Некоторые химические реакции происходят практически мгновенно (взрыв кислородно-водородной смеси, реакции ионного обмена в водном растворе), вторые — быстро (горение веществ, взаимодействие цинка с кислотой), третьи — медленно (ржавление железа, гниение органических остатков). Известны настолько медленные реакции, что человек их просто не может заметить. Так, например, преобразование гранита в песок и глину происходит в течение тысяч лет.

Другими словами, химические реакции могут протекать с разной скоростью .

Но что же такое скорость реакции ? Каково точное определение данной величины и, главное, ее математическое выражение?

Скоростью реакции называют изменение количества вещества за одну единицу времени в одной единице объема. Математически это выражение записывается как:

Где n 1 и n 2 – количество вещества (моль) в момент времени t 1 и t 2 соответственно в системе объемом V .

То, какой знак плюс или минус (±) будет стоять перед выражением скорости, зависит от того, на изменение количества какого вещества мы смотрим – продукта или реагента.

Очевидно, что в ходе реакции происходит расход реагентов, то есть их количество уменьшается, следовательно, для реагентов выражение (n 2 — n 1) всегда имеет значение меньше нуля. Поскольку скорость не может быть отрицательной величиной, в этом случае перед выражением нужно поставить знак «минус».

Если же мы смотрим на изменение количества продукта, а не реагента, то перед выражением для расчета скорости знак «минус» не требуется, поскольку выражение (n 2 — n 1) в этом случае всегда положительно, т.к. количество продукта в результате реакции может только увеличиваться.

Отношение количества вещества n к объему, в котором это количество вещества находится, называют молярной концентрацией С :

Таким образом, используя понятие молярной концентрации и его математическое выражение, можно записать другой вариант определения скорости реакции:

Скоростью реакции называют изменение молярной концентрации вещества в результате протекания химической реакции за одну единицу времени:

Факторы, влияющие на скорость реакции

Нередко бывает крайне важно знать, от чего зависит скорость той или иной реакции и как на нее повлиять. Например, нефтеперерабатывающая промышленность в буквальном смысле бьется за каждые дополнительные полпроцента продукта в единицу времени. Ведь учитывая огромное количество перерабатываемой нефти, даже полпроцента вытекает в крупную финансовую годовую прибыль. В некоторых же случаях крайне важно какую-либо реакцию замедлить, в частности коррозию металлов.

Так от чего же зависит скорость реакции? Зависит она, как ни странно, от множества различных параметров.

Для того чтобы разобраться в этом вопросе прежде всего давайте представим, что происходит в результате химической реакции, например:

A + B → C + D

Написанное выше уравнение отражает процесс, в котором молекулы веществ А и В, сталкиваясь друг с другом, образуют молекулы веществ С и D.

То есть, несомненно, для того чтобы реакция прошла, как минимум, необходимо столкновение молекул исходных веществ. Очевидно, если мы повысим количество молекул в единице объема, число столкновений увеличится аналогично тому, как возрастет частота ваших столкновений с пассажирами в переполненном автобусе по сравнению с полупустым.

Другими словами, скорость реакции возрастает при увеличении концентрации реагирующих веществ.

В случае, когда один из реагентов или сразу несколько являются газами, скорость реакции увеличивается при повышении давления, поскольку давление газа всегда прямо пропорционально концентрации составляющих его молекул.

Тем не менее, столкновение частиц является, необходимым, но вовсе недостаточным условием протекания реакции. Дело в том, что согласно расчетам, число столкновений молекул реагирующих веществ при их разумной концентрации настолько велико, что все реакции должны протекать в одно мгновение. Тем не менее, на практике этого не происходит. В чем же дело?

Дело в том, что не всякое соударение молекул реагентов обязательно будет эффективным. Многие соударения являются упругими – молекулы отскакивают друг от друга словно мячи. Для того чтобы реакция прошла, молекулы должны обладать достаточной кинетической энергией. Минимальная энергия, которой должны обладать молекулы реагирующих веществ для того, чтобы реакция прошла, называется энергией активации и обозначается как Е а. В системе, состоящей из большого количества молекул, существует распределение молекул по энергии, часть из них имеет низкую энергию, часть высокую и среднюю. Из всех этих молекул только у небольшой части молекул энергия превышает энергию активации.

Как известно из курса физики, температура фактически есть мера кинетической энергии частиц, из которых состоит вещество. То есть, чем быстрее движутся частицы, составляющие вещество, тем выше его температура. Таким образом, очевидно, повышая температуру мы по сути увеличиваем кинетическую энергию молекул, в результате чего возрастает доля молекул с энергией, превышающей Е а и их столкновение приведет к химической реакции.

Факт положительного влияния температуры на скорость протекания реакции еще в 19м веке эмпирически установил голландский химик Вант Гофф. На основании проведенных им исследований он сформулировал правило, которое до сих пор носит его имя, и звучит оно следующим образом:

Скорость любой химической реакции увеличивается в 2-4 раза при повышении температуры на 10 градусов.

Математическое отображение данного правила записывается как:

где V 2 и V 1 – скорость при температуре t 2 и t 1 соответственно, а γ – температурный коэффициент реакции, значение которого чаще всего лежит в диапазоне от 2 до 4.

Часто скорость многих реакций удается повысить, используя катализаторы .

Катализаторы – вещества, ускоряющие протекание какой-либо реакции и при этом не расходующиеся.

Но каким же образом катализаторам удается повысить скорость реакции?

Вспомним про энергию активации E a . Молекулы с энергией меньшей, чем энергия активации в отсутствие катализатора друг с другом взаимодействовать не могут. Катализаторы, изменяют путь, по которому протекает реакция подобно тому, как опытный проводник проложит маршрут экспедиции не напрямую через гору, а с помощью обходных троп, в результате чего даже те спутники, которые не имели достаточно энергии для восхождения на гору, смогут перебраться на другую ее сторону.

Не смотря на то что катализатор при проведении реакции не расходуется, тем не менее он принимает в ней активное участие, образуя промежуточные соединения с реагентами, но к концу реакции возвращается к своему изначальному состоянию.

Кроме указанных выше факторов, влияющих на скорость реакции, если между реагирующими веществами есть граница раздела (гетерогенная реакция), скорость реакции будет зависеть также и от площади соприкосновения реагентов. Например, представьте себе гранулу металлического алюминия, которую бросили в пробирку с водным раствором соляной кислоты. Алюминий – активный металл, который способен реагировать с кислотами неокислителями. С соляной кислотой уравнение реакции выглядит следующим образом:

2Al + 6HCl → 2AlCl 3 + 3H 2

Алюминий представляет собой твердое вещество, и это значит, что реакция с соляной кислотой идет только на его поверхности. Очевидно, что если мы увеличим площадь поверхности, предварительно раскатав гранулу алюминия в фольгу, мы тем самым предоставим большее количество доступных для реакции с кислотой атомов алюминия. В результате этого скорость реакции увеличится. Аналогичным образом увеличения поверхности твердого вещества можно добиться измельчением его в порошок.

Также на скорость гетерогенной реакции, в которой реагирует твердое вещество с газообразным или жидким, часто положительно влияет перемешивание, что связано с тем, что в результате перемешивания достигается удаление из зоны реакции скапливающихся молекул продуктов реакции и «подносится» новая порция молекул реагента.

Последним следует отметить также огромное влияние на скорость протекания реакции и природы реагентов. Например, чем ниже в таблице Менделеева находится щелочной металл, тем быстрее он реагирует с водой, фтор среди всех галогенов наиболее быстро реагирует с газообразным водородом и т.д.

Резюмируя все вышесказанное, скорость реакции зависит от следующих факторов:

1) концентрация реагентов: чем выше, тем больше скорость реакции

2) температура: с ростом температуры скорость любой реакции увеличивается

3) площадь соприкосновения реагирующих веществ: чем больше площадь контакта реагентов, тем выше скорость реакции

4) перемешивание, если реакция происходит меду твердым веществом и жидкостью или газом перемешивание может ее ускорить.

Роберт Бойд (Robert Boyd), профессор оптики из университета Рочестера (University of Rochester), сумел придать пучку света «отрицательную» скорость, при которой пик импульса двигался не от источника, а к нему.

Нужно вспомнить, что особым образом изменяя среду, через которую проходит свет, применяя пары рубидия, различные кристаллы, скрещивающиеся лучи лазеров и тому подобное, физики давно научились управлять скоростью светового импульса — замедляя его в десятки тысяч раз, а то и вовсе "замораживая" .

Важно понимать, что во всех этих случаях речь идёт о групповой скорости, которая характеризует быстроту распространения горба импульса света. Из-за дисперсии (рассеивания) в определённой среде горб этот может двигаться на несколько порядков медленнее, чем каждый фотон в отдельности, а также, в каких-то условиях, и наоборот — быстрее скорости света в вакууме.

О нарушении законов природы тут речи нет, так как самые первые фотоны в импульсе добегают до противоположного конца своей «испытательной дорожки» не быстрее тех самых 300 тысяч километров в секунду, и информация «быстрее света» не передаётся. В случае же остановки света речь идёт о поглощении импульса специально подготовленной средой с последующим повторным излучением его, с сохранением всех параметров исходного пучка. Так сказать «до последнего фотона».

После этого краткого экскурса становится понятным и то, что удалось проделать Бойду. Он сумел изготовить среду, в которой скорость горба импульса была отрицательной — то есть, направленной к источнику излучения.

Для этого «чуда» Бойд применил оптоволокно, легированное эрбием. Импульс, выходящий из лазера, он делил на две части. Один луч направлялся в то самое экспериментальное волокно, а второй посылался к концу установки без помех. Второй луч служил в роли репера, для сравнения.

С первым же лучом происходила удивительная вещь. Ещё до того, как пик его импульса входил в эрбиевое волокно, на дальнем конце этого волокна уже появлялся пик излучения, опережая даже реперный луч, бегущий свободно. Если говорить о групповой скорости, получалось, что первый луч превышал скорость света, и даже «опережал время» — так как выходил из конца волокна до того, как попадал в его начало.

Выяснилось, что само волокно, фактически, генерирует горб на дальнем своём срезе, когда первые порции фотонов из ведущего фронта лазерного импульса, предшествующего пику, достигают его.

Но самое любопытное заключалось в другом открытии — одновременно с посылкой горба импульса вперёд, дальний конец волокна создавал второй горб-близнец, который распространялся в обратном направлении, добегая до начала опытного волокна как раз к моменту, когда исходный оригинальный импульс только лишь входил в него.

Ускорением тела называют отношение изменения скорости тела ко времени, за которое это изменение произошло.

Ускорение характеризует быстроту изменения скорости.

Ускорение - векторная величина. Оно показывает, как изменяется мгновенная скорость тела за единицу времени.

Зная начальную скорость тела и его ускорение, из формулы (1) можно найти скорость в любой момент времени:

Для этого уравнение нужно записать в проекциях на выбранную ось:

V x =V 0x + a x t

Положительное и отрицательное ускорение

Ускорение, как и скорость, обладает знаком.

Если автомобиль разгоняется, его скорость возрастает, а ускорение имеет положительный знак.

При торможении авто, его скорость уменьшается - ускорение имеет отрицательный знак.

Естественно, при равномерном движении ускорение равно нулю.

Но, будьте внимательны! Отрицательное ускорение не всегда означает замедление, а положительное - ускорение! Помните, что скорость (как и перемещение) - это векторная величина. Обратимся к нашему бильярдному шару.

Пусть шар движется с замедлением, но имеет отрицательное перемещение!

Скорость шара уменьшается ("минус") и скорость имеет отрицательную величину по направлению ("минус"). В итоге, два "минуса" дадут "плюс" - положительное значение ускорения.

Запомните!

Среднее и мгновенное ускорение

По аналогии со скоростью ускорение может быть средним и мгновенным .

Среднее ускорение вычисляется как разность конечной и начальной скоростей, которая делится на разность конечного и начального времени:

A = (V 1 - V 0)/(t 1 - t 0)

Среднее ускорение отличается от фактического (мгновенного) ускорения в данный момент времени. Например, при резком нажатии педали тормоза автомобиль получает большое ускорение в первый момент времени. Если же водитель затем отпустит педаль тормоза, то ускорение уменьшится.

Равномерное и неравномерное ускорение

Описанный выше случай с торможением характеризует неравномерное ускорение - наиболее часто встречающееся в нашей повседневной жизни.

Однако, существует и равномерное ускорение , самый яркий пример которого - это ускорение свободного падения , которое равно 9,8 м/с 2 , направлено к центру Земли и всегда постоянно.

Векторные величины в физике

Все ответы пояснять чертежами

1. Какие величины называют векторными? Скалярными?

2. Приведите примеры векторных и скалярных физических величин.

3. Являются ли два вектора равными, если их модули равны, а направления не совпадают?

4. Изобразите вектор суммы двух векторов, параллельных друг другу и направленных в одну сторону. Чему равен модуль суммарного вектора?

5. Изобразите вектор суммы двух векторов, параллельных друг другу и направленных в разные стороны. Чему равен модуль суммарного вектора?

6. Сложите два вектора, направленных под углом, по правилу треугольника.

7. Сложите два вектора, направленных под углом, по правилу параллелограмма.

8. Если вектор вычитается, то его можно умножить на – 1. Что произойдѐт с направлением вектора?

9. Как определить проекцию вектора на ось координат? Когда проекция на ось положительна? отрицательна?

10. Чему равна проекция вектора на ось, если вектор параллелен оси? перпендикулярен оси?

11. Что означает разложить вектор на составляющие по осям X и Y?

12. Если сумма нескольких векторов равна нулю, то чему равна сумма проекций этих векторов по осям X и Y?

Кинематика

1 вариант

1. Какое движение называется механическим?

2. Что такое траектория движения? Приведите примеры прямолинейной и криволинейной траекторий движения. Зависит ли траектория от выбора системы отсчета? Ответ обоснуйте.

3. Какие величины называются скалярными? Приведите примеры скалярных физических величин.

4. Дайте определение пройденного пути и перемещения тела. Покажите разницу этих физических понятий на примере движения точки по окружности.

5. Как связаны между собой перемещение и скорость при таком движении? Начертите вид графиков скорости. Что означает отрицательная скорость? Как по графику скорости определить перемещение?Площадь, какой фигуры под графиком скорости численно равна перемещению за определенное время?

6. Запишите уравнение равномерного прямолинейного движения. Начертите графики зависимости пройденного пути от времени для тела, движущегося вдоль выбранной оси X и для тела, движущегося противоположно выбранной оси.

7. Какое движение называют равноускоренным? равнозамедленным?

8. Запишите математическое выражение для проекции скорости от времени для прямолинейного равноускоренного движения, если направление ускорения совпадает с направлением скорости. Возрастает или убывает скорость? Начертите график зависимости скорости от времени при условии, что начальная скорость равна нулю и не равна нулю. Как по графику скорости определить перемещение? пройденный путь?

9. Что происходит в момент времени, когда на графике скорости, скорость переходит из положительной в отрицательную и наоборот?

10. Как по графику скорости прямолинейного движения определить участок, где модуль ускорения максимален? минимален?

11. Какими способами из уравнения движения можно получить уравнение скорости? Приведите примеры.

12. Как определить при равноускоренном движении путь, за конкретный промежуток времени, например, за пятую секунду или за последнюю?

13. Чему равно ускорение свободного падения и куда оно направлено?

14. С каким ускорением движется свободно падающее тело? Тело брошенное вверх? Горизонтально? Под углом к горизонту? Куда направленно ускорение?

15. Почему при баллистическом движении тело движется по горизонтали равномерно, а по вертикали равноускорено?

Кинематика

2 вариант

1. С какой целью используется понятие материальная точка? Что называется материальной точкой? Приведите примеры, показывающие, что одно и то же тело в одной ситуации можно считать материальной точкой, а в другой – нет.

2. Для описания движения тела необходимо задать систему отсчета. Что входит в систему отсчета?

3. Какие величины называются векторными? Приведите примеры векторных физических величин.

4. По какой траектории должно двигаться тело, чтобы путь был равен модулю перемещения?

5. Тело двигается прямолинейно, начало движения совпадает с началом координат.

6. Одинаковы ли будут пройденный путь и модуль перемещения (координата тела) в какой-то момент времени, если тело разворачивалось и ехало в противоположную сторону какое-то время? Ответ поясните чертежом.

7. Точка движется по окружности с постоянной по модулю скоростью. Как направлена скорость в любой точке? Означает ли это, что скорость точки постоянна?

8. Как угол наклона графика равномерного прямолинейного движения зависит от модуля скорости?

9. Какая физическая величина характеризует «быстроту» изменения скорости при равноускоренном движении? Запишите формулу для определения этой величины.

10. Запишите математическое выражение для проекции скорости от времени для

прямолинейного равноускоренного движения, если направление ускорения не совпадает с направлением скорости. Возрастает или убывает скорость? Начертите

график скорости. Как по графику скорости определить пройденный путь?

перемещение (координату конца движения)?

11. Как угол наклона графика скорости при прямолинейном равноускоренном движении зависит от модуля ускорения?

12. Запишите математическое выражение для проекции перемещения от времени (уравнение движения) для равноускоренного движения без начальной скорости и с начальной скоростью.

13. Как по заданному уравнению движения или уравнению скорости определить вид движения - равномерное или равноускоренное?

14. Что такое средняя скорость? По какой формуле определяется средняя скорость на всем пути, состоящем из нескольких участков?

15. Как движется тело при свободном падении: равномерно или равноускорено? Почему?

16. Изменится ли ускорение, если свободно падающему телу дать начальную скорость?

17. По какой траектории движется свободно падающее тело? тело, брошенное под углом к горизонту? горизонтально?

Динамика. Законы Ньютона

18. В чем состоит явление инерции? Какое движение называют движением по инерции?

19. Что такое инертность? Какая физическая величина является мерой инертности тела? Назовите ее единицы измерения.

20. Какая физическая величина характеризует отсутствие или наличие внешнего воздействия на тело? Дайте определение этой величине и назовите единицу измерения.

21. Что такое равнодействующая сила? Как ее найти? Какой величиной является сила – скалярной или векторной?

22. Какие системы отсчета называют инерциальными? Как должен двигаться автобус относительно Земли, чтобы человек, сидящий в нем, находился в инерциальной системе отсчета? В неинерциальной?

23. Сформулируйте закон инерции (первый закон Ньютона).

24. Как зависит ускорение тела от приложенной к нему силы? Ответ поясните графически.

25. Если на тела разной массы действовать с одной и той же силой, то какие ускорения будут получать тела в зависимости от массы? Ответ поясните графиком.

26. Сформулируйте второй закон Ньютона и запишите его математическое выражение. Выразите единицу силы через единицы массы и ускорения?

27. Всегда ли направление движения тела совпадает с направлением действующей силы (равнодействующей сил)? Приведите примеры, подтверждающие ваш ответ.

28. Что можно сказать о направлении вектора ускорения, вектора равнодействующей приложенных к телу сил и вектора скорости тела? Как они направлены?

29. Сформулируйте третий закон Ньютона. Напишите его математическое выражение.

30. Как ускорения, приобретаемые телами в результате парного столкновения, зависят от масс тел? Какое тело получит большее ускорение?

31. Согласно третьему закону Ньютона падающий камень и Земля притягивают друг друга с одинаковыми силами. Почему же обусловленное этим притяжением ускорение камня заметно, а ускорение Земли – нет?

32. Когда две силы компенсируют друг друга? Почему равные по модулю и противоположно направленные силы, с которыми взаимодействуют два тела, не компенсируют друг друга?

33. Что такое геоцентрическая система?

34. Что такое гелиоцентрическая система?

Силы в механике

1. Назовите силы, которые изучаются в механике.

2. Какие силы называются гравитационными?

3. Как гравитационные силы зависят от масс взаимодействующих тел?

4. Как гравитационные силы зависят от расстояния между телами?

5. Сформулируйте закон всемирного тяготения Ньютона. Напишите математическое выражение закона.

6. Дайте определение силы тяжести, запишите математическое выражение.

7. Запишите математическое выражение для определения ускорения свободного падения на любой планете?

8. Как изменяются гравитационные силы и ускорение свободного падения при удалении от планеты? Запишите математическое выражение.

9. Почему все тела под действием гравитационных падают на Землю с одним и тем же

ускорением, хотя массы у тел разные?

10. Одинакова ли сила тяжести у лежащего камня на Земле, падающего или подброшенного вверх?

11. Дайте определение силы вес тела. Запишите математическое выражение силы.

12. При каком условии вес тела равен силе тяжести? К каким телам приложены вес тела и сила тяжести?

13. Как должно двигаться тело, чтобы его вес был больше силы тяжести? Меньше силы тяжести?

14. Что такое состояние невесомости? При каком условии тело находится в состоянии невесомости? Приведите примеры.

15. Одинаковое ли давление оказывает тело, вследствие его притяжения к Земле, на горизонтальной опоре и наклонной плоскости?

16. Какова причина возникновения силы упругости и как направленна эта сила?

17. Сформулируйте закон Гука и запишите его математическое выражение. От чего зависит коэффициент пропорциональности в законе Гука?

18. Сформулируйте определение силы реакции опоры и силы натяжения. Являются ли эти силы силой упругости? Запишите их буквенные обозначения.

19. Дайте определение силы трения. Когда возникает сила трения?

20. Напишите математическое выражение для определения силы трения. От чего зависит коэффициент трения? Куда направленна сила?

21. Какая из сил трения больше по модулю: сила трения скольжения, сила трения качения или сила трения покоя?

22. Из-за чего возникает сила трения? Приведите примеры.

23. Трение существует при трении твердых поверхностей, в жидкостях и газах. Где сила трения максимальна?

Механическое движение представляют графическим способом. Зависимость физических величин выражают при помощи функций . Обозначают

Графики равномерного движения

Зависимость ускорения от времени . Так как при равномерном движении ускорение равно нулю, то зависимость a(t) - прямая линия, которая лежит на оси времени.

Зависимость скорости от времени. Скорость со временем не изменяется, график v(t) - прямая линия, параллельная оси времени.

Численное значение перемещения (пути) - это площадь прямоугольника под графиком скорости.

Зависимость пути от времени. График s(t) - наклонная линия.

Правило определения скорости по графику s(t): Тангенс угла наклона графика к оси времени равен скорости движения.

Графики равноускоренного движения

Зависимость ускорения от времени. Ускорение со временем не изменяется, имеет постоянное значение, график a(t) - прямая линия, параллельная оси времени.

Зависимость скорости от времени . При равномерном движении путь изменяется, согласно линейной зависимости . В координатах . Графиком является наклонная линия.

Правило определения пути по графику v(t): Путь тела - это площадь треугольника (или трапеции) под графиком скорости.

Правило определения ускорения по графику v(t): Ускорение тела - это тангенс угла наклона графика к оси времени. Если тело замедляет движение, ускорение отрицательное, угол графика тупой, поэтому находим тангенс смежного угла.

Зависимость пути от времени. При равноускоренном движении путь изменяется, согласно