v = k[C_2H_4][H_2]$.

Шаг 2. Разбираем варианты:

1. Понижение температуры — по правилу Вант-Гоффа снижение температуры всегда уменьшает скорость любой реакции. Подходит.
2. Увеличение концентрации этилена — реагент входит в кинетическое уравнение, увеличение его концентрации увеличивает скорость. Не подходит (это увеличение, а не уменьшение).
3. Использование катализатора — катализатор всегда увеличивает скорость. Не подходит.
4. Уменьшение концентрации водорода — водород является реагентом, входит в уравнение скорости; снижение его концентрации уменьшает скорость. Подходит.
5. Повышение давления — для газовой системы это равносильно увеличению концентраций всех газов, скорость растёт. Не подходит.

Шаг 3. Верные номера: 1 и 4. Ответ: 14 (или 41).

Пример 2. Реакция $H_2(г) + I_2(г) = 2HI(г)$. Нужно выбрать воздействия, увеличивающие скорость реакции.

Шаг 1. Кинетическое уравнение прямой реакции: $v = k[H_2][I_2]$ (продукт $HI$ в это уравнение не входит).

Шаг 2. Разбираем варианты:

1. Повышение температуры — всегда увеличивает скорость любой реакции. Подходит.
2. Добавление иодоводорода — это продукт реакции, его концентрация не входит в кинетическое уравнение прямой реакции, скорость прямой реакции не меняется. Не подходит.
3. Понижение давления — для газовой системы это равносильно уменьшению концентраций реагентов, скорость падает. Не подходит.
4. Повышение концентрации иода — иод является реагентом, входит в уравнение скорости, увеличение концентрации увеличивает скорость. Подходит.
5. Увеличение объёма реакционного сосуда — это разбавление системы, концентрации всех газов падают, скорость уменьшается. Не подходит.

Шаг 3. Верные номера: 1 и 4. Ответ: 14 (или 41).

Пример 3. Нужно выбрать неверные утверждения о катализаторах.

Шаг 1. Вспоминаем теоретические факты о катализаторах: они участвуют в промежуточных стадиях механизма реакции, но не расходуются окончательно; не входят в состав конечных продуктов; не смещают положение химического равновесия (равновесие определяется только термодинамикой, а не кинетикой); изменяют (увеличивают) скорость реакции; ускоряют одновременно и прямую, и обратную реакции, поэтому равновесие достигается быстрее, но само равновесие не смещается.

Шаг 2. Разбираем варианты:

1. Катализаторы участвуют в химической реакции — это верное утверждение (они образуют промежуточные соединения на стадиях механизма), значит его не выбираем как неверное.
2. Катализаторы входят в состав продуктов реакции — неверно: катализатор регенерируется в исходном виде и не остаётся в продуктах. Это неверное утверждение — выбираем.
3. Катализаторы смещают химическое равновесие — неверно: катализатор одинаково ускоряет прямую и обратную реакции, поэтому положение равновесия (соотношение концентраций при равновесии) не меняется. Это неверное утверждение — выбираем.
4. Катализаторы изменяют скорость реакции — верное утверждение (в этом их суть), не выбираем.
5. Катализаторы ускоряют как прямую, так и обратную реакцию — верное утверждение, не выбираем.

Шаг 3. Неверные утверждения: 2 и 3. Ответ: 23 (или 32).

Типичные ошибки и ловушки

• Путаница между реагентами и продуктами: изменение концентрации продукта реакции не влияет на скорость прямой реакции — это частая ловушка в заданиях с обратимыми реакциями.
• Забывание, что температура влияет на скорость всегда в одну сторону (повышение — рост скорости), независимо от того, экзотермическая реакция или эндотермическая.
• Неверное отношение к твёрдым веществам в гетерогенных реакциях: попытка применить понятие «концентрация» к твёрдому реагенту, хотя должна учитываться только площадь поверхности.
• Ошибочное мнение, что катализатор смещает равновесие или входит в состав продуктов — эти утверждения всегда неверны и часто включаются в задание как ловушка.
• Путаница между эффектом давления и эффектом объёма сосуда: повышение давления увеличивает скорость, а увеличение объёма (разбавление) уменьшает — при быстром чтении легко перепутать направление эффекта.
• Невнимательность к агрегатному состоянию веществ в условии — без указания «(г)», «(тв)», «(р)» легко неправильно определить, входит ли вещество в кинетическое уравнение.
• Неполный выбор ответа: если подходят два и более номера, а выбран только один — балл не засчитывается, так как проверяется полное совпадение набора цифр.

Как готовиться

При подготовке важно чётко зафиксировать в памяти таблицу «фактор — направление влияния на скорость» и научиться быстро определять агрегатное состояние веществ по уравнению реакции. Полезно решать задания с реакциями разных типов: гомогенные газовые, гетерогенные с твёрдым веществом, реакции с участием растворов — чтобы отработать распознавание того, какие концентрации учитываются в кинетическом уравнении, а какие нет.

Отдельно стоит проработать блок про катализаторы: выучить наизусть список верных и неверных утверждений о них, поскольку в заданиях часто встречаются похожие формулировки с подвохом («входит в состав продуктов», «смещает равновесие»). При тренировке полезно каждый раз явно записывать кинетическое уравнение реакции по закону действующих масс и проверять по нему каждый вариант ответа — это исключает ошибки по невнимательности. Регулярная練習 на однотипных заданиях с разбором своих ошибок закрепляет алгоритм и позволяет решать задание 18 быстро и без сомнений на экзамене.