Скорость реакции и факторы от которых она зависит: Перечислите факторы, от которых зависит скорость химической реакции. … примеры.

Содержание

Скорость химических реакций

Скорость реакции определяется изменением молярной концентрации одного из реагирующих веществ:

V = ± ((С2 — С1) / (t2 — t1)) = ± (DС / Dt)

где С1 и С2 — молярные концентрации веществ в моменты времени t1 и t2 соответственно (знак (+) — если скорость определяется по продукту реакции, знак (-) — по исходному веществу).

Реакции происходят при столкновении молекул реагирующих веществ. Ее скорость определяется количеством столкновений и вероятностью того, что они приведут к превращению. Число столкновений определяется концентрациями реагирующих веществ, а вероятность реакции — энергией сталкивающихся молекул.
Факторы, влияющие на скорость химических реакций.
1. Природа реагирующих веществ. Большую роль играет характер химических связей и строение молекул реагентов.

Реакции протекают в направлении разрушения менее прочных связей и образования веществ с более прочными связями. Так, для разрыва связей в молекулах H2 и N2 требуются высокие энергии; такие молекулы мало реакционноспособны. Для разрыва связей в сильнополярных молекулах (HCl, H2O) требуется меньше энергии, и скорость реакции значительно выше. Реакции между ионами в растворах электролитов протекают практически мгновенно.
Примеры
Фтор с водородом реагирует со взрывом при комнатной температуре, бром с водородом взаимодействует медленно и при нагревании.
Оксид кальция вступает в реакцию с водой энергично, с выделением тепла; оксид меди — не реагирует.

2. Концентрация. С увеличением концентрации (числа частиц в единице объема) чаще происходят столкновения молекул реагирующих веществ — скорость реакции возрастает.

Закон действующих масс (К. Гульдберг, П.Вааге, 1867г. )
Скорость химической реакции прямо пропорциональна произведению концентраций реагирующих веществ.

aA + bB + . . . ® . . .

V = k

Константа скорости реакции k зависит от природы реагирующих веществ, температуры и катализатора, но не зависит от значения концентраций реагентов.
Физический смысл константы скорости заключается в том, что она равна скорости реакции при единичных концентрациях реагирующих веществ.
Для гетерогенных реакций концентрация твердой фазы в выражение скорости реакции не входит.

3. Температура. При повышении температуры на каждые 10°C скорость реакции возрастает в 2-4 раза (Правило Вант-Гоффа). При увеличении температуры от t1 до t2 изменение скорости реакции можно рассчитать по формуле:



(t2 — t1) / 10
Vt2 / Vt1 = g


(где Vt2 и Vt1 — скорости реакции при температурах t2 и t1 соответственно; g- температурный коэффициент данной реакции).
Правило Вант-Гоффа применимо только в узком интервале температур. Более точным является уравнение Аррениуса:

k = A

где
A — постоянная, зависящая от природы реагирующих веществ;
R — универсальная газовая постоянная [8,314 Дж/(моль

  • К) = 0,082 л атм/(моль К)];

Ea — энергия активации, т.е. энергия, которой должны обладать сталкивающиеся молекулы, чтобы столкновение привело к химическому превращению.

Энергетическая диаграмма химической реакции.

Экзотермическая реакция Эндотермическая реакция

А — реагенты, В — активированный комплекс (переходное состояние), С — продукты.
Чем больше энергия активации Ea, тем сильнее возрастает скорость реакции при увеличении температуры.

4. Поверхность соприкосновения реагирующих веществ. Для гетерогенных систем (когда вещества находятся в разных агрегатных состояниях), чем больше поверхность соприкосновения, тем быстрее протекает реакция. Поверхность твердых веществ может быть увеличена путем их измельчения, а для растворимых веществ — путем их растворения.

5. Катализ. Вещества, которые участвуют в реакциях и увеличивают ее скорость, оставаясь к концу реакции неизменными, называются катализаторами. Механизм действия катализаторов связан с уменьшением энергии активации реакции за счет образования промежуточных соединений. При гомогенном катализе реагенты и катализатор составляют одну фазу (находятся в одном агрегатном состоянии), при гетерогенном катализе — разные фазы (находятся в различных агрегатных состояниях). Резко замедлить протекание нежелательных химических процессов в ряде случаев можно добавляя в реакционную среду ингибиторы (явление «отрицательного катализа»).

Урок 42. движение как качественное изменение. химические реакции — Естествознание — 10 класс

Естествознание, 10 класс

Урок 42. Движение как качественное изменение. Химические реакции

Перечень вопросов, рассматриваемых в теме:

Как во времени протекает химическая реакция? Что такое механизм химической реакции и как реакции можно классифицировать по механизму их протекания? Как определяется скорость химической реакции для различных процессов? Что такое кинетическое уравнение реакции и в чём его смысл? Как различные факторы влияют на скорость реакции? Каков механизм действия катализатора?

Глоссарий по теме:

Химическая кинетика – это раздел химической науки, изучающий механизм и скорость химической реакции.

Скорость химической реакции определяется изменением количества реагирующих веществ или продуктов реакции за единицу времени в единице объёма (для гомогенных систем) или на единице поверхности (для гетерогенных систем).

Закон действующих масс – при постоянной температуре скорость данной реакции пропорциональна произведению концентраций реагирующих веществ.

Механизм химической реакции – это последовательность элементарных стадий процесса, в результате которого исходные вещества превращаются в продукты реакции.

Энергия активации – это средняя избыточная энергия (по сравнению со средней энергией движения), которой должны обладать реагирующие частицы (атомы, молекулы), чтобы преодолеть энергетический барьер, разделяющий в химической реакции реагенты (исходные вещества) и продукты (конечное состояние).

Правило Вант-Гоффа – при повышении температуры на каждые 100 С скорость реакции увеличивается в среднем в 2 – 4 раза.

Катализ – это изменение скорости реакции под действием катализаторов.

Катализатор (от греч. katalysis – разрушение) – это вещества, изменяющие скорость реакции, участвующие в промежуточных стадиях реакции, но при этом не расходующиеся.

Ферменты (от лат. fermentum – закваска) – это вещества, катализирующие биохимические реакции в организмах.

Основная и дополнительная литература по теме урока:

1. Естествознание. 10 класс: учебник для общеобразоват. организаций: базовый уровень / И.Ю. Алексашина, К.В. Галактионов, И.С. Дмитриев, А.В. Ляпцев и др. / под ред. И.Ю. Алексашиной. – 3-е изд. – М.: Просвещение, 2017. – С. 184-189.

2. Энциклопедия для детей. Том 17. Химия. / Глав. ред. В.А. Володин. – М.: Аванта+, 2000. – С. 116-126; 568-576.

3. Савинкина Е.В. История химии. Элективный курс: Учебное пособие / Е.В. Савинкина, Г.П. Логинов, С.С. Плоткин. – М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2007. – С. 139-144.

Открытые электронные ресурсы по теме урока:

Левченков С.И. Химическая кинетика // Краткий очерк истории химии: Учебное пособие для студентов химфака РГУ. URL:

http://www.physchem.chimfak.rsu.ru/Source/History/Sketch_7.html#Кинетика

Теоретический материал для самостоятельного изучения

Многообразие объектов Вселенной отражается в многообразии видов и форм движения. Качественные изменения, которые происходят в ходе химических превращений, можно интерпретировать как особый вид движения, а саму химическую реакцию рассматривать как определенную химическую форму движения. Изучением того, как во времени протекают химические процессы, занимается химическая кинетика – область химической науки, становление которой началось со второй половины XIX века.

Химические процессы протекают с различной скоростью: бронзовый памятник во влажном воздухе медленно покрывается голубоватым налетом, значительно быстрее покрывается ржавчиной железный предмет, лежащий в воде, долька яблока через несколько часов покрывается бурой пленкой, а образование осадка при сливании растворов, например, сульфата натрия и хлорида бария, происходит очень быстро. Для количественной характеристики скорости химической реакции используют не время её протекания, а скорость изменения количества вещества (в моль), вступающего в реакцию или образующегося в ходе реакции.

Таким образом, скорость химической реакции определяется изменением количества реагирующих веществ или продуктов реакции за единицу времени в единице объёма (для гомогенных систем) или на единице поверхности (для гетерогенных систем). Напомним, что гомогенная система состоит из одной фазы, а гетерогенная система – из нескольких фаз, разграниченных между собой поверхностями раздела. Наиболее часто в химии рассматривается зависимость концентрации веществ от времени, поэтому скорость реакции можно определять как изменение концентрации одного из реагирующих веществ или одного из образующихся в ходе реакции веществ в единицу времени.

𝑣 = ± ∆с/∆t, где 𝑣 – скорость реакции, ∆с – изменение концентрации вещества, ∆t – промежуток времени, в котором определяют скорость реакции. Если скорость определяют по изменению концентрации реагирующего вещества, которая в ходе реакции уменьшается, то перед формулой ставят знак «–», если скорость определяется по изменению концентрации продукта реакции, которая в ходе реакции увеличивается, то перед формулой ставят знак «+». Скорость химической реакции изменяется во времени, поэтому по приведенной формуле можно вычислить только среднюю скорость реакции в определенном интервале времени. Графическое изображение зависимости концентрации реагентов от времени называется кинетической кривой. С помощью кинетической кривой можно графически определить истинную скорость реакции в каждый момент времени.

Чтобы управлять химической реакцией – замедлять или ускорять химические процессы, необходимо знать, от чего зависит скорость реакции. Особенно важно знать зависимость скорости реакции от концентрации реагирующих веществ. Впервые скорость химической реакции и её зависимость от концентрации исходных веществ исследовал немецкий химик Людвиг Фердинанд Вильгельми (1812 – 1864), изучая гидролиз сахарозы. В своей работе, опубликованной в 1850 году, он привел формулу, отражающую зависимость скорости реакции от концентрации реагирующих веществ – первое кинетическое уравнение химической реакции. В 1864 – 1867 гг. норвежские учёные Като Максимилиан Гульдберг (1836 – 1902) и Петер Вааге (1833 – 1900) опубликовали работы, в которых на основе сотен экспериментов доказали, что скорость реакции пропорциональна произведению «действующих масс» реагентов, т. е. (концентрациям). Таким образом, количественно зависимость между скоростью реакции и концентрацией определяется основным законом химической кинетикизаконом действующих масс: скорость химической реакции прямо пропорциональна произведению концентраций реагирующих веществ, взятых в степенях, равных стехиометрическим коэффициентам в уравнении реакции.

Для некоторой реакции xA + yB → zD эта зависимость будет иметь вид: 𝑣 = k∙CAx∙CBy, где СА и СВ – молярные концентрации веществ А и В, k – коэффициент пропорциональности, называемый константой скорости химической реакции, численно равный скорости реакции при концентрации всех реагирующих веществ, равных 1 моль/л и определяемый экспериментально. Зависимость скорости реакции от концентрации реагирующих веществ определяется экспериментально и называется кинетическим уравнением химической реакции. Скорость гетерогенных реакций, протекающих на границе раздела фаз не зависит от концентрации. Как правило, при низких температурах скорость гетерогенных реакций зависит от площади поверхности раздела фаз и температуры.

Превращение одних веществ в другие не является одномоментным событием, – это сложный процесс, который развертывается во времени и пространстве. Еще в XIX веке учёные определили, что химические реакции в подавляющем большинстве являются многостадийными процессами. Последовательность элементарных стадий процесса, в результате которого исходные вещества превращаются в продукты реакции, называется механизмом реакции. По числу стадий реакции подразделяются на простые (элементарные) и сложные. Простые реакции осуществляются в одну стадию, химическое уравнение таких реакций полностью отражает какие и сколько частиц участвуют непосредственно в элементарном акте химического взаимодействия. В реакциях изомеризации или диссоциации, например, происходит химическое превращение одной молекулы. Есть простые реакции, элементарный акт которых осуществляется при столкновении двух частиц (одинаковых или разных) или даже трёх частиц. Сложные реакции осуществляются в несколько стадий, каждая из которых является простой реакцией. Каждая из стадий протекает со своей скоростью. Скорости отдельных стадий могут существенно отличаться друг от друга. Скорость сложной реакции в целом будет определяться скоростью самой медленной стадии, которая называется лимитирующей. Механизмы химических реакций определяются экспериментально.

Скорость химической реакции зависит от температуры. Впервые влияние температуры на скорость реакции было учтено Якобом Генриком Вант-Гоффом (1852 – 1911), им было сформулировано эмпирическое правило (правило Вант-Гоффа): при повышении температуры на каждые 10°С скорость реакции увеличивается в 2 – 4 раза. Однако это правило носит приближенный характер и применимо лишь в узком интервале температур. Более точно зависимость скорости химической реакции от температуры была определена шведским химиком Сванте Августом Аррениусом (1859 – 1927), он ввёл понятие энергии активации и сформулировал закон температурной зависимости для константы скорости простых реакций.

Многие химические процессы в растворе или газовой фазе происходят при столкновении частиц реагирующих веществ. Число таких соударений огромно. Если бы все соударения частиц приводили к химическому взаимодействию, то реакции протекали бы мгновенно, однако этого не происходит. Это объясняется тем, что не все соударения приводят к химическому взаимодействию. Чтобы соударение было эффективным (привело к химическому взаимодействию) столкнувшиеся частицы должны обладать достаточной энергией для разрыва или ослабления химических связей в молекулах реагирующих веществ. В результате происходит образование некоторого промежуточного неустойчивого комплекса (активированного комплекса) с последующим перераспределением электронной плотности и образованием продуктов реакции. Средняя избыточная энергия (по сравнению со средней энергией движения), которой должны обладать реагирующие частицы (атомы, молекулы), чтобы преодолеть энергетический барьер, разделяющий в химической реакции реагенты (исходные вещества) и продукты (конечное состояние) называется энергией активации. Так как при повышении температуры доля частиц, обладающих избыточной энергией увеличивается, то увеличивается и число эффективных соударений и, следовательно, константа скорости реакции.

На скорость реакции могут оказывать влияние вещества, которые получили название катализаторов. Еще с начала XIX века химики обратили внимание на необычные химические реакции, для протекания которых требовалось добавление некоторых веществ. Эти вещества в реакциях не расходовались, но без их добавления реакции не протекали. В 1835 году все известные на тот момент каталитические исследования обобщил шведский химик Йёнс Якоб Берцелиус (1779 – 1848), он же первым использовал термин «катализ» (от греч. katalysis – разрушение). Однако, механизм влияния этих добавок был непонятен химикам XIX века. Только в самом конце XIX века немецкий химик Вильгельм Фридрих Оствальд (1853 – 1932) сумел дать современные определения катализа и катализатора. Появление современных теорий катализа относится к 20-м годам XX века. Первой из них была мультиплетная теория, которую разработал российский химик Алексей Александрович Баландин (1898 – 1967).

Катализаторы – это вещества, изменяющие скорость реакции, участвующие в промежуточных стадиях реакции, но при этом не расходующиеся. Изменение скорости реакции под действием катализаторов называют катализом. Известны различные виды катализа. Катализ может быть положительным – увеличивать скорость реакции, или отрицательным – уменьшать скорость реакции. Отрицательный катализ часто называют ингибированием, а отрицательные катализаторы, замедляющие течение реакции – ингибиторами. Катализ, при котором катализатор образует одну фазу с реагирующими веществами, называют гомогенным катализом. Если катализатор образует самостоятельную фазу и реакция происходит на поверхности катализатора, то катализ называется гетерогенным катализом. Хорошо известный Вам из школьного курса процесс получения оксида серы (VI) SO3 из оксида серы (IV) SO2 (2SO2 + O2 = 2SO3 + Q) можно проводить с использованием разных катализаторов.

В начале XX века этот процесс осуществляли в газовой фазе с использованием оксида азота (II) NO в качестве катализатора – это пример гомогенного катализа. Если в качестве катализатора использовать оксид ванадия (V) V2O5, который является твердым веществом, то реакция протекает на его поверхности – это пример гетерогенного катализа. Гетерогенный катализ может быть усилен добавлением промоторов – веществ, которые сами не являются катализаторами, но повышают активность катализатора данной реакции. Так, для синтеза аммиака, идущего с использование железного катализатора, используется добавление оксидов алюминия и калия. Однако, есть вещества, которые наоборот снижают активность катализатора. Такие вещества называются каталитическими ядами. Так, например, платиновый катализатор очень чувствителен по отношению к соединениям серы и селена.

Важными свойствами катализаторов является их специфичность и селективность. Под специфичностью катализатора понимается его способность ускорять только какую-то одну группу реакций и никак не влиять на скорость других реакций. Хорошо известный Вам пример: платина Pt и никель Ni являются катализаторами процессов гидрирования. Другое свойство катализаторов – селективность (избирательность) заключается в способности катализаторов ускорять только одну из возможных при данных условиях параллельных реакций. На этом свойстве катализаторов основаны способы получения разных продуктов из одних и тех же исходных веществ. Например, из этилового спирта C2H5OH в присутствии оксида алюминия Al2O3 получают этилен CH2=CH2, а в присутствии меди Cu – уксусный альдегид CH3COH. Наибольшей селективностью отличаются биологические катализаторы белковой природы – ферменты. Кроме того, ферменты обладают высокой активностью, что объясняется значительным снижением энергии активации биохимического процесса ферментами.

В чем же заключается действие катализатора? Оказывается, катализаторы снижают энергию активации реакции, в результате чего увеличивается число частиц, обладающих энергией, достаточной для химического взаимодействия. Катализаторы участвуют в образовании активированного комплекса, требующего меньшей энергия активации.

Таким образом, превращение одних веществ в другие – это процесс, развертывающийся во времени, т. е. имеющий свою временную структуру, которая выражена механизмом реакции. Вместе с тем механизм реакции учитывает не только изменения в составе веществ-участников реакции, но и изменение положений атомов в пространстве по мере протекания реакции. Поэтому можно говорить о пространственно-временной структуре реакции. Любое превращение одних веществ в другие, т.е. химическую реакцию, можно рассматривать как качественное изменение и особую форму движения.

Выводы:

1. Скорость химической реакции определяется изменением количества реагирующих веществ или продуктов реакции за единицу времени в единице объёма (для гомогенных систем) или на единице поверхности (для гетерогенных систем).

2. На скорость реакции оказывают влияние: природа реагирующих веществ, их концентрация (для гомогенных систем), площадь поверхности (для гетерогенных систем), температура и наличие катализатора.

3. Количественно зависимость между скоростью реакции и концентрацией определяется основным законом химической кинетики – законом действующих масс: скорость химической реакции прямо пропорциональна произведению концентраций реагирующих веществ, взятых в некоторых степенях.

4. Большинство химических реакций являются многостадийными процессам, механизм которых определяется экспериментально. Под механизмом химической реакции понимают последовательность элементарных стадий процесса, в результате которых исходные вещества превращаются в продукты реакции.

5. Многие химические реакции являются каталитическими, т.е. для их осуществления необходимы катализаторы – вещества, изменяющие скорость реакции, участвующие в промежуточных стадиях реакции, но при этом не расходующиеся.

6. Химическая реакция – имеет сложную пространственно-временную структуру, что позволяет её рассматривать не только как качественное изменение веществ, но и особую форму движения.

Примеры и разбор решения заданий тренировочного модуля:

1. Укажите верные утверждения:

Утверждение

Правильный ответ и пояснение

А. Химическое уравнение не отражает механизм протекания реакции.

Правильное утверждение. Химическое уравнение не отражает механизм протекания реакции, механизм реакции определяется экспериментально.

Б. Катализатор ускоряет реакцию, но сам в реакции не участвует.

Неправильное утверждение. Катализаторы – вещества, изменяющие скорость реакции, участвующие в промежуточных стадиях реакции, но при этом не расходующиеся.

В. Закон действующих масс выражает количественную зависимость скорости реакции от концентрации реагирующих веществ.

Правильное утверждение. Количественно зависимость между скоростью реакции и концентрацией определяется основным законом химической кинетики – законом действующих масс: скорость химической реакции прямо пропорциональна произведению концентраций реагирующих веществ, взятых в некоторых степенях.

2. Установление соответствие между элементами двух множеств. К каждой позиции первого столбца подберите соответствующую позицию второго.

Утверждение

Теория

1. Процесс гидрирования этилена СН2=СН2 c использованием никеля Ni в качестве катализатора.

А. Гомогенный катализ

Б. Гетерогенный катализ

2. Процесс получения оксида серы (VI) SO3 из оксида серы (IV) SO2 с использованием оксида азота (II) NO в качестве катализатора.

3. Процесс получения оксида серы (VI) SO3 из оксида серы (IV) SO2 с использованием оксида ванадия (V) V2O5 в качестве катализатора.

Правильный ответ:1 – Б; 2 – А; 3 – Б.

Утверждение

Теория

1. Процесс гидрирования этилена СН2=СН2 c использованием никеля Ni в качестве катализатора.

Б. Гетерогенный катализ

2. Процесс получения оксида серы (VI) SO3 из оксида серы (IV) SO2 с использованием оксида азота (II) NO в качестве катализатора.

А. Гомогенный катализ

3. Процесс получения оксида серы (VI) SO3 из оксида серы (IV) SO2 с использованием оксида ванадия (V) V2O5 в качестве катализатора.

Б. Гетерогенный катализ

Факторы, влияющие на скорость. химических реакций


из «Химия воды и микробиология»

Кинетика химических реакций — это учение о скорости протекания химических реакций и зависимости ее от различных факторов. [c.25]
Для практического использования какой-нибудь реакции нужно энать, с какой скоростью она совершается. Часто от скорости реакции зависит производительность аппаратуры, и следовательно, количество вырабатываемой продукции. [c.25]
Необходимым условием возникновения химической реакции является столкновение молекул реагирующих веществ. При этом должно произойти их взаимное сближение до такого расстояния, чтобы электрические поля, возбуждаемые электронами обеих молекул, перекрывали друг друга. Только при этих условиях возможно перемещение электронных облаков и перегруппировка атомов, которыми и обусловливается образование новых молекул. Но не всякое столкновение приводит к химическим реакциям. Химический процесс возникает от столкновения молекул, обладающих большим запасом энергии, т. е. активных молекул. [c.25]
Скорость химической реакции зависит от природы реагирующих веществ, а также от условий, при которых она протекает. [c.26]
Главные условия, влияющие на скорость реакции 1) концентрация реагирующих веществ 2) температура 3) присутствие катализатора и т. д. [c.26]
Влияние концентрации. Влияние коицентрации на скорость химической реакции выражается основным законом кинетики — законом Гульдберга и Вааге, который известен как закон действия масс. [c.26]
Влияние температуры. При повышеиии температуры возрастает скорость движения молекул и столкновения между ними происходят чаще. Это одна из причин увеличения скорости реакции при повышении температуры. Другая причина заключается в том, что при более высокой температуре молекулы становятся более активными, повышается количество эффективных столкновений. [c.26]
Для ускорения реакции часто прибегают к нагреванию системы. Опыт показывает, что при увеличении температуры на 10° скорость реакции возрастает приблизительно в два-три раза (правило Вант-Гоффа). [c.27]
Пример. Температурный коэффициент реакции = 2. Рассчитать, через како промежуток времени закончится эта реакция при 100 С, если при 0°С она заканчивалась через 10 мин. [c.27]
Температурный коэффициент Ва(гт-Гоффа (у) может быть использован для приближенных подсчетов в пределах небольшого интервала температур, так как он сам несколько изменяется с температурой. [c.27]
Если известна энергия активации данной реакции, то по этому уравнению можно также вычислить значение константы скорости этой реакции для любой другой температуры. [c.28]
Согласно теории соударений множитель С имеет смысл общего числа соударений между молекулами за 1 с в объеме 1 см . Это число определяется на основании молекулярно-кинетической теории. Но данный подсчет дает завышенные скорости для реакций в растворах, поэтому для согласия с опытом вводят в уравнение дополнительный множитель — так называемый стерический или ве роятностный фактор Р. (Величина Р зависит от природы реагиру ющих веществ и мол ет изменяться в пределах от 1 до 1-10- Этот фактор учитывает положение реагирующих частиц при столк новении и продолжительность их контакта, необходимую для пере распределения энергии внутри молекул по связям. Он указывает что столкновение даже активных молекул не всегда приводит к за вершению химического процесса). [c.28]
Из этого уравнения видно, что константами, характеризующими реакцию, являются предэкспоненциальный множитель С и энергия активации Е. Чем больше значение Е, тем меньше (при данном С) скорость химической реакции. [c.28]
Также широко распространены в природе биологические катализаторы— ферменты, которые являются сложными органичехкими веществами белковой природы, образующиеся в животных и растительных организмах. [c.29]
Каталитические процессы. Большинство химических реакций протекает через активный комплекс, состав, строение и свойства которого определяют кинетические свойства системы — скорость реакции,ее направление, влияние внешних факторов и др. [c.29]
Зелинского и его учеников. [c.30]
АК + В- -АВ + К (вторая стадия каталитического цикла). [c.31]
На скорость гомогенных реакций, протекающих в жидкой фазе, оказывают существенное влияние ионы водорода и ионы гидроксила (кислотно-основной катализ). При наличии в растворе только одной кислоты или одного основания константа скорости реакции, протекающей в растворе, прямо пропорциональна концентрации ионов водорода или ионов гидроксила /С = 7Сн+[Н+] /(=/(он 10Н-], где /Сн+ и — каталитические константы водородного и гидроксильного ионов. В этих случаях наиболее вероятен ионный механизм каталитического действия. [c.31]
Гетерогенный катализ. В практике очистки природных и сточных вод часто используется гетерогенный катализ, когда катализатор находится в твердой фазе, а реагирующие вещества — в жидкой или газообразной фазах. [c.31]
Катализатор должен обладать высокой активностью, термической стойкостью и механической прочностью. Эти свойства катализатору придают во время его изготовления, поэтому часто катализаторами являются не чистые вещества, а сложные многокомпонентные системы. Различают три типа катализаторов смешанные, на носителях и промотированные. [c.31]

Вернуться к основной статье

2. Факторы, влияющие на скорость химической реакции. Физическая химия: конспект лекций

2. Факторы, влияющие на скорость химической реакции

Для гомогенных, гетерогенных реакций:

1) концентрация реагирующих веществ;

2) температура;

3) катализатор;

4) ингибитор.

Только для гетерогенных:

1) скорость подвода реагирующих веществ к поверхности раздела фаз;

2) площадь поверхности.

Главный фактор – природа реагирующих веществ – характер связи между атомами в молекулах реагентов.

Пример:

NO2 – оксид азота (IV) – лисий хвост, СО – угарный газ, монооксид углерода.

Если их окислить кислородом, то в первом случае реакция пойдет мгновенно, стоит приоткрыть пробку сосуда, во втором случае реакция растянута во времени.

Концентрация реагирующих веществ будет рассмотрена ниже.

Пример:

Голубая опалесценция свидетельствует о моменте выпадения серы, чем выше концентрация, тем скорость выше.

Рис. 10

Чем больше концентрации Na2S2O3, тем меньше времени идет реакция. На графике (рис. 10) изображена прямо пропорциональная зависимость. Количественная зависимость скорости реакции от концент-рации реагирующих веществ выражается ЗДМ (законом действующих масс), который гласит: скорость химической реакции прямо пропорциональна произведению концентраций реагирующих веществ.

Итак, основным законом кинетики является установленный опытным путем закон: скорость реакции пропорциональна концентрации реагирующих веществ, пример: (т.е. для реакции)

Для этой реакции Н2 + J2 = 2НJ – скорость можно выразить через изменение концентрации любого из веществ. Если реакция протекает слева направо, то концентрация Н2 и J2 будет уменьшаться, концентрация НJ – увеличиваться по ходу реакции. Для мгновенной скорости реакций можно записать выражение:

квадратными скобками обозначается концентрация.

Физический смысл k– молекулы находятся в непрерывном движении, сталкиваются, разлетаются, ударяются о стенки сосуда. Для того, чтобы произошла химическая реакция образования НJ, молекулам Н2 и J2 надо столкнуться. Число же таких столкновений будет тем больше, чем больше молекул H2 и J2 содержится в объеме, т. е. тем больше будут величины [Н2] и [J2]. Но молекулы движутся с разными скоростями, и суммарная кинетическая энергия двух сталкивающихся молекул будет различной. Если столкнутся самые быстрые молекулы Н2 и J2, энергия их может быть такой большой, что молекулы разобьются на атомы йода и водорода, разлетающиеся и взаимодействующие затем с другими молекулами Н2 + J2?2H+2J, далее будет H + J2?HJ + J. Если энергия сталкивающихся молекул меньше, но достаточно велика для ослабления связей H – H и J – J, произойдет реакция образования йодоводорода:

У большинства же сталкивающихся молекул энергия меньше необходимой для ослабления связей в Н2 и J2. Такие молекулы «тихо» столкнутся и также «тихо» разойдутся, оставшись тем, чем они были, Н2 и J2. Таким образом, не все, а лишь часть столкновений приводит к химической реакции. Коэффициент пропорциональности (k) показывает число результативных, приводящих к реакции соударений при концентрациях [Н2] = [J2] = 1моль. Величина k– const скорости. Как же скорость может быть постоянной? Да, скоростью равномерного прямолинейного движения называют постоянную векторную величину, равную отношению перемещения тела за любой промежуток времени к значению этого промежутка. Но молекулы движутся хаотически, тогда как же может быть скорость – const? Но постоянная скорость может быть только при постоянной температуре. С ростом температуры увеличивается доля быстрых молекул, столкновения которых приводят к реакции, т. е. увеличивается константа скорости. Но увеличение константы скорости не безгранично. При какой-то температуре энергия молекул станет столь большой, что практически все соударения реагентов будут результативными. При столкновении двух быстрых молекул будет происходить обратная реакция.

Настанет такой момент, когда скорости образования 2НJ из Н2 и J2 и разложения будут равны, но это уже химическое равновесие. Зависимость скорости реакции от концентрации реагирующих веществ можно проследить, пользуясь традиционной реакцией взаимодействия раствора тиосульфата натрия с раствором серной кислоты.

Na2S2O3 + H2SO4 = Na2SO4 + H2S2O3, (1)

H2S2O3 = S?+H2O+SO2?. (2)

Реакция (1) протекает практически мгновенно. Скорость реакции (2) зависит при постоянной температуре от концентрации реагирующего вещества H2S2O3. Именно эту реакцию мы наблюдали – в этом случае скорость измеряется временем от начала сливания растворов до появления опалесценции. В статье Л. М. Кузнецовой описана реакция взаимодействия тиосульфата натрия с соляной кислотой. Она пишет, что при сливании растворов происходит опалесценция (помутнение). Но данное утверждение Л. М. Кузнецовой ошибочно так как опалесценция и помутнение – это разные вещи. Опалесценция (от опал и латинского escentia – суффикс, означающий слабое действие) – рассеяние света мутными средами, обусловленное их оптической неоднородностью. Рассеяние света – отклонение световых лучей, распространяющихся в среде во все стороны от первоначального направления. Коллоидные частицы способны рассеивать свет (эффект Тиндаля – Фарадея) – этим объясняется опалесценция, легкая мутноватость коллоидного раствора. При проведении этого опыта надо учитывать голубую опалесценцию, а затем коагуляцию коллоидной суспензии серы. Одинаковую плотность суспензии отмечают по видимому исчезновению какого-либо рисунка (например, сетки на дне стаканчика), наблюдаемого сверху через слой раствора. Время отсчитывают по секундомеру с момента сливания.

Растворы Na2S2O3 x 5H2O и H2SO4.

Первый готовят путем растворения 7,5 г соли в 100 мл H2O, что соответствует 0,3 М концентрации. Для приготовления раствора H2SO4 той же концентрации отмерить надо 1,8 мл H2SO4(к), ? = = 1,84 г/см3 и растворить ее в 120 мл H2O. Приготовленный раствор Na2S2O3 разлить в три стакана: в первый – 60 мл, во второй – 30 мл, в третий – 10 мл. Во второй стакан добавить 30 мл H2O дистиллированной, а в третий – 50 мл. Таким образом, во всех трех стаканах окажется по 60 мл жидкости, но в первом концентрация соли условно = 1, во втором – Ѕ, а в третьем – 1/6. После того, как будут подготовлены растворы, в первый стакан с раствором соли прилейте 60 мл раствора H2SO4 и включите секундомер, и т. д. Учитывая, что скорость реакции падает с разбавлением раствора Na2S2O3, ее можно определить как величину, обратно пропорциональную времени v = 1/? и построить график, отложив на оси абсцисс концентрацию, а на оси ординат – скорость реакции. Из этого вывод – скорость реакции зависит от концентрации веществ. Полученные данные занесены в таблицу 3. Можно этот опыт выполнить с помощью бюреток, но это требует от выполняющего большой практики, потому что график бывает неправильным.

Таблица 3

Скорость и время реакции

Подтверждается закон Гульдберга-Вааге – профессора химии Гульдерга и молодого ученого Вааге).

Рассмотрим следующий фактор – температуру.

При увеличении температуры скорость большинства химических реакций повышается. Эта зависимость описана правилом Вант-Гоффа: «При повышении температуры на каждые 10 °C скорость химических реакций увеличивается в 2 – 4 раза».

где ? – температурный коэффициент, показывающий, во сколько раз увеличивается скорость реакции при повышении температуры на 10 °C;

v1 – скорость реакции при температуре t1;

v2скорость реакции при температуре t2.

Например, реакция при 50 °С протекает за две минуты, за сколько времени закончится процесс при 70 °С, если температурный коэффициент ?= 2?

Решение:

t1 = 120 с = 2 мин; t1 = 50 °С; t2 = 70 °С.

Даже небольшое повышение температуры вызывает резкое увеличение скорости реакции активных соударений молекулы. Согласно теории активации, в процессе участвуют только те молекулы, энергия которых больше средней энергии молекул на определенную величину. Эта избыточная энергия – энергия активации. Физический смысл ее – это та энергия, которая необходима для активного столкновения молекул (перестройки орбиталей). Число активных частиц, а следовательно, скорость реакции возрастает с температурой по экспоненциальному закону, согласно уравнению Аррениуса, отражающему зависимость константы скорости от температуры

где А – коэффициент пропорциональности Аррениуса;

k– постоянная Больцмана;

ЕАэнергия активации;

R – газовая постоянная;

Т– температура.

Катализатор – вещество, ускоряющее скорость реакции, которое само при этом не расходуется.

Катализ – явление изменения скорости реакции в присутствии катализатора. Различают гомогенный и гетерогенный катализ. Гомогенный – если реагенты и катализатор находятся в одном агрегатном состоянии. Гетерогенный – если реагенты и катализатор в различных агрегатных состояниях. Про катализ см. отдельно (дальше).

Ингибитор – вещество, замедляющее скорость реакции.

Следующий фактор – площадь поверхности. Чем больше поверхность реагирующего вещества, тем больше скорость. Рассмотрим на примере влияние степени дисперсности на скорость реакции.

CaCO3 – мрамор. Плиточный мрамор опустим в соляную кислоту HCl, подождем пять минут, он растворится полностью.

Порошкообразный мрамор – с ним проделаем ту же процедуру, он растворился через тридцать секунд.

Уравнение обоих процессов одинаково.

CaCO3(тв) + HCl(г) = CaCl2(тв) + H2O(ж) + CO2(г) ?.

Итак, при добавлении порошкообразного мрамора время меньше, чем при добавлении плиточного мрамора, при одинаковой массе.

С увеличением поверхности раздела фаз скорость гетерогенных реакций увеличивается.

Данный текст является ознакомительным фрагментом.

Продолжение на ЛитРес

Скорость химической реакции кинетическое уравнение и константа скорости закон действующих масс

Скорость химической реакции. Кинетическое уравнение и константа скорости. Закон действующих масс.

Многое удается узнать о химических реакциях, изучая скорость их протекания и факторы, от которых она зависит. Этим занимается раздел химии, называемый ХИМИЧЕСКОЙ КИНЕТИКОЙ.

Скоростью химической реакции называется количество вещества, вступающего в реакцию или образующегося при реакции за единицу времени в единице объема системы.

Количество вещества выражают в МОЛЯХ, а объем в ЛИТРАХ. В этом случае мы получаем удобную для работы величину — КОНЦЕНТРАЦИЮ вещества в моль/л, которая ИЗМЕНЯЕТСЯ в ходе реакции. Таким образом, скоростью реакции называют изменение концентрации какого-нибудь вещества, участвующего в реакции, за единицу времени (например, за секунду или за минуту). Отсюда другое определение скорости реакции:

Скоростью химической реакции называется ИЗМЕНЕНИЕ КОНЦЕНТРАЦИИ реагента или продукта в единицу времени.

Разницу между тем, что было и тем, что стало, часто обозначают буквой греческого алфавита  (дельта) Следовательно, только что приведенное определение математически можно выразить так:

V = С2 – С1t2 — t1= С / t)

где v — скорость реакции, С1 и С2 — молярные концентрации веществ в моменты времени t1 и t2 соответственно, C — изменение концентрации (в моль/л), а  — интервал времени, в течение которого это изменение произошло (сек). Следовательно, размерность у скорости реакции такая: «моль/л.сек».Знак (+) ставится если скорость определяется по продукту реакции, знак (–) – по исходному веществу.

Чаще речь идет об убыли концентрации исходного вещества, поэтому изменение концентрации берется со знаком «минус».

За скоростью реакции А + Б = В можно следить по расходованию одного из реагентов (А или Б), либо по накоплению продукта (В). Здесь мы сталкиваемся с серьезной проблемой: скорость реакции может постоянно МЕНЯТЬСЯ. Действительно, в начале реакции, когда молекул А и Б еще много, столкновения между ними происходят гораздо чаще, чем в конце реакции, когда молекул А и Б уже намного меньше. Как мы знаем, столкновения молекул являются поводом для реакции между ними. На рис. 1 показана упрощенная модель реакции А + Б = В, в которой каждое столкновение приводит к химической реакции между двумя частицами. Впрочем, такие реакции тоже есть. Например, практически каждое столкновение ионов Н+ и ОН в растворе приводит к образованию молекулы Н2О (у этой реакции низкая энергия активации).

    

Рис. 1. Модель реакции А + Б = В. Образование продукта (В) происходит быстро в начале реакции и замедляется ближе к концу реакции. На графике накопления продукта (В) в смеси хорошо видно, что при одном и том же интервале времени  изменение концентрации C в начале реакции больше, чем в конце реакции. Таким образом, скорость химического превращения может постоянно меняться в ходе реакции. Поэтому выражение для скорости реакции, записанное выше, позволяет рассчитать среднюю скорость реакции. Как же быть в таком случае? Что принимать за истинную скорость реакции? К счастью, существует подход, который позволяет устранить эту трудность в изучении скоростей химических реакций.

Чем больше концентрация молекул (А) или (Б) в смеси, тем больше вероятность столкновения между ними. Если обозначить буквами А и Б (в квадратных скобках) молярные концентрации этих веществ, то скорость реакции будет пропорциональна произведению этих молярных концентраций:

v = [А моль/л][Б моль/л] (1)

В дальнейшем обозначения «моль/л» в квадратных скобках мы уже писать не будем. Заметим, что в полученном нами выражении (1) для скорости химической реакции размерности левой и правой части не совпадают. Действительно, размерность скорости реакции, как мы уже знаем, «моль/л.сек», а размерность произведения в правой части уравнения другая: «моль22«. Для того чтобы выровнять размерности в правой и левой частях уравнения, нужен коэффициент пропорциональности. Обозначим его буквой k и присвоим ему размерность «л/моль.сек». Тогда уравнение (1) примет такой вид:

v = k[А][Б] (2)

Оказалось, что коэффициент пропорциональности k способен выполнять гораздо более полезную функцию, чем простое выравнивание размерностей в левой и правой частях уравнения (2). Коэффициент k НЕ ЗАВИСИТ от концентраций [А] и [Б]. Эти концентрации (как и скорость) могут изменяться в ходе реакции, но значение k сохраняется ПОСТОЯННЫМ для данной реакции в выбранных условиях. Поэтому коэффициент k называют КОНСТАНТОЙ СКОРОСТИ РЕАКЦИИ. Уравнение (2) называется КИНЕТИЧЕСКИМ УРАВНЕНИЕМ для реакций типа А + Б = В (или А + Б = В + Г + …). В кинетическом уравнении скорость реакции не зависит от количества ПРОДУКТОВ реакции и их концентраций. Это и понятно: ведь скорость реакции в данном случае определяется только столкновениями молекул реагентов (А) и (Б). Константу скорости k можно определить экспериментально: она численно равна скорости реакции в тот момент, когда концентрации исходных веществ равны 1 моль/л:

v = k[А][Б] = k[1][1], следовательно, в этот момент v = k

Константа скорости k дает химикам возможность КОЛИЧЕСТВЕННО обсуждать вопросы, связанные с изучением скоростей реакций. Приведем пример.

Реакция

Условия

Кинетическое уравнение

k

H+ + OH = H2O

20 oC

v = k[H+][OH]

1,4. 1011 л/моль.сек

NH4+ = NH3 + H+

20 oC

v = k[NH4+]

24 сек-1

Измеренные константы скоростей приведенных реакций позволяют уже не просто говорить о том, что реакция нейтрализации (H+ + OH) протекает намного быстрее реакции разложения иона аммония. Можно рассуждать количественно: при 20 оС реакция нейтрализации протекает в 6.109 раз быстрее, чем реакция распада иона аммония на аммиак и ион водорода.

** Интересен вопрос о том, почему в кинетическом уравнении (2) фигурирует именно ПРОИЗВЕДЕНИЕ молярных концентраций реагентов? Почему, например, не сумма? Ответ можно получить экспериментально и теоретически. Эксперимент подтверждает правильность кинетического уравнения, но к нему можно прийти и из теории вероятностей.

Для того чтобы столкнуться, молекулы (А) и (Б) должны оказаться одновременно в какой-то точке пространства. Вероятность того, что два независимых события произойдут одновременно (молекулы А и Б окажутся в одно время в одном и том же месте) равна ПРОИЗВЕДЕНИЮ вероятностей каждого из этих событий по отдельности. Это положение теории вероятностей легко проверяется. Наибольшую вероятность обозначают единицей. Например, вероятность того, что подброшенная вверх монета упадет плашмя, практически равна 1. Вероятность того, что монета упадет орлом вверх, равна 1/2. Если мы подбросим одновременно две монеты, то вероятность того, что обе они упадут орлом вверх, составляет 1/2.1/2 = 1/4. Это означает, что в серии из 4-х опытов с подбрасыванием монет только один раз выпадут два орла. Если в маленькой серии опытов и произойдет отклонение от теории, то в большой серии (например, из 100 опытов), таких отклонений уже практически не наблюдается. Можете проверить сами. Вероятность для молекул А одновременно оказаться в одном и том же месте прямо пропорциональна молярной концентрации этих молекул [А]. Это же можно сказать о молекулах Б. Следовательно, вероятность их столкновения должна быть пропорциональна ПРОИЗВЕДНИЮ молярных концентраций [А][Б].

Бывают случаи, когда реакция происходит в результате одновременного столкновения трех частиц. Например, для реакции 2А + Б = В (или 2А + Б = В + Г +…) кинетическое уравнение должно выглядеть так:

v = k[А][А][Б] или v = k[А]2[Б]

В общем случае, для реакции

aA +bB + cC = dD + eE + fF + …

кинетическое уравнение для скорости реакции записывается следующим образом:

v = k[A]a[B]b[C]c (3)

Оно представляет собой произведение концентраций реагентов, каждая из которых взята в степени, равной числу молей соответствующего вещества в полном уравнении реакции. Это не что иное, как математическая запись ЗАКОНА ДЕЙСТВИЯ МАСС. Часто встречается и термин ЗАКОН ДЕЙСТВУЮЩИХ МАСС, причем можно использовать любое из этих названий. Закон действующих масс и его математическое выражение — кинетическое уравнение — называют основным законом химической кинетики. Этот закон можно сформулировать так:

При постоянной температуре скорость химической реакции прямо пропорциональна произведению молярных концентраций реагентов.

Название основного закона химической кинетики связано с работами норвежских ученых Гульдберга и Вааге, опубликованными в 1864 и 1867 гг. Этими исследователями было экспериментально показано, что скорость реакции пропорциональна произведению «масс реагентов в реакции», то есть «действующих масс», откуда и возникло название.

Общее уравнение (3) требуется только для обсуждения вопросов, связанных с химическим равновесием. В реальных химических реакциях одновременное столкновение между собой уже трех реагирующих частиц — редкое событие, поэтому таких реакций немного. Большинство химических реакций происходит либо при распаде одной частицы (А = Б + В + Г…), либо при столкновении между собой двух частиц (А + Б = В + Г…). Если уравнение реакции сложное, то, скорее всего, она включает в себя несколько более простых реакций, каждая из которых происходит путем попарных столкновений, либо путем распада одной частицы. Эти простые реакции называют элементарными реакциями. Только для таких — элементарных реакций — справедливо кинетическое уравнение (3). Приведем пример. Для окислительно-восстановительной реакции:

K2Cr2O7 + 14 HI = 3 I2 + 2 CrI3 + 2 KI + 7 H2O

не следует торопиться записать кинетическое уравнение:

v = k[K2Cr2O7][HI]14 (неправильно!)

Эта сложная реакция на самом деле включает в себя несколько простых (элементарных) реакций. Трудно представить, что для образования продуктов должны одновременно столкнуться между собой одна молекула K2Cr2O7 и 14 молекул HI. Это совершенно невероятное событие! Кроме того, оба исходных соединения распадаются в растворе на ионы, поэтому трудно даже ожидать, что между собой должны столкнуться частицы восстановителя (I) и окислителя (Cr2O72-) в виде анионов (ведь они отталкиваются друг от друга). Ион Cr2O72- должен претерпеть ряд сложных превращений, прежде чем превратится в частицу, столкновение которой с ионом иода действительно приведет к химической реакции. Для этого должно произойти несколько элементарных реакций, каждая из которых описывается своим собственным (простым) кинетическим уравнением и имеет свою константу скорости.

В итоге общую скорость реакции определяет какая-то самая медленная элементарная реакция. Такая реакция называется лимитирующей стадией. Как же найти общее кинетическое уравнение для нашей окислительно-восстановительной реакции? Сделать это можно только экспериментально. Оказалось, что скорость данной реакции при 25 оС зависит только от концентрации бихромата калия и НЕ ЗАВИСИТ от концентрации иодоводородной кислоты HI:

v = k[K2Cr2O7]

** Следовательно, лимитирующая стадия связана с каким-то превращением бихромата калия. Так кинетика помогает узнать механизм реакции. Если написать не просто уравнение реакции, включающее только исходные вещества и конечные продукты, но и все промежуточные вещества в этой реакции (часто они неустойчивы и выделить их невозможно), то мы получим запись механизма реакции. Именно промежуточные вещества определяют выбор того или иного возможного направления реакции. Поэтому знание механизма позволяет управлять реакцией по желанию химика. Для выяснения механизма требуются дополнительные исследования.

Приведем другой пример. Изучение реакции окисления NO кислородом показало, что в этом случае кинетическое уравнение соответствует полному химическому уравнению:

2 NO + O2 = 2 NO2

v = k[NO]2[O2]

Это редкий пример тримолекулярной реакции. Молекулярность реакции — это число исходных частиц, одновременно взаимодействующих друг с другом в одном элементарном акте реакции. Молекулярность реакции может составлять 1, 2 или 3. Соответственно различают мономолекулярные, бимолекулярные и тримолекулярные реакции. Например, реакция NH4+ = NH3 + H+ является мономолекулярной, а реакция H+ + OH = H2O — бимолекулярной.

О кинетическом уравнении v = k[A]a[B]b[C]c говорят, что оно имеет порядок по каждому из входящих в него веществ. Порядок реакции по данному веществу — это показатель степени при концентрации данного вещества в кинетическом уравнении. Например, уравнение v = k[NO]2[O2] имеет второй порядок по NO и первый порядок по О2. Сумма порядков по всем веществам (a + b + c) называется общим или суммарным порядком реакции. Например, кинетическое уравнение v = k[H+][OH] имеет общий второй порядок. Уравнение v = k[NO]2[O2] имеет общий третий порядок. Уравнения типа v = k[NH4+] или v = k[K2Cr2O7] — первого порядка.

Для элементарных реакций порядок реакции — целочисленная величина, совпадающая с молекулярностью реакции. Для всех других (не элементарных, сложных) реакций их порядки МОЖНО ОПРЕДЕЛИТЬ ТОЛЬКО ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНО. Причем они могут иметь как целочисленные, так и дробные и (даже нулевое!) значение. В реальных кинетических исследованиях редко встречается порядок реакции выше третьего.

Иногда для описания химических процессов важно знать мгновенную скорость реакции (т.е. скорость в данный момент времени). Для ее определения

  1. строят график зависимости концентрации исходного вещества от времени;

  2. для определения скорости в момент времени проводят касательную до пересечения с осью «время»;

  3. определяют угол наклона касательной α;

  4. мгновенная скорость равна тангенсу угла наклона

ЗАДАЧИ

1. Ниже приведены опытные данные по двум реакциям. Реакция (1) происходит в газовой фазе, а реакция (2) — в растворе.

 

Полное уравнение реакции:

Кинетическое уравнение, установленное опытным путем:

Усло-вия:

k

Ea

кДж/моль

1)

2 NO + Cl2 = 2 NOCl

v = k[NO]2[Cl2]

0 оС

5,4

18,8

2)

3 KBrO = KBrO3 + 2 KBr

v = k[KBrO]2

80 oC

9,3. 10-4

105

а) Если реакции проводить при одной температуре, то которая из них будет протекать быстрее и почему? б) Каков суммарный порядок реакции (1)? в) Каков суммарный порядок реакции (2)? г) Какова молекулярность реакции (1)? д) Какова молекулярность реакции (2)?

2. 2 л раствора вещества А (концентрация 0,6 моль/л) смешали для реакции с 3 л раствора вещества Б (1 моль/л). Какова начальная концентрация веществ А и Б в полученном растворе?

3. Оксид азота (II) NO окисляется кислородом О2 с образованием оксида азота (IV) NO2 (в газовой фазе). Кинетическое уравнение этой реакции соответствует полному химическому уравнению. Как изменится скорость реакции, если давление увеличить в два раза? Исследуйте задачу: убедитесь в том, что ответ не зависит от молярного соотношения реагентов.

4. Реакция А + Б = В является бимолекулярной. Начальные концентрации веществ таковы: [А]н = 2,5 моль/л, [Б]н = 1,5 моль/л. Константа скорости реакции k = 0,8 л/моль.сек. Вычислите концентрацию вещества [А] и скорость реакции к моменту, когда концентрация вещества [Б] составит 0,5 моль/л.

*** 5. Реакция 2А + Б = В является тримолекулярной. Начальные концентрации веществ таковы: [А]н = 2,5 моль/л, [Б]н = 1,5 моль/л. Константа скорости реакции k = 0,8 л2/моль2.сек. Вычислите концентрацию вещества [А] и скорость реакции к моменту, когда концентрация вещества [Б] составит 0,5 моль/л.

Почему все возможные химические реакции еще не произошли? Энергия активации. Понятие о скорости химической реакции.

Рассмотрим реакцию, которая происходит в замкнутом сосуде между некими газообразными веществами А и Б по уравнению:

А + Б = В

Для того, чтобы молекулы А и Б прореагировали между собой, они должны сначала столкнуться. Причем столкновение должно быть достаточно энергичным. Энергия, запасенная в молекулах А и Б, должна быть больше какой-то определенной величины — иначе они просто отталкиваются друг от друга, не вступая в реакцию. Если же энергия столкновения достаточна, образуется продукт В. Мерой «энергичности» молекул может служить, например, скорость их движения, которая возрастает с повышением температуры газа. Кстати, тепло или холод мы воспринимаем именно как результат столкновений окружающих нас «быстрых» или «медленных» молекул атмосферы с нашей кожей.

Однако не все молекулы при данной температуре обладают одинаковой энергией и движутся с одинаковой скоростью. Существует распределение молекул по скоростям, а значит и по энергии. Только часть молекул движется с очень малой или очень большой скоростью, но большинство — с некоторой средней скоростью (рис. 2). Реагировать может только та часть молекул, в которых запасенная энергия выше некоторого определенного предела для каждой конкретной реакции (эта область заштрихована на рис.2).

Рис. 2. Распределение молекул по энергии при какой-то определенной температуре. По горизонтальной оси отложена энергия молекул. На вертикальной оси показано количество молекул данной энергии. Значение Emin представляет собой некоторую минимальную энергию, которой должна обладать молекула, чтобы вступить в некую химическую реакцию. Количество таких «активных» молекул примерно пропорционально заштрихованной площади под кривой.

Пояснить ситуацию может простой пример: по городским улицам движется множество машин, причем только небольшая их часть едет либо с очень маленькой, либо, наоборот, с очень большой скоростью. Основная же масса транспорта движется по городу с какой-то средней (не очень большой и не очень маленькой) скоростью. В реакционном сосуде молекулы тоже распределяются по скоростям (и по энергии) неравномерно. Необходимой для химической реакции энергией обладает только ЧАСТЬ сталкивающихся молекул.

** Расчеты показывают, что в обычных условиях молекулы газа сталкиваются между собой чрезвычайно часто. Однако, как мы видим, далеко не все столкновения молекул А и Б приводят к химической реакции между ними. Значительная часть молекул «ждет» удачного столкновения, чтобы переместиться в закрашенную на рис. 2 область. Такой способ приобретения молекулами энергии называется термической активацией молекул. Но этот способ — не единственный. Например, если молекула А только что образовалась в результате какой-нибудь экзотермической реакции и еще не успела отдать энергию в окружающую среду, она оказывается активированной для дальнейших реакций. Такой способ активации не требует столкновений с другими молекулами и называется химической активацией. Еще один способ активации молекул без столкновений — поглощение ими энергии света. Но, подчеркнем, в большинстве наблюдаемых нами реакций активированные молекулы находятся в меньшинстве по сравнению с основной массой «не активных» молекул.

Отсюда следует важный вывод: никакая химическая реакция не может происходить мгновенно (сразу между всеми молекулами), поскольку значительная их часть просто не обладает достаточной энергией для этого. Следовательно, каждая химическая реакция происходит с какой-то конечной СКОРОСТЬЮ. Под скоростью реакции мы будем понимать число молекул, которые вступают в химическое взаимодействие с другими молекулами за единицу времени. Удобно это число молекул выражать в МОЛЯХ и относить к единице объема смеси.

Скоростью химической реакции называется количество вещества, вступающего в реакцию или образующегося при реакции за единицу времени в единице объема системы.

В это время с молекулами А и Б происходит настоящая катастрофа — старые химические связи уже почти разрушились, а новые, характерные для молекулы В, еще не успели вполне сформироваться. В такой момент вещество, заключенное в этих молекулах, неустойчиво и имеет высокую энергию. Подобное состояние в химической реакции называется ПЕРЕХОДНЫМ СОСТОЯНИЕМ (когда молекула представляет собой нечто «среднее» между молекулами А, Б и В).

Графически переходное состояние реакции можно изобразить так, как показано на рис. 3. Здесь по вертикальной оси отложена СРЕДНЯЯ энергия молекул на разных стадиях химического превращения — когда они еще являются молекулами А и Б, затем когда уже превратились в переходное состояние и, наконец, когда стали молекулой В. Горизонтальная ось называется координатой реакции и отражает степень «похожести» вещества в процессе реакции на конечную молекулу В. Переходное состояние вещества занимает самую высокую позицию на оси энергии.

Рис.3. Энергетический профиль экзотермической реакции А + Б = В. Разница между средней энергией молекул А и Б и средней энергией переходных состояний (которые тоже рассматриваются как молекулы), называется энергетическим барьером или энергией активации Еа этой реакции. Энергетические барьеры существуют не только у экзо-, но и у эндотермических реакций.

Энергетическая диаграмма химической реакции.

 

Экзотермическая реакция

Эндотермическая реакция

 

А — реагенты, В — активированный комплекс (переходное состояние), С — продукты.

Чем больше энергия активации Ea, тем сильнее возрастает скорость реакции при увеличении температуры.

Итак, мы видим, что начальное и конечное состояние вещества в химической реакции разделены неким энергетическим барьером. Его величина выражеется в кДж на моль А (или на моль Б). Этот барьер называется энергией активации реакции и обозначается символом Еа.

Энергией активации Еа называется средняя избыточная энергия Е (по сравнению со средней энергией движения), которой должны обладать реагирующие частицы (атомы, молекулы), чтобы преодолеть энергетический барьер, разделяющий в химической реакции реагенты (исходное состояние) и продукты (конечное состояние).

** Не следует путать значения Еа и Еmin из рис. 105. Во-первых, по достижении молекулами энергии Еmin скорость реакции еще настолько мала, что такую реакцию мы вряд ли могли бы наблюдать.

Во-вторых, энергия активации Еа — это разница между СРЕДНЕЙ энергией исходных веществ и СРЕДНЕЙ энергией того же вещества, уже находящегося в переходном состоянии (при этом переходные состояния тоже рассматриваются как МОЛЕКУЛЫ, пусть даже и необычные). В отличие от Emin, которую можно представить для отдельной молекулы, энергия активации Еа может быть определена только для АНСАМБЛЯ реагирующих молекул! Термин «энергия активации» для ОТДЕЛЬНОЙ молекулы не имеет никакого смысла.

Приведем пример. На рис. 4 показано распределение по скоростям молекул газообразного азота при трех различных температурах. Азот — очень инертное вещество, но все-таки его можно заставить вступать в химические реакции. Допустим, молекулы азота могут реагировать с неким элементом только тогда, когда они «разогнаны» до скорости 2000 м/сек и более.

Рис. 4. Распределение молекул газообразного азота по скоростям при трех различных температурах. Температура в кельвинах указана рядом с каждой кривой.

Поскольку энергия не берется «ниоткуда», при температуре 1273 К энергия переходного состояния вещества находится где-то в закрашенной (желтым цветом) области «энергичных» молекул. Разница между этой средней энергией переходных состояний и средней энергией исходных молекул называется энергией активации Еа.

Если мы повысим температуру реагирующей смеси до 2273 К, то кривая сдвигается вправо по шкале энергий (и шкале скорости молекул), но разница Е = Еа сохранится. Таким образом, энергия активации Еа практически не зависит от температуры.

Этого нельзя сказать о скорости реакции, которая с повышением температуры увеличивается. Действительно, теперь область энергичных» молекул закрашена не только желтым, но и оранжевым цветом. Эта площадь пропорциональна числу реагирующих молекул. Следовательно, при температуре 2273 К скорость реакции будет заметно выше, чем при температуре 1273 К.

Можно изобразить это и другим способом. На рис. 5 показаны три ситуации: а) при температуре 273 К вообще нет активированных молекул азота и химическая реакция не происходит; б) при температуре 1273 К реакция уже идет, но её скорость не велика; в) при температуре 2273 К скорость химической реакции заметно выше.



Рис. 5. При повышении температуры активационный барьер Еа и тепловой эффект реакции Q не изменяются, но возрастает скорость химической реакции.

До сих пор мы сравнивали ОДНУ И ТУ ЖЕ реакцию при разных температурах. Если же сравнить между собой РАЗЛИЧНЫЕ химические реакции, протекающие в одинаковых условиях, то выясняется следующее.

Для каждой химической реакции характерно свое собственное значение Еа (не зависящее от температуры). В большинстве случаев энергия активации химических реакций между нейтральными молекулами составляет от 80 до 240 кДж/моль. Чем НИЖЕ активационный барьер Еа какой-либо химической реакции, тем БЫСТРЕЕ она идет в данных условиях, потому что большее число молекул А и Б способны преодолевать барьер в единицу времени.

Если в другой химической реакции активационный барьер ВЫШЕ, то такая реакция в тех же условиях идет МЕДЛЕННЕЕ. Если барьер очень высок, в системе вообще нет молекул, способных преодолеть активационный барьер и реакция не происходит.

Итак, мы видим, что для протекания химической реакции молекулы исходных веществ должны сначала преодолеть активационный барьер Еа. Таким образом, активационный барьер может являться препятствием для самопроизвольного протекания даже очень «выгодных» с энергетической точки зрения экзотермических реакций.

Например, если бы не было активационного барьера, реакция горения метана в кислороде начиналась бы сразу после соприкосновения метана с воздухом. В этом случае не только природный газ (в нем 95% метана), но и нефть, бензин, уголь, бумагу, одежду, мебель, деревянные постройки и все, что в принципе может гореть, пришлось бы тщательно изолировать от воздуха. К счастью, на пути самопроизвольного протекания этих экзотермических реакций стоит активационный барьер Еа.

Когда мы подносим горящую спичку к открытой конфорке газовой плиты, мы заставляем какую-то часть молекул метана и кислорода «перескочить» активационный барьер, не преодолимый при комнатной температуре. В дальнейшем энергия активации для взаимодействия все новых и новых молекул метана и кислорода черпается уже из тепла самой экзотермической реакции.

ЗАДАЧИ

6. Возможна ли жизнь на планете земного типа, где энергия активации для любой химической реакции была бы равна нулю? Как вы думаете, какие явления, наблюдаемые на Земле, были бы невозможны на такой планете?

7. Оцените (по принципу больше–меньше) энергии активации>: а) реакции окисления железа кислородом в присутствии воды; б) реакции окисления метана кислородом. Напишите уравнения этих реакций.

8. Приведите по одному примеру: а) физического превращения и б) химического превращения, протекающих с очень высокими скоростями. Приведите по одному примеру таких превращений, протекающих с очень низкими скоростями.

9. Прочитав этот параграф, наш хороший знакомый Юх задумался над тем, нельзя ли изобрести такой прибор, который мог бы снижать до нуля энергию активации любых химических реакций? Допустим, думал Юх, такой прибор уже создан в моей лаборатории и его предстоит испытать. Что произойдет во время испытания?

Юх взял лист бумаги и сделал набросок фантастического рассказа: «Едва я включил прибор, как в лаборатории вспыхнули шторы и начал тлеть деревянный лабораторный стол, на котором стояла установка. Хорошо, что перед испытанием я смочил одежду водой из пульверизатора, поэтому одежда пока не загоралась, но внезапно задымились кожаные ботинки. К счастью, мне самому ничего не грозило – ведь в атмосфере 20% кислорода, а при такой его концентрации горючие предметы не воспламеняются, если их влажность превышает 15%. И лес за окном, и зеленая трава пока тоже в безопасности! Но надо было спасать шторы и стол. Я бросился к водопроводному крану и с ужасом обнаружил, что стальные трубы на моих глазах вспучиваются от ржавчины и рассыпаются в труху! В лабораторию хлынула вода из отверстий в стене, а за окном вдруг взметнулся столб пламени – это взорвался бензобак нашего автомобиля. Хорошо, что радиус действия прибора ограничен, успел подумать я и вдруг ощутил волчий голод. К счастью, моя мысль теперь работала с быстротой молнии. В мгновение ока я очутился около рубильника и выключил ток. Шторы и стол мгновенно погасли, а за окном перестали быть видны всполохи огня. Я с облегчением опустился на слегка обугленный стул. ..» Найдите одну существенную и несколько мелких неточностей в фантастическом рассказе нашего уважаемого Юха, исправьте их и дополните рассказ другими деталями.

Факторы, влияющие на скорость химических реакций.

 

  1. Природа реагирующих веществ.

Большую роль играет характер химических связей и строение молекул реагентов. Реакции протекают в направлении разрушения менее прочных связей и образования веществ с более прочными связями. Так, для разрыва связей в молекулах H2 и N2 требуются высокие энергии; такие молекулы мало реакционноспособны. Для разрыва связей в сильнополярных молекулах (HCl, H2O) требуется меньше энергии, и скорость реакции значительно выше. Реакции между ионами в растворах электролитов протекают практически мгновенно.

Примеры.

 

Фтор с водородом реагирует со взрывом при комнатной температуре, бром с водородом взаимодействует медленно и при нагревании.

Оксид кальция вступает в реакцию с водой энергично, с выделением тепла; оксид меди — не реагирует.

 

2.      Концентрация.

С увеличением концентрации (числа частиц в единице объема) чаще происходят столкновения молекул реагирующих веществ — скорость реакции возрастает. По закону действующих масс (К. Гульдберг, П.Вааге, 1867г.)

 

Скорость химической реакции прямо пропорциональна произведению концентраций реагирующих веществ.

 

 Для гетерогенных реакций концентрация твердой фазы в выражение скорости реакции не входит.

 

3.      Температура.

При повышении температуры на каждые 10°C скорость реакции возрастает в 2-4 раза (Правило Вант-Гоффа). При увеличении температуры от t1 до t2 изменение скорости реакции можно рассчитать по формуле:

 

 

 

 

(t2 — t1) / 10

Vt2 / Vt1

= g

 

 

где Vt2 и Vt1 — скорости реакции при температурах t2 и t1 соответственно; g- температурный коэффициент данной реакции.

Правило Вант-Гоффа применимо только в узком интервале температур. Более точным является уравнение Аррениуса:

 

k = A • e Ea/RT

где

A — постоянная, зависящая от природы реагирующих веществ;

R — универсальная газовая постоянная [8,314 Дж/(моль • К) = 0,082 л •  атм/(моль • К)];

Ea — энергия активации, т.е. энергия, которой должны обладать сталкивающиеся молекулы, чтобы столкновение привело к химическому превращению.

 

4. Поверхность соприкосновения реагирующих веществ.

Для гетерогенных систем (когда вещества находятся в разных агрегатных состояниях), чем больше поверхность соприкосновения, тем быстрее протекает реакция. Поверхность твердых веществ может быть увеличена путем их измельчения, а для растворимых веществ — путем их растворения.

 

5. Катализ.

Вещества, которые участвуют в реакциях и увеличивают ее скорость, оставаясь к концу реакции неизменными, называются катализаторами. При гомогенном катализе реагенты и катализатор составляют одну фазу (находятся в одном агрегатном состоянии), при гетерогенном катализе — разные фазы (находятся в различных агрегатных состояниях).

 Механизм каталитического действия для них не одинаков, однако и в том и в другом случае происходит ускорение реакции за счет снижения Ea.

Так, медленно протекающая реакция A + B → А…B → AB (ΔG < 0) в присутствии катализатора идет с большей скоростью в две стадии:

т. е. образуются частицы промежуточного соединения AK (катализатора с реагентами), затем активный комплекс AKB и конечные продукты с регенерацией катализатора. Следовательно, каталитический путь оказывается кинетически более выгодным, чем прямое взаимодействие исходных веществ.

1

Рис. 6

Изображение реакционного пути некаталитической A + B → AB реакции (кривая 1) и гомогенной каталитической реакции (кривая 2)

Резко замедлить протекание нежелательных химических процессов в ряде случаев можно добавляя в реакционную среду ингибиторы (явление «отрицательного катализа«).

Из истории открытия каталитических свойств.

В 1823 году, когда свойства платины уже считали хорошо изученными, немецкий химик И. Дёберейнер продемонстрировал опыт, который выглядел как фокус и вызвал общее недоверие. Дёберейнер, выпуская из сосуда струю водорода, помещал на ее пути тонкодисперсную (губчатую) платину, и тотчас же водород загорался сам собой при комнатной температуре и даже на морозе. Опыт повторяли многие и убедились — подвоха нет. Сколько бы раз ни воспламеняли струю, сколько бы времени ни горел водород, платина у контакта с ним остается неизменной, сохраняя свой вес, вид, свойства. Следовательно, она не участвует в реакции, так почему же тогда, соприкасаясь с ней, загорается водород? Почему нагревается платина?

Объяснить это не смог тогда никто, за исключением, как иронически отметил автор открытия, сторонников старой версии о том, что платина — творение бесовское. Не пытаясь их опровергнуть, Дёберейнер сосредоточил усилия на практическом использовании замечательного свойства, создав водородное (или дёберейнерово) огниво — свинцовый сосуд, в котором серная кислота, реагируя с цинком, образует водород. Его струя, при выходе из крана, соприкоснувшись с платиновой пластинкой, загоралась. Горение прекращали, закрыв кран. При этом давление газа в сосуде возрастало, оттесняя кислоту от цинка, и образование водорода прекращалось, пока кран вновь не будет открыт. Такой быстрый и безопасный способ получения огня до изобретения спичек пользовался широким распространением. Огниво сумели «миниатюризировать» почти до размера современной зажигалки.

Новое свойство платины привлекло общее внимание и тут выяснилось, что первым, правда в менее эффектной форме, его подметил X. Дэвн, обнаруживший в 1818 году, что в присутствии платины кислород самопроизвольно превращает винный спирт в уксусную кислоту. Вскоре Дёберейнер продемонстрировал еще один эффектный опыт: он взрывал гремучий газ, приближая к нему платину, как волшебную палочку.

В те же годы другие исследователи установили, что способность возбуждать химические реакции, замедлять их или ускорять не является уникальной особенностью платины, а присуща и некоторым другим элементам и соединениям. Берцелиус в 1835 году предложил вещества, обладающие таким свойством, называть катализаторами (от древнегреческого: разлагать, возбуждать). Вслед за огнивом были изобретены каталитические грелки. Они применяются и поныне: горючее из резервуара по фитилю подводят к платиновому катализатору. Под его влиянием, взаимодействуя с кислородом воздуха, горючее окисляется и порождает тепло без образования пламени, при безопасной для воспламенения температуре.

В конце прошлого века был придуман контактный способ получения серной кислоты путем окисления сернистого газа на платине. Для экономного ее расходования применили «пушонку» — тончайшие волокна асбеста, покрытые платиновой чернью. С той поры катализаторы, платиновые и другие, применяются все шире и во многом обусловили прогресс химической технологии, хотя причины их «магического» действия прояснялись очень медленно, вместе с ростом знаний о строении вещества.

12.2 Факторы, влияющие на скорость реакции — химия 2e

Цели обучения

К концу этого раздела вы сможете:

  • Описать влияние химической природы, физического состояния, температуры, концентрации и катализа на скорость реакции

Скорости расходования реагентов и образования продуктов в ходе химических реакций сильно различаются. В этом разделе будут рассмотрены пять факторов, обычно влияющих на скорость химических реакций: химическая природа реагирующих веществ, степень разделения (один большой кусок против множества мелких частиц) реагентов, температура реагентов, концентрация реагенты и наличие катализатора.

Химическая природа реагирующих веществ

Скорость реакции зависит от природы участвующих веществ. Реакции, которые кажутся похожими, могут иметь разную скорость в одних и тех же условиях, в зависимости от идентичности реагентов. Например, когда небольшие кусочки металлов железа и натрия подвергаются воздействию воздуха, натрий полностью реагирует с воздухом в течение ночи, в то время как железо практически не изменяется. Активные металлы кальций и натрий реагируют с водой с образованием газообразного водорода и основания.Тем не менее, кальций реагирует с умеренной скоростью, тогда как натрий реагирует так быстро, что реакция почти взрывоопасна.

Физические состояния реагентов

Химическая реакция между двумя или более веществами требует тесного контакта между реагентами. Когда реагенты находятся в разных физических состояниях или фазах (твердые, жидкие, газообразные, растворенные), реакция протекает только на границе раздела фаз. Рассмотрим гетерогенную реакцию между твердой фазой и жидкой или газообразной фазой.По сравнению со скоростью реакции для крупных твердых частиц скорость для более мелких частиц будет выше, поскольку площадь поверхности, контактирующей с другой фазой реагента, больше. Например, крупные куски железа медленнее реагируют с кислотами, чем с мелкодисперсным железным порошком (рис. 12.6). Крупные куски дерева тлеют, более мелкие быстро горят, а опилки горят со взрывом.

Фигура 12,6 (a) Порошок железа быстро реагирует с разбавленной соляной кислотой и образует пузырьки газообразного водорода: 2Fe( s ) + 6HCl( aq ) ⟶⟶ 2FeCl 3 ( aq ) + 3H 2 ( ).(b) Железный гвоздь реагирует медленнее, потому что площадь поверхности, подвергающаяся воздействию кислоты, намного меньше.

Ссылка на обучение

Посмотрите это видео, чтобы увидеть реакцию цезия с водой в замедленной съемке и обсудить, как состояние реагентов и размер частиц влияют на скорость реакции.

Температура реагентов

Химические реакции обычно протекают быстрее при более высоких температурах. Еда может быстро испортиться, если ее оставить на кухонном столе. Однако более низкая температура внутри холодильника замедляет этот процесс, так что одни и те же продукты остаются свежими в течение нескольких дней.Газовые горелки, электроплитки и печи часто используются в лабораториях для увеличения скорости реакций, протекающих медленно при обычных температурах. Для многих химических процессов скорость реакции увеличивается примерно вдвое при повышении температуры на 10 °C.

Концентрации реагентов

Скорость многих реакций зависит от концентрации реагентов. Скорость обычно увеличивается, когда увеличивается концентрация одного или нескольких реагентов. Например, карбонат кальция (CaCO 3 ) портится в результате его реакции с загрязняющим веществом диоксидом серы.Скорость этой реакции зависит от количества диоксида серы в воздухе (рис. 12.7). Кислотный оксид, диоксид серы соединяется с водяным паром в воздухе с образованием сернистой кислоты в следующей реакции:

SO2(г)+h3O(г)⟶h3SO3(водн.)SO2(г)+h3O(г)⟶h3SO3(водн.)

Карбонат кальция реагирует с сернистой кислотой следующим образом:

CaCO3(s)+h3SO3(aq)⟶CaSO3(aq)+CO2(g)+h3O(l)CaCO3(s)+h3SO3(aq)⟶CaSO3(aq)+CO2(g)+h3O(l)

В загрязненной атмосфере с высокой концентрацией диоксида серы карбонат кальция разлагается быстрее, чем в менее загрязненном воздухе.Точно так же фосфор сгорает гораздо быстрее в атмосфере чистого кислорода, чем в воздухе, который состоит всего лишь на 20% из кислорода.

Фигура 12,7 Статуи, сделанные из карбонатных соединений, таких как известняк и мрамор, обычно медленно выветриваются с течением времени из-за воздействия воды, а также теплового расширения и сжатия. Однако загрязняющие вещества, такие как диоксид серы, могут ускорить выветривание. По мере увеличения концентрации загрязнителей воздуха разрушение известняка происходит быстрее.(кредит: Джеймс П. Фишер III)

Ссылка на обучение

Фосфор быстро горит на воздухе, но он будет гореть еще быстрее, если концентрация кислорода выше. Посмотрите это видео, чтобы увидеть пример.

Наличие катализатора

Относительно разбавленные водные растворы перекиси водорода, H 2 O 2 , обычно используются в качестве местных антисептиков. Перекись водорода разлагается с образованием воды и газообразного кислорода в соответствии с уравнением:

2h3O2(вод)⟶2h3O(ж)+O2(г)2h3O2(вод)⟶2h3O(ж)+O2(г)

В обычных условиях это разложение происходит очень медленно.Однако, когда разбавленный H 2 O 2 (водный) выливается на открытую рану, реакция происходит быстро, и раствор пенится из-за интенсивного выделения газообразного кислорода. Эта разительная разница вызвана присутствием в открытых тканях раны веществ, которые ускоряют процесс разложения. Вещества, которые увеличивают скорость реакции, называются катализаторами, и эта тема будет более подробно рассмотрена далее в этой главе.

Ссылка на обучение

Химические реакции происходят, когда молекулы сталкиваются друг с другом и подвергаются химическому превращению.Прежде чем физически провести реакцию в лаборатории, ученые могут использовать молекулярное моделирование, чтобы предсказать, как параметры, обсуждавшиеся ранее, повлияют на скорость реакции. Используйте интерактивное приложение PhET Reactions & Rates, чтобы узнать, как температура, концентрация и природа реагентов влияют на скорость реакции.

8.3: Факторы, влияющие на скорость реакции (кинетика)

Цели обучения
  • Описать влияние химической природы, физического состояния, температуры, концентрации и катализа на скорость реакции

Скорости расходования реагентов и образования продуктов в ходе химических реакций сильно различаются. Мы можем выделить пять факторов, влияющих на скорость химических реакций: химическая природа реагирующих веществ, степень разделения (один большой кусок против множества мелких частиц) реагентов, температура реагентов, концентрация реагентов, и наличие катализатора.

Химическая природа реагирующих веществ

Скорость реакции зависит от природы участвующих веществ. Реакции, которые кажутся похожими, могут иметь разную скорость в одних и тех же условиях, в зависимости от идентичности реагентов.Например, когда небольшие кусочки металлов железа и натрия подвергаются воздействию воздуха, натрий полностью реагирует с воздухом в течение ночи, в то время как железо практически не изменяется. Активные металлы кальций и натрий реагируют с водой с образованием газообразного водорода и основания. Тем не менее, кальций реагирует с умеренной скоростью, тогда как натрий реагирует так быстро, что реакция почти взрывоопасна.

Состояние Подразделения Реагентов

За исключением веществ в газообразном состоянии или в растворе, реакции происходят на границе или границе раздела двух фаз. Следовательно, скорость реакции между двумя фазами в значительной степени зависит от поверхности контакта между ними. Мелкодисперсное твердое вещество имеет большую площадь поверхности, доступную для реакции, чем один большой кусок того же вещества. Таким образом, жидкость будет быстрее реагировать с мелкоизмельченным твердым веществом, чем с большим куском того же твердого вещества. Например, большие куски железа медленно реагируют с кислотами; мелкодисперсное железо реагирует гораздо быстрее (рис. \(\PageIndex{1}\)). Крупные куски дерева тлеют, более мелкие быстро горят, а опилки горят со взрывом.

Рисунок \(\PageIndex{1}\): (a) Железный порошок быстро реагирует с разбавленной соляной кислотой и образует пузырьки газообразного водорода, поскольку порошок имеет большую общую площадь: 2Fe(s) + 6HCl(aq) ⟶ 2FeCl3(aq ) + 3h3(ж). (поверхностьb) Железный гвоздь реагирует медленнее.

Видео \(\PageIndex{1}\) : Реакция цезия с водой в замедленной съемке и обсуждение того, как состояние реагентов и размер частиц влияют на скорость реакции.

Температура реагентов

Химические реакции обычно протекают быстрее при более высоких температурах.Еда может быстро испортиться, если ее оставить на кухонном столе. Однако более низкая температура внутри холодильника замедляет этот процесс, так что одни и те же продукты остаются свежими в течение нескольких дней. Мы используем горелку или электроплитку в лаборатории, чтобы увеличить скорость реакций, протекающих медленно при обычных температурах. Во многих случаях повышение температуры всего на 10 °С примерно удваивает скорость реакции в гомогенной системе.

Концентрации реагентов

Скорость многих реакций зависит от концентрации реагентов.Скорость обычно увеличивается, когда увеличивается концентрация одного или нескольких реагентов. Например, карбонат кальция (\(\mathrm{CaCO_3}\)) портится в результате его реакции с загрязняющим веществом диоксидом серы. Скорость этой реакции зависит от количества диоксида серы в воздухе (рис. \(\PageIndex{2}\)). В качестве кислотного оксида диоксид серы соединяется с водяным паром в воздухе с образованием сернистой кислоты в следующей реакции:

\[\ce{SO}_{2(г)}+\ce{H_2O}_{(г)}⟶\ce{H_2SO}_{3(водн.)} \label{12.3.1}\]

Карбонат кальция реагирует с сернистой кислотой следующим образом:

\[\ce{CaCO}_{3(s)}+\ce{H_2SO}_{3(водн.)}⟶\ce{CaSO}_{3(водн.)}+\ce{CO}_{2 (g)}+\ce{H_2O}_{(l)} \label{12.3.2}\]

В загрязненной атмосфере с высокой концентрацией диоксида серы карбонат кальция разлагается быстрее, чем в менее загрязненном воздухе. Точно так же фосфор сгорает гораздо быстрее в атмосфере чистого кислорода, чем в воздухе, который состоит всего лишь на 20% из кислорода.

Рисунок \(\PageIndex{2}\): Статуи, сделанные из карбонатных соединений, таких как известняк и мрамор, обычно медленно выветриваются с течением времени из-за воздействия воды, а также теплового расширения и сжатия.Однако загрязняющие вещества, такие как диоксид серы, могут ускорить выветривание. По мере увеличения концентрации загрязнителей воздуха разрушение известняка происходит быстрее. (кредит: Джеймс П. Фишер III).

Видео \(\PageIndex{2}\) : Фосфор быстро горит на воздухе, но он будет гореть еще быстрее, если концентрация кислорода в нем выше.

Наличие катализатора

Растворы перекиси водорода пенятся при попадании на открытую рану, потому что вещества в открытых тканях действуют как катализаторы, увеличивая скорость разложения перекиси водорода.Однако при отсутствии этих катализаторов (например, во флаконе в аптечке) полное разложение может занять месяцы. Катализатор — это вещество, которое увеличивает скорость химической реакции за счет снижения энергии активации, но само при этом не расходуется в ходе реакции. Энергия активации – это минимальное количество энергии, необходимое для протекания химической реакции в прямом направлении. Катализатор увеличивает скорость реакции, предоставляя альтернативный путь или механизм реакции (рис. \(\PageIndex{3}\)).Катализ будет обсуждаться более подробно позже в этой главе, так как он связан с механизмами реакций.

Рисунок \(\PageIndex{3}\): Наличие катализатора увеличивает скорость реакции за счет снижения ее энергии активации.

Химические реакции происходят, когда молекулы сталкиваются друг с другом и подвергаются химическому превращению. Прежде чем физически провести реакцию в лаборатории, ученые могут использовать молекулярное моделирование, чтобы предсказать, как параметры, обсуждавшиеся ранее, повлияют на скорость реакции.Используйте интерактивное приложение PhET Reactions & Rates, чтобы узнать, как температура, концентрация и природа реагентов влияют на скорость реакции.

Авторы и авторство

Резюме

На скорость химической реакции влияют несколько параметров. Реакции с участием двух фаз протекают быстрее при большей площади контакта. Если температура или концентрация реагента увеличиваются, скорость данной реакции обычно также увеличивается. Катализатор может увеличить скорость реакции, обеспечивая альтернативный путь, который приводит к снижению энергии активации реакции.

Глоссарий

катализатор
вещество, увеличивающее скорость реакции, но само не поглощающееся реакцией

Авторы и авторство

Время отклика или Время реакции — когнитивные способности

Что такое время реакции или время отклика?

Время реакции или время отклика относится к количеству времени, которое проходит между тем, когда мы что-то воспринимаем, и тем, когда мы реагируем на это .Это способность обнаруживать, обрабатывать и реагировать на стимул.

Время реакции зависит от различных факторов:

  • Восприятие : Уверенное видение, слух или ощущение стимула необходимо для хорошей реакции. Когда стартер стреляет из пистолета в начале гонки, звук воспринимается ушами спортсмена (они воспринимают стимул).
  • Обработка : Чтобы иметь хорошую реакцию, необходимо быть сосредоточенным и хорошо понимать информацию. Следуя предыдущему примеру, бегуны, услышав звук выстрела, смогут отличить звук от других фоновых шумов и понять, что пора начинать бежать (обработать раздражитель).
  • Реакция : Моторная ловкость необходима для того, чтобы иметь возможность действовать и иметь хорошее время реакции. Когда бегуны восприняли и правильно обработали сигнал, они начали двигать ногами (отвечать на раздражитель).

Если какая-либо часть этих процессов будет изменена, это повлияет на время реакции.Другими словами, если бы у одного из спортсменов было плохое время реакции, он был бы в невыгодном положении по сравнению с другими бегунами. Время реакции обязательно включает двигательный компонент , в отличие от скорости обработки. Вот почему хорошее время реакции связано с хорошими рефлексами.

В этом примере процессы (восприятие, обработка и ответ) выполняются за миллисекунды, но время реакции может варьироваться в зависимости от множества факторов :

  • Сложность стимула- Чем сложнее стимул, чем больше информации необходимо обработать, тем больше времени займет этот процесс.
  • Знакомство, подготовка и ожидания : Если вам нужно отреагировать на известный раздражитель, на который вы реагировали раньше, время реакции будет меньше. Чем меньше информации вам нужно обработать, тем быстрее будет время реакции. Если, как в примере с бегунами, вы ожидаете стимула (ждете выстрела), время реакции будет еще меньше.
  • Состояние организма : Некоторыми факторами, которые могут негативно повлиять на обнаружение стимула, являются усталость, внимание (сонливость), высокая температура, старость или даже употребление слишком большого количества пищи или веществ, таких как алкоголь или другие наркотики.Все эти факторы могут негативно повлиять на обнаружение стимула, его обработку и реагирование на него.
  • Стимулированная сенсорная модальность : Время реакции короче, когда стимул, вызывающий реакцию, является слуховым, чем если он визуальный, потому что слуховые стимулы требуют меньшей обработки. Каждая сенсорная модальность имеет разное время реакции.

Помимо других факторов, тип стимула , который мы обрабатываем, также влияет на время реакции.

  • Простой : Существует один ответ на один стимул. Например, нажатие пробела на компьютере при появлении слова.
  • Выбор : Существуют разные реакции на разные стимулы. Например, нажатие клавиши со стрелкой вправо, если слово появляется на испанском языке, и нажатие клавиши со стрелкой влево, если слово появляется на другом языке.
  • Выбор : Есть разные раздражители, но вы должны реагировать только на один.Например, нажимайте пробел только тогда, когда слово появляется на английском языке. Если он появляется на испанском языке, вы ничего не делаете.

Почему время реакции так важно и как оно влияет на повседневную жизнь? Хорошее время реакции позволяет нам быть гибкими и эффективными, когда дело доходит до реагирования на раздражители и ситуации, такие как вождение автомобиля, беседа, занятия спортом и т. д. Хорошее время реакции приносит нам пользу во многих отношениях, но важно, чтобы мы правильно обрабатывали информацию. информацию, которую мы получаем.Если кто-то задаст вам вопрос на собеседовании, он будет ожидать, что вы ответите быстро и хорошо. То же самое верно и для других примеров, например, если ваша машина сломается, или если вам придется действовать на пальцах ног — вам придется реагировать быстро и точно. К счастью, время реакции можно тренировать и улучшать.

Примеры времени отклика

  • Если вы едете и пересекаете пешеходный переход, то время, которое проходит с момента, когда вы видите пешеходный переход, до момента, когда вы тормозите и останавливаете машину, будет временем реакции.Эта когнитивная способность может уберечь нас от многих опасных автомобильных аварий.
  • В боксерском поединке или футбольном матче очень важно обнаруживать движения противников и знать, на что они собираются, чтобы реагировать максимально быстро и осторожно. Хорошее время реакции является ключом к выигрышу и победе.
  • Ребенок на уроке физкультуры должен начать бегать по сигналу учителя. Время, которое проходит между подачей сигнала учителем и началом бега ребенка, будет временем реакции.
  • Вы находитесь в здании и вдруг чувствуете запах дыма. Время реакции — это время, которое требуется вам, чтобы найти и использовать ближайший огнетушитель после обнаружения пожара.
  • Когда охранник замечает подозрительное поведение, время, необходимое ему или ей, чтобы отреагировать, может иметь решающее значение для успешного вмешательства. Если они видят, например, ограбление, время отклика будет временем между тем, когда они увидят ограбление и начнут предпринимать действия по его предотвращению.

Проблемы и расстройства, связанные со временем реакции

Любой тип расстройства, который характеризуется нарушениями восприятия, обработки информации или двигательными проблемами, также влияет на время реакции. Вот почему время реакции так чувствительно к изменениям . Например, зрительные или слуховые проблемы, такие как слепота или нарушения слуха , могут привести к проблемам, влияющим на время реакции из-за проблем с восприятием. Люди с брадипсихией или деменцией, такие как Болезнь Альцгеймера , могут вызывать плохую обработку и, таким образом, влиять на время отклика.У людей с проблемами контроля торможения или у людей с СДВГ также может быть затронута скорость обработки, что, в свою очередь, влияет на время отклика. Когда дело доходит до выполнения действия, у людей с акинезией или брадикинезией, как в случае с пациентами с болезнью Паркинсона , или двигательными проблемами, такими как гемипарез или другие параличи, также могут возникнуть проблемы при двигательной реакции. В общем, любое нейродегенеративное расстройство, такое как болезнь Альцгеймера, Паркинсона, рассеянный склероз или болезнь Хантингтона , также обнаружит, что их время реакции также изменяется. Наконец, проблемы с мозгом, вызванные черепно-мозговой травмой или инсультом, могут повлиять на любой из этих процессов, что, как следствие, влияет на время отклика.

Одно расстройство, которое больше всего влияет на скорость обработки информации, называется диффузным повреждением аксонов . Обычно это происходит после сотрясения мозга, когда повреждаются нервные связи. Удар по голове или авария, вызывающая сотрясение мозга, приводит к поломке или разрыву аксонов (части нейрона, которая позволяет ему соединяться с другими нейронами белого вещества головного мозга).Это повреждение аксонов не влияет на одну конкретную область мозга, а затрагивает все аксоны в мозге, вызывая диффузное повреждение. Это приводит к замедлению обработки и, как следствие, увеличению времени отклика. К сожалению, этот тип травмы довольно распространен и, как правило, имеет плохой прогноз.

На время реакции влияет не только травма, какое-либо заболевание или расстройство. Существует ряд различных обстоятельств, которые могут снизить или ослабить время реакции, например, сон, настроение, тревога или отсутствие концентрации в целом. Однако, в отличие от других факторов, восстановление времени реакции, вызванное этими обстоятельствами, происходит быстрее и легче.

Как измерить и оценить время отклика?

Время реакции играет важную роль в большинстве наших повседневных действий. Наша способность взаимодействовать с окружающей средой и реагировать на неожиданные изменения и события напрямую зависит от этого когнитивного навыка. Возможность оценить время реакции и понять, как оно работает, может быть очень полезной в различных ситуациях и областях.Например, академический , так как он позволяет учителям или родителям понять, есть ли у ребенка проблемы с восприятием, обработкой информации или моторикой, и какие академические последствия это может иметь, медицинский , поскольку он может помочь выявить легкие проблемы у пациентов с перцептивным, обрабатывающей или моторной областях, или в области профессиональной , где это позволяет работникам узнать и понять, лучше ли они подготовлены к выполнению определенных действий, которые могут потребовать от них быстрых действий в определенных обстоятельствах.

Мы можем измерять различные когнитивные функции, включая время реакции, с полной нейропсихологической оценкой. Тесты, созданные CogniFit («КогниФит») для измерения времени реакции, были основаны на классическом тесте NEPSY, тесте переменных внимания (TOVA), тесте непрерывной производительности (CPT), тесте симуляции памяти (TOMM) и задаче визуальной организации (VOT). Помимо измерения времени реакции, эти тесты также измеряют рабочую память, зрительное сканирование, зрительно-моторную координацию, торможение, когнитивную гибкость, называние, зрительное восприятие, контекстуальную память, узнавание, устойчивое внимание и пространственное восприятие.

  • Запрос Тест REST-COM: Объекты появляются на короткое время. Пользователь должен как можно быстрее выбрать слово, соответствующее изображению.
  • Тест декодирования VIPER-NAM: Изображения появляются на экране на короткое время, а затем исчезают. Затем появятся четыре буквы, только одна из которых будет соответствовать букве объекта. Пользователь должен выбрать правильную букву как можно быстрее.
  • Тест на распознавание WOM-REST: На экране появится серия из трех объектов.Пользователь должен запомнить порядок, в котором они отображаются, а затем выбрать правильный порядок из выбора.
  • Тест разрешения
  • REST-SPER: На экране появится ряд движущихся стимулов. Пользователь должен нажимать на объективные стимулы, избегая при этом нерелевантных стимулов.
  • Тест скорости REST-HECOOR: на экране появится синий квадрат. Пользователь должен щелкнуть как можно быстрее и как можно больше раз в середине квадрата. Чем больше раз пользователь нажимает, тем выше оценка.
  • Проверка обработки REST-INH: в этом задании появятся два блока разного размера с числами внутри. Сначала пользователю нужно будет нажать на больший блок. Следующим шагом является нажатие на блок с наибольшим номером.

Как можно улучшить или восстановить время отклика?

Как и наши мышцы, время отклика и другие когнитивные способности можно тренировать и улучшать, и CogniFit («КогниФит») может помочь с профессиональными инструментами и программами тренировок. Восстановление времени реакции основано на науке о нейропластичности .CogniFit («КогниФит») также предлагает ряд упражнений, помогающих решить проблемы со временем отклика и другими когнитивными функциями. Тренировка и испытание вашего мозга могут помочь укрепить мозг и его нейронные сети. Если вы часто тренируете время реакции, связи в мозге станут крепче и здоровее, а это значит, что когда придет время использовать время реакции, оно будет быстрее и потребует меньше умственных ресурсов.

Профессиональная команда CogniFit состоит из нескольких специалистов в области нейропсихологии, нейрогенеза и синаптической пластичности, что позволило нам создать персонализированную программу когнитивной стимуляции для удовлетворения потребностей каждого пользователя.Эта программа начинается с точной оценки времени отклика пользователя и других основных когнитивных функций, а затем использует результаты для создания программы обучения, созданной с учетом их конкретных потребностей.

Последовательные и адекватные тренировки необходимы для улучшения времени реакции, и CogniFit («КогниФит») предлагает инструменты для оценки и реабилитации для оптимизации этой когнитивной функции. Программа требует всего 15 минут два-три раза в неделю. .

Вы можете использовать CogniFit онлайн .Существует ряд интерактивных онлайн-игр и упражнений, в которые можно играть на компьютере или мобильном устройстве. После каждого сеанса CogniFit («КогниФит») будет отображать подробный график когнитивного прогресса пользователя.

Время реакции — обзор

2.4 Анализ данных

Поведенческие данные RT были проанализированы с помощью MATLAB (The MathWorks) с частичным использованием функций из набора инструментов EEGLAB. Для каждого субъекта ВУ, которые превышали 3 СО во всех испытаниях, были исключены из дальнейшего анализа.Затем оставшиеся RT были нормализованы для каждого субъекта отдельно, чтобы устранить большие различия между отдельными людьми в общих двигательных реакциях. В частности, для каждого субъекта ВУ во всех испытаниях при всех условиях (различные SOA, конгруэнтные и неконгруэнтные условия и т. д.) рассматривались как распределение ВУ для этого субъекта. Затем была рассчитана оценка z для ВУ каждого испытания путем унижения и деления на стандартное отклонение распределения ВУ. Стоит отметить, что после внутрисубъектной нормализации относительная взаимосвязь между RT всех испытаний у каждого субъекта оставалась неизменной, хотя значения RT были нормализованы около 0.Затем мы рассчитали временной профиль нормализованных RT как функцию SOA от первого к зонду для каждого условия.

Эксперимент 1 был направлен на определение того, какой диапазон SOA может иметь ритмический профиль, обнаруженный в предыдущих исследованиях (например, Fiebelkorn et al., 2013; Huang et al., 2015; Landau and Fries, 2012; Song et al., 2014). . В результате время подготовки в диапазоне SOA от 0 до 600 мс за пределами диапазона SOA продемонстрировало ритмичную тенденцию. Затем, основываясь на результатах локализации эксперимента 1, в эксперименте 2 мы дополнительно отобрали результаты начального поведения, исследуя RT в SOA от 0 до 540 мс с шагом 20 мс, что соответствует частоте дискретизации 50 Гц.

Для каждого субъекта мы сначала рассчитали индекс эффекта прайминга путем вычитания RT в неконгруэнтных условиях из RT в конгруэнтных условиях. Затем мы извлекли медленно развивающийся тренд, подобрав квадратичную функцию во временной динамике индекса прайминга. Затем для каждого субъекта мы вычли медленную тенденцию из соответствующего индекса эффекта прайминга, чтобы получить временную динамику RT без тренда, чтобы устранить возможные помехи от классических эффектов прайминга, практики и ожидания (Fiebelkorn et al., 2013; Хуанг и др., 2015 г.; Сонг и др., 2014). Затем, чтобы исследовать спектральные характеристики временных профилей RT без тренда, мы провели спектральный анализ временного хода RT без тренда отдельно для каждого субъекта. В частности, мы выполнили быстрое преобразование Фурье (БПФ), чтобы преобразовать временные графики прайминга в частотную область (с заполнением нулями и применением окна Ханнинга).

Далее мы выполнили процедуру рандомизации путем перетасовки временных рядов прайминг-эффекта (ВУ в конгруэнтных условиях – ВУ в неконгруэнтных условиях) во времени отдельно для каждого субъекта, чтобы оценить статистическую значимость наблюдаемых прайминг-колебаний в тета-диапазоне.После каждой рандомизации мы проводили БПФ на суррогатных сигналах, аналогично тому, как это делалось для исходного анализа данных RT; мы повторили эту процедуру 200 раз и получили распределение мощности спектра для каждой частотной точки, из которой мы получили P  = 0,05 порога. Мы применили поправку множественного сравнения к нескорректированному профилю спектра порога рандомизации, установив максимум по всем частотным элементам в качестве порога (Huang et al., 2015; Song et al., 2014).

Факторы, влияющие на латентный период простой реакции

Front Hum Neurosci.2015 г.; 9: 131.

Дэвид Л. Вудс

1 Лаборатория когнитивной нейрофизиологии человека, Управление по делам ветеранов Система здравоохранения Северной Калифорнии, Мартинес, Калифорния, США

2 Кафедра неврологии, Калифорнийский университет, Сакраменто, Дэвис, Калифорния, США

3 Центр неврологии, Калифорнийский университет в Дэвисе, Дэвис, Калифорния, США

4 Центр разума и мозга, Калифорнийский университет в Дэвисе, Дэвис, Калифорния, США

John M.

Wyma

1 Лаборатория когнитивной нейрофизиологии человека по делам ветеранов Система здравоохранения Северной Калифорнии, Мартинес, Калифорния, США Калифорния, США

Тимоти Дж. Херрон

1 Лаборатория когнитивной нейрофизиологии человека, по делам ветеранов Система здравоохранения Северной Калифорнии, Мартинес, Калифорния, США

Брюс Рид

2 Департамент неврологии Калифорнийского университета Сакраменто , Дэвис, Калифорния, США

5 Центр болезни Альцгеймера, отделение неврологии, Калифорнийский университет Дэвис, Дэвис, Калифорния, США

1 Лаборатория когнитивной нейрофизиологии человека, Управление по делам ветеранов Система здравоохранения Северной Калифорнии, Мартинес, Калифорния , США

2 Кафедра неврологии Калифорнийского университета Сакр аменто, Дэвис, Калифорния, США

3 Центр неврологии, Калифорнийский университет в Дэвисе, Дэвис, Калифорния, США

4 Центр разума и мозга, Калифорнийский университет в Дэвисе, Дэвис, Калифорния, США

5 Центр болезни Альцгеймера, отделение неврологии, Калифорнийский университет в Дэвисе, Дэвис, Калифорния, США

Под редакцией: Guillaume A. Rousselet, Университет Глазго, Великобритания

Рецензировал: Эрик-Ян Вагенмакерс, Университет Амстердама, Нидерланды; Стюарт Дж. Ритчи, Эдинбургский университет, Великобритания

*Переписка: Дэвид Л. Вудс, Лаборатория когнитивной нейрофизиологии человека, Система здравоохранения Северной Калифорнии по делам ветеранов, 150 Muir Road, Martinez, CA 95553, США [email protected]

Поступила в редакцию 2 января 2015 г.; Принято 26 февраля 2015 г.

Copyright © 2015 Woods, Wyma, Yund, Herron and Reed.

Это статья с открытым доступом, распространяемая на условиях лицензии Creative Commons Attribution License (CC BY). Использование, распространение или воспроизведение на других форумах разрешено при условии указания автора(ов) или лицензиара оригинала и ссылки на оригинальную публикацию в этом журнале в соответствии с принятой академической практикой. Запрещается использование, распространение или воспроизведение без соблюдения этих условий.

Эта статья была процитирована другими статьями в PMC.

Abstract

Время простой реакции (SRT), минимальное время, необходимое для ответа на стимул, является основным показателем скорости обработки. SRT были впервые измерены Фрэнсисом Гальтоном в 19 веке, который сообщил о визуальных задержках SRT ниже 190 мс у молодых людей. Однако в недавних крупномасштабных исследованиях сообщалось о значительном увеличении латентности SRT, которая заметно различается в разных лабораториях, отчасти из-за временных задержек, вызванных компьютерным оборудованием и программным обеспечением, используемым для измерения SRT.Мы разработали откалиброванный и точный во времени тест SRT для анализа факторов, влияющих на латентность SRT в парадигме, где визуальные стимулы предъявлялись к левому или правому полушарию при различной асинхронии начала стимула (SOA). В эксперименте 1 исследовалась выборка сообщества из 1469 человек в возрасте от 18 до 65 лет. Средние латентные периоды SRT были короткими (231, 213 мс с поправкой на аппаратные задержки) и значительно увеличивались с возрастом (0,55 мс/год), но не зависели от пола. или образование. Как и в предыдущих исследованиях, SRT удлинялись при более коротких SOA и были немного быстрее для стимулов, представленных в поле зрения, противоположном реагирующей руке.Время обнаружения стимула (SDT) оценивали путем вычитания времени начала движения, измеренного в тесте ускоренного постукивания пальцем, из SRT. Задержки SDT составляли в среднем 131 мс и не зависели от возраста. В эксперименте 2 было протестировано 189 человек в возрасте от 18 до 82 лет в другой лаборатории с использованием более широкого диапазона SOA. И SRT, и SDT были несколько удлинены (на 7 мс). Задержки SRT увеличивались с возрастом, в то время как задержки SDT оставались стабильными. Точные компьютерные измерения латентности SRT показывают, что скорость обработки информации у современного населения такая же высокая, как и в викторианскую эпоху, и что возрастное увеличение латентности SRT связано в первую очередь с замедлением двигательной активности.

Ключевые слова: пол, тайминг, скорость обработки, двигатель, передний период, рукоятка, полушарие, репликация являются одними из самых основных показателей скорости обработки. СТО были впервые изучены Фрэнсисом Гальтоном в конце 19 века (Johnson et al., 1985). Более поздние исследования показали значительную корреляцию между латентностью SRT скорости обработки и показателями подвижного интеллекта (Deary et al., 2001; Шеппард и Вернон, 2008 г.). Действительно, Дженсен (2011) утверждал, что задержки SRT обеспечивают один из наиболее объективных показателей для сравнения скорости обработки и, следовательно, подвижного интеллекта в разных группах населения.

В недавнем историческом мета-анализе Сильверман (2010) обнаружил, что задержки SRT значительно увеличились с викторианской эпохи. Например, в исследованиях, проведенных с 1884 по 1893 год, Фрэнсис Гальтон зафиксировал латентность визуального SRT в диапазоне от 181 до 189 мс у субъектов в возрасте от 18 до 60 лет (Johnson et al., 1985). Эти латентные периоды значительно короче, чем те, о которых сообщалось в недавних исследованиях SRT (Lowe and Rabbitt, 1998; Deary et al., 2001; Deary and Der, 2005; Der and Deary, 2006). Учитывая корреляцию между SRT и подвижным интеллектом (Deary et al., 2001; Bugg et al., 2006), Woodley et al. (2013) пришли к выводу, что замедление SRT в недавних исследованиях отражает систематическое снижение скорости обработки и, следовательно, подвижного интеллекта у современного населения.

Однако альтернативное объяснение явного замедления SRT заключается в том, что задержки SRT, о которых сообщалось в недавних исследованиях, были завышены аппаратными и программными задержками в компьютерных парадигмах (Дордонова и Дордонов, 2013).В поддержку этого аргумента современные исследования с использованием механических измерений SRT (Montare, 2010; Eckner et al., 2011), включая процедуры тестирования SRT, аналогичные тем, которые использовались Гальтоном (Дордонова и Дордонов, 2013), сообщают о задержках SRT, аналогичных наблюдаемым. в викторианскую эпоху.

Эта цепочка рассуждений подразумевает, что задержки SRT постоянно переоценивались в компьютерных исследованиях, проведенных за последние несколько десятилетий. В таблице представлена ​​сводка недавних крупномасштабных исследований SRT: ни одно из современных компьютерных исследований не сообщило о таких коротких задержках SRT, как те, о которых сообщил Гальтон.Однако средние задержки SRT, о которых сообщалось в недавних исследованиях, сильно различаются (, таблица ), от 233 мс (Krieg et al., 2001; Vincent et al., 2012) до почти 400 мс (Bugg et al., 2006). Эти различия предполагают, что величина переоценки SRT может варьироваться в зависимости от парадигмы и компьютерной системы, используемой для тестирования. Одним из возможных объяснений этих изменений являются переменные временные задержки, вызванные компьютерным оборудованием и программным обеспечением, которые могут увеличить измеренные задержки SRT до 100 мс (Neath et al., 2011). Поэтому в текущих экспериментах мы использовали тщательно откалиброванное компьютерное оборудование и высокоточное компьютерное программное обеспечение (см. методы), которые обеспечивали точные компьютерные измерения задержки SRT, позволяя вносить поправки на аппаратные и программные задержки.

Таблица 1

Исследования возрастных изменений времени простой зрительной реакции (СРР).

Усовершенствованная компьютерная парадигма использовалась для анализа воздействия факторов, которые, как было установлено, существенно влияют на СРЦ, включая возраст, пол и образование.Предыдущие исследования неизменно обнаруживали значительное возрастное увеличение латентности SRT (Wilkinson and Allison, 1989; Fozard et al., 1994; Inui, 1997; Anstey et al., 2005; Commodari and Guarnera, 2008; Deary et al., 2010). ; Godefroy et al., 2010; Era et al., 2011; Dykiert et al., 2012a; см. таблицу ). Увеличение возраста также было связано с увеличением дисперсии SRT между испытаниями (Dykiert et al., 2012a; Bielak et al., 2014). Однако природа возрастного увеличения SRT остается не до конца изученной.Увеличение возраста может повлиять на SRT на двух возможных этапах обработки: (1) пожилым людям может потребоваться больше времени, чтобы обнаружить стимул, и (2) пожилым людям может потребоваться больше времени, чтобы произвести ответ после обнаружения стимула. В текущих экспериментах мы смогли разделить SRT на время обнаружения стимула (SDT), время, необходимое для восприятия стимула, и время начала движения (MIT), время, необходимое для нажатия кнопки ответа, вычитая независимую меру. MIT от СТО по каждому предмету.

Предыдущие исследования также сообщали о значительных различиях SRT между полами, причем у мужчин обычно наблюдалась более короткая латентность SRT, чем у женщин (Krieg et al., 2001; Anstey et al., 2005; Era et al., 2011; Dykiert et al. , 2012b; Vincent et al., 2012), хотя эти эффекты меньше и менее постоянны, чем возрастные эффекты (Sheppard and Vernon, 2008). Кроме того, субъекты с более высоким уровнем образования обычно имеют более короткую латентность SRT (Krieg et al., 2001; Anstey et al., 2005), хотя в некоторых популяциях такие эффекты незначительны или отсутствуют (Vincent et al., 2012; Ричи и др., 2013).

Мы также проанализировали влияние двух переменных стимула; предшествующая асинхронность начала стимула (SOA) и полуполе предъявления. Когда стимулы предъявляются с различными интервалами, на латентность SRT сильно влияет предшествующая SOA, при этом SRT с более короткой латентностью получаются для стимулов, доставленных с более длительным SOA (Niemi and Naatanen, 1981). Некоторые исследования также предполагают, что эти эффекты раннего периода изменяются у пожилых людей (Bherer and Belleville, 2004; Vallesi et al., 2009), в то время как другие исследования обнаруживают аналогичные эффекты у субъектов разного возраста (Greenwood et al., 1993).

Латентное время простой реакции на стимулы, предъявляемые к левому и правому полушарию, также различаются: SRT немного быстрее на стимулы, которые доставляются в поле зрения, противоположное руке, используемой при реагировании, что непосредственно активирует полушарие, контролирующее двигательные реакции, и, следовательно, позволяет избежать дополнительной задержки, связанной с каллозальной передачей (Clarke and Zaidel, 1989; Bisiacchi et al., 1994; Бриццолара и др., 1994; Chaumillon и др. , 2014). Некоторые исследования также предполагают, что старение по-разному влияет на два полушария головного мозга (Berlingeri et al., 2013), с более выраженным возрастным снижением функции правого, чем левого полушария (Benwell et al., 2014), а в некоторых исследованиях сообщается о непропорциональном возрастная латентность SRT увеличивается для стимулов, представленных в левом поле зрения (Robinson and Kertzman, 1990).

Мы проанализировали влияние возраста, образования, пола, руки, SOA и полуполя презентации на SRT в двух крупномасштабных компьютерных экспериментах, включающих точный контроль времени.В эксперименте 1 изучались SRT в популяционной выборке из 1469 взрослых жителей Новой Зеландии в возрасте от 18 до 65 лет. Во втором эксперименте была исследована независимая выборка из 189 калифорнийских испытуемых в возрасте от 18 до 82 лет.

Методы: эксперимент 1

Как показано на рис. , испытуемые максимально быстро реагировали на стимулы, предъявляемые к левому или правому полушарию, нажимая кнопку ответа указательным пальцем ведущей руки. Задача была разработана для выявления SRT с короткими задержками и включала ряд конструктивных особенностей для обеспечения точного измерения SRT: (1) кнопка отклика представляла собой компьютерную игровую мышь, разработанную для сверхбыстрого отклика с минимальным усилием, смещением и временной неопределенностью; (2) Стимулы были большими, с высокой яркостью и контрастом; (3) оконные функции SRT исключали задержки ответа менее 110 мс и более 1000 мс; (4) Каждому испытуемому было дано 20 практических испытаний, и SRT были собраны из 120 тестовых испытаний; (5) Были измерены задержки компьютерного оборудования и программного обеспечения.

Стимулы и задание. Стимулы представляли собой высококонтрастные бычий глаз, подаваемые в левое или правое полушарие в течение 200 мс при рандомизированных асинхрониях начала стимула (SOA), которые варьировались от 1000 до 1800 мс с пятью шагами по 200 мс в эксперименте 1 и от 1000 до 2000. мс за пять шагов по 250 мс в эксперименте 2. Стимулы могли возникать в зрительном полуполе, ипсилатеральном (показано) или контралатеральном по отношению к реагирующей руке. Испытуемые реагировали на все стимулы как можно быстрее, нажимая кнопку мыши указательным пальцем ведущей руки (т.е., праворукие испытуемые нажимали левую кнопку мыши, а леворукие испытуемые нажимали правую кнопку мыши).

Участники

Мы изучили подгруппу из 1637 добровольцев из сообщества в Роторуа, Новая Зеландия, которые участвовали в исследовании нейропсихологических и медицинских последствий воздействия окружающей среды с различными уровнями встречающегося в природе сероводорода (H 2 S; Reed и др., 2014). Поскольку мы хотели сравнить результаты нескольких нейропсихологических тестов, мы исключили 75 испытуемых, у которых не было полных наборов данных по постукиванию пальцем (Hubel et al., 2013a), SRT или тесты времени реакции выбора (CRT) (Woods et al., 2015). Мы также исключили 41 субъекта с амбидекстрами, чьи данные постукивания пальцами не были проанализированы, 33 субъекта, которые не реагировали последовательно на некоторые типы стимулов в отдельном задании CRT, и 19 субъектов с необъяснимой низкой точностью в тесте SRT (среднее значение SRT-попадания). показатель по этим предметам составил 65%).

Из оставшихся 1469 участников 40,1% были мужчинами, 10,8% были левшами по самоотчету (на основании почерка), и все они были в возрасте от 18 до 65 лет (средний возраст = 46 лет).3 года. у мужчин 45,4 года. для женщин). Участники имели в среднем 12,6 лет образования в США, в том числе 77,1% имели квалификацию средней школы, 48,4% из которых имели квалификацию после окончания средней школы, такую ​​как степень бакалавра (12,2%), степень магистра (3,0%), докторская степень. (1,6%) или другая торговая, техническая или профессиональная квалификация (31,6%). Большинство испытуемых были выходцами из Европы (80,0%) или новозеландскими маори (15,5%), а 78,8% были трудоустроены. Утверждения институционального наблюдательного совета для процедур исследования были получены в Калифорнийском университете в Беркли и в Северном комитете по этике в Новой Зеландии.Предварительное письменное информированное согласие было получено от всех участников. Субъекты носили линзы, отпускаемые по рецепту, по мере необходимости.

Аппараты и стимулы

Время простой реакции регистрировали в рамках 30-минутного исследования. когнитивная оценка, которая включала четыре других теста из Калифорнийской батареи когнитивных тестов (CCAB): постукивание пальцами (Hubel et al., 2013a,b), CRT в задаче на соединение визуальных признаков (Woods et al., 2015), диапазон цифр (Woods et al., 2015). et al., 2011a,b), а также адаптивный тест постепенного слухового серийного сложения.Тестирование проводилось в тихой комнате с использованием ПК, управляемого программой Presentation (версии 13 и 14, NeuroBehavioral Systems, Олбани, Калифорния, США). Участники практиковались в течение 20 испытаний, прежде чем начались 120 тестовых испытаний, и сидели на расстоянии 0,7 м от ЖК-монитора Samsung Syncmaster 17 , частота обновления которого составляла 60 Гц. Тест SRT и инструкции доступны в Интернете по телефону 1 .

На рисунке показан стимул — черно-белый бычий глаз, расположенный под углом зрения 4°. Стимулы подавались случайным образом и с равной вероятностью в левое и правое полушария на расстоянии 3,6° от центрального фиксационного креста, который оставался освещенным. Поскольку на латентность SRT влияют контрастность стимула (Pins and Bonnet, 1996; Ratcliff and Van Dongen, 2011) и яркость (Ratcliff and Van Dongen, 2011; Parker, 2014), стимулы предъявлялись на ярком фоне (40 кд/м ). 2 ) и были высококонтрастными (темные кольца были 0,16 кд/м 2 ). Длительность стимула была зафиксирована на уровне 200 мс.Использовались пять различных SOA, случайным образом варьирующиеся от 1000 до 1800 мс с равновероятными шагами по 200 мс. Всего на каждом SOA предъявлялось 24 стимула, половина влево и половина в правое полушарие. Для тестирования SRT требуется ~4 мин.

Калибровка синхронизации: аппаратные и программные задержки

Точность регистрации времени реакции зависит от компьютерного оборудования и программного обеспечения, используемого для измерения (Plant and Turner, 2009). Существует два основных источника аппаратной задержки, которые в совокупности могут завышать истинные значения SRT до 100 мс (Neath et al., 2011). Во-первых, существует задержка фактического появления стимула после того, как видеокарта компьютера посылает изображение стимула на ЖК-монитор, что зависит от электроники монитора. Мы измерили задержку для монитора Samsung Syncmaster с фотодиодом (StimTracker, Cedrus, Сан-Педро, Калифорния, США) и обнаружили среднюю задержку 11,0 мс (SD = 0,1 мс). Во-вторых, существует переменная задержка между моментом нажатия кнопки ответа и моментом, когда ответ регистрируется драйвером устройства и обнаруживается компьютерным программным обеспечением, управляющим экспериментом.Для ответного USB-устройства задержка зависит от конструкции устройства и программного обеспечения драйвера устройства, которое сигнализирует о событии операционной системе, а также от частоты, с которой программное обеспечение доставки импульсов опрашивает драйвер, чтобы определить, произошел ли ответ. В то время как стандартные драйверы мыши могут создавать задержки в 20 мс и более перед регистрацией ответа, инженеры-программисты пытаются минимизировать такие задержки при разработке мышей для компьютерных игр, сокращая движение, необходимое для закрытия кнопки, и записывая драйверы устройств с высокой частотой дискретизации USB.В текущем эксперименте мы использовали игровую мышь для ПК (Razer Sidewinder, Карлсбад, Калифорния, США), которая требовала минимального движения (2 мм) для закрытия кнопки и была связана с драйвером устройства с частотой дискретизации USB 1,0 кГц. Мы измерили задержки отклика, разобрав мышь и смоделировав закрытие кнопки с помощью электронного реле. Средняя задержка ответа составила 6,8 мс (SD = 1,8 мс). Таким образом, суммарные задержки, вносимые видеодисплеем и мышью, составили в среднем 17,8 мс.

Помимо аппаратных задержек программные прерывания могут привести к непредсказуемым задержкам, которые могут увеличить задержки SRT и изменчивость задержек. Частота и продолжительность прерываний программного обеспечения зависят как от конструкции программного обеспечения доставки стимулов, так и от количества и типа посторонних программных процессов, одновременно выполняющихся на компьютере. Если ответ возникает во время прерывания (т. е. когда программирование доставки стимула было временно остановлено), появление ответа тем не менее будет зафиксировано драйвером ответа, но задержка ответа не будет рассчитана стимулом. программа доставки, пока она не вернется к выполнению и не выберет ответное устройство.Эти временные прерывания должны постоянно контролироваться на протяжении всего эксперимента, чтобы обеспечить точность синхронизации. Программное обеспечение для презентаций сообщает о неопределенности времени события для каждого события во время эксперимента путем непрерывной выборки программируемых часов с частотой 100 кГц. Когда посторонний программный процесс прерывает эксперимент, возникает соответствующий пробел в непрерывной временной записи события, и событие, происходящее во время перерыва, будет показывать соответствующее увеличение неопределенности времени события. Например, если ответ произошел во время программного прерывания продолжительностью 10 мс, его задержка будет указана как возникшая сразу после перерыва, но соответствующая неопределенность времени события будет составлять 10+ мс.В текущем эксперименте ПК был настроен так, чтобы свести к минимуму посторонние программные прерывания. Анализ неопределенности времени события для всех (264 566) событий, произошедших в ходе эксперимента, показал, что прерывания программного обеспечения оказали минимальное влияние на измеренные задержки SRT: медиана неопределенности времени события составила 0,1 мс, при этом 99,9% событий показали событие-время. погрешность времени менее 1,05 мс.

Анализ данных

Было использовано окно ответа 110–1000 мс. Ответы за пределами этого диапазона были классифицированы как ложные тревоги (FAs).Отсутствие ответа в течение 110–1000 мс после стимула расценивали как промах. Частота попаданий определялась как процент стимулов, связанных с действительными ответами. Для каждого субъекта были рассчитаны частота попаданий, частота ложных тревог и средняя латентность SRT вместе с внутрисубъектной (от пробы к пробе) дисперсией SRT.

Статистический анализ

Участники были разделены на семь разных семилетних возрастных диапазонов (например, от 18–24 лет до 59–65 лет). Результаты были сначала проанализированы с использованием многофакторного смешанного ANOVA с возрастной группой, полом, SOA и полуполем (ипсилатеральным или контралатеральным по отношению к предпочтительной реагирующей руке) в качестве независимых переменных.Отдельные ANOVA были выполнены для среднего SRT, частоты попаданий, внутрисубъектного SRT SD и внутрисубъектного коэффициента вариации. Поправки Гринхауза-Гейссера для степеней свободы единообразно использовались при вычислении p значений, чтобы скорректировать любую несферическую ковариацию внутри факторов или взаимодействий. Величины эффекта представлены в виде значений ω 2 . Корреляционный анализ также использовался для анализа влияния возраста, образования, пола и руки на SRT, а также для разработки функций возрастной регрессии. Когда корреляции были значительными, диапазон 95% доверительного интервала был рассчитан с помощью SPSS. Некоторые парные эффекты были проанализированы с помощью теста Стьюдента t с использованием модели, которая предполагает неодинаковую дисперсию в различных группах субъектов, когда это уместно.

Результаты: эксперимент 1

На рис. показаны латентные периоды SRT в эксперименте 1 (синие ромбы) в зависимости от возраста, а в таблице показаны различные показатели для каждой из семи возрастных групп и для всего эксперимента.ANOVA для повторных измерений показал значительное влияние возрастной группы на SRT [ F (6,1462) = 15,52, p <0,0002, ω 2 = 0,06]. Задержки SRT были короче, чем в других исследованиях Таблица . Задержки SRT увеличились с 217,8 мс (200 мс, когда задержки были скорректированы на аппаратные задержки) в самой молодой группе испытуемых до 239,1 мс (222,3 мс, с поправкой на задержку) в самой старшей группе испытуемых. Однако размер эффекта возраста был относительно небольшим: анализ мощности показал, что 99%-ная вероятность обнаружения значимого ( p < 0.05) влияние возраста потребовало бы 458 испытуемых. Возрастное замедление происходило во всем возрастном диапазоне со значительными ( p < 0,05, без поправки) попарными различиями между группами 1 (G1) и G3–G7, между G2 и G4–G7, между G3 и G5–G7, между G4 и G5–G7, а также между G6 и G7.

Время простой реакции (SRT) в зависимости от возраста. От участников Эксперимента 1 (синие ромбы) и Эксперимента 2 (открытые красные квадраты). Восемь субъектов из эксперимента 1 со средним SRT выше 350 мс не показаны.Линейная линия тренда взята из данных эксперимента 1.

Таблица 2

Возрастные изменения работоспособности.

189
Age Range G1: 18-24 G2: 25-31 G3: 39-38 G4: 39-45 G5: 46-51 G6: 51-58 G7: 59-65 Эксперимент 1 эксперимент 2
N 115 201 273 276 272 246 1469
Средний возраст 20. 8 28.6 28.6 35.9 42.0 42.6 42.6 55.6 61.6 45.8 41.0
% Мужской 39% 36% 42% 37% 41 % 44% 40% 40% 40% 58% 58%
217. 9 217.9 224.8 224.7 227.7 233.6 236.4 230.8 237,8
СРТ SD 19,5 22,8 23,4 26,6 27,2 27,0 28,1 26,8 27,8
IS-SD 39,4 37,2 37. 1 39.1 41,4 41.4 40.2 43.2 43.2 40.0 52.7
CV 18% 17% 16% 17% 18% 17% 18% 17. 1% 21.9%
Hit-Rate 93,9% 96,7% 97,2% 97,2% 97,2% 97,6% 97,6% 97,4% 97,4% 97,2% 97,2% 97,2% 97,2%
В. Ф.-Д 6,76 6,97 7,84 7,63 8,40 8,30 7,16 7,74 10,5
ОДР 125,8 131,8 134.0 132,6 133,5 130,2 127,7 131,2 138,3
SOA-D 30,6 25,7 27,0 29,8 27,9 27,3 29,6 28,3 26,9

В таблице показана корреляционная матрица для эксперимента 1. Регрессионный анализ показал значительную корреляцию между возрастом и латентностью SRT [ r = 0.24 (диапазон 0,19–0,29), t (1469) = 9,47, p < 0,0001], что показало возрастной наклон 0,55 мс/год. Индивидуальные SD SRT (в среднем 40,0 мс) также показали влияние возрастной группы [ F (6,1462) = 4,72, p < 0,03, ω 2 = 0,02] и слабо увеличивались с возрастом [ r = 0,11 (диапазон 0,06–17), t (1469) = 4,24, p < 0,0001]. Однако, когда внутрисубъектная дисперсия SRT была нормализована латентностью SRT каждого человека, результирующий внутрииндивидуальный коэффициент вариации (CV, среднее значение 17.14%) существенно не изменились с возрастом [ r = 0,04].

Таблица 3

Корреляционная матрица для эксперимента 1.

СТО
EDU SRT Hit-state AR-SRT CV SDT VF-D SOA-D SOA-D MIT
Возраст 0,01 0,24 0,24 0,17 0,00 0,04 -0,02 0. 03 0,01 0,33
Эду -0,05 0,09 -0,05 -0,06 0,01 -0,06 -0,06 -0,08
0,25 0,25 0. 97 0.31 0.31 0.71 0.0.71 0.26 0.25
Hit — Rate 0.21 -0,26 0,22 -0,10 -0,08 0,00
AR-СРТ 0,31 0,73 0,20 0,27 0,17
CV 0,19 0,19 0,16 0,12
ОДР 0. 03 0,01 -0,51
В.Ф.-Д 0,07 0,05
SOA-D 0. 05 0,05

Скорость достижения (средний 97,1%) также пострадали [ F (6,1462) = 16,85, p <0.0001, ω 2 = 0,06], и была достоверная корреляция между возрастом и частотой попаданий [ r = 0,17 (диапазон 0,12–0,22), t (1469) = 6,61, p < 0,0001] . Оба эффекта были связаны со снижением частоты попаданий в самой молодой группе испытуемых (93,9%) по сравнению с другими группами (в среднем 97,2%), без существенных различий между другими группами. Частота попаданий также коррелировала с латентностью SRT [ r = 0,25 (диапазон 0,20–0,30), t (1467) = 9,89, p < 0.0001]; т. е. более медленные испытуемые были немного точнее. Множественная регрессия показала, что и возраст, и частота попаданий были независимо связаны с латентностью SRT [возраст, t (1466) = 8,27, p <0,0001; частота попаданий, t (1466) = -8,38, p < 0,0001].

Субъекты ответили в среднем на 3,87 FA (3,2% ответов). Распределение FA было сильно асимметричным (медиана = 1,71%, асимметрия = 3,68), при этом 52,1% субъектов совершали менее 2% FA, а 5,7% субъектов производили более 10% FA.Была сильная отрицательная корреляция между частотой попаданий и частотой ФА [ r = -0,83, t (1467) = -57,00, p < 0,0001]: т.е. испытуемые, которые сделали больше ФА, пропустили больше целей. Кроме того, повышенная частота FA была связана с более короткими латентностями SRT [ r = -0,25, t (1467) = -9,89, p < 0,0001] и увеличением дисперсии SRT [ r = 0,27, t t 9001] (1467) = 10,74, p < 0,0001]. Это, вероятно, отражает появление случайных упреждающих ответов в пределах окна SRT, вызывающих очень короткие латентные попадания, которые одновременно снижают среднее SRT и увеличивают среднюю дисперсию SRT.Наконец, более молодые испытуемые (у которых была более низкая частота попаданий) выполняли больше ФА, что приводило к отрицательной корреляции между возрастом и частотой ФА [ r = -0,14, t (1467) = -5,42, p < 0,0001]. .

Мы изучили эффекты утомления, сравнив SRT в последовательных блоках из 20 испытаний (например, 1–20, 21–40 и т. д.). SRT увеличились с 228,1 мс в начальном блоке из 20 попыток до 237,2 мс в последнем блоке из 20 попыток, вызывая значительный эффект усталости с небольшой величиной эффекта [ F (5,8165) = 88.22, p < 0,0001, ω 2 = 0,05]. Эффект усталости не коррелировал с возрастом [ r = -0,01] или с какой-либо другой демографической переменной.

Испытуемые немного быстрее (на 0,61 мс) реагировали на стимулы, представленные в поле зрения, противоположном реагирующей руке [ F (1,1468) = 5,23, p < 0,05 ω 2 < 0,01]. Возраст не оказал существенного влияния на этот небольшой эффект [ r = -0,05, t (1467) = -1.92, р < 0,06]. Средняя разница между латентностью SRT к стимулам, предъявляемым в левом и правом полях зрения, составляла 0,56 мс. Эта разница незначительно уменьшалась с возрастом [ r = -0,06, t (1467) = 2,30, p < 0,03]; т. е. этот эффект противоречил прогнозу, согласно которому пожилые испытуемые будут демонстрировать большее увеличение замедления для стимулов, предъявляемых к левому полю зрения. Абсолютное значение разницы латентности SRT к стимулам в двух полях зрения также было небольшим (7.74 мс) и не зависит от возраста [ r = 0,03] или пола [ r = 0,01].

Время простой реакции существенно не отличалось между мужчинами и женщинами [ F (1,1467) = 2,83, p < 0,10], а также не наблюдалось значительных половых различий в дисперсии SRT между испытаниями [ r = -0,01] или CV [ r = 0,01]. Образование не оказывало существенного влияния на латентность SRT [ r = -0,05, t (1467) = 1,92, p < 0.06], но был слабо связан с увеличением частоты попаданий [ r = 0,09, t (1467) = 3,46, p < 0,001], снижением дисперсии SRT [ r = -0,07, t (1467) = 2,69, p < 0,01] и уменьшенные CV [ r = -0,06, t (1467) = 2,30, p < 0,03]. Ручность не влияла на SRT [ r = -0,02], дисперсию SRT [ r = -0,04] ​​или SRT CV [ r = -0,03].

Асинхронность начала стимула оказала очень значимое влияние на SRT [ F (4,5848) = 1419.79, p < 0,0001, ω 2 = 0,49], как показано на рис. . SRT удлинялись (примерно на 15%) при самой короткой SOA. Величина эффекта SOA была большой, и анализ мощности показал, что для 99% вероятности обнаружения значимого ( p < 0,05) эффекта SOA потребуется всего 10 испытуемых. Возраст не повлиял на эффекты SOA, при этом взаимодействие возрастной группы × SOA не достигло значимости [ F (24,5848) = 2,09, p <0,06]. Дисперсия ВУ также увеличивалась при самом коротком SOA [ F (4,5848) = 126.47, p <0,0001, ω 2 = 0,08], опять же без значительного взаимодействия возрастной группы × SOA.

Средние значения SRT как функция предыдущего SOA. Из эксперимента 1 и эксперимента 2. Столбики ошибок показывают 95% доверительные интервалы. X , размер шага SOA (200 мс в эксперименте 1 и 250 мс в эксперименте 2).

Мы обнаружили достоверную корреляцию [ r = 0,25 (диапазон 0,20–0,30), t (1,1469) = 9,89, p < 0,0001] между латентностью SRT, измеренной в текущем эксперименте, и MIT, временем требовалось нажать кнопку ответа, которая была ранее измерена в задании с самостоятельным постукиванием пальцем, проведенном в тот же день (Hubel et al., 2013а). Задержки SDT, полученные путем вычитания задержек MIT из задержек SRT, составили в среднем 131,2 мс (SD = 30,2 мс). На рисунке показаны задержки SDT в зависимости от возраста. В отличие от латентных периодов SRT, латентные периоды SDT не увеличивались с возрастом [ r = -0,02], а также существенно не отличались между мужчинами и женщинами [ r = 0,05]. Наконец, сравнение корреляций возраста с латентностью MIT и возраста с латентностью SRT показало значительно большую корреляцию возраста с латентностью MIT [ r = 0. 33 vs. r = 0,24, z = 2,65, p < 0,01].

Время обнаружения стимула (SDT) в зависимости от возраста. SDT было получено путем вычитания времени начала движения в ускоренном тесте постукивания пальцем из SRT. Линейная линия тренда взята из данных эксперимента 1.

Обсуждение: эксперимент 1

Средние задержки SRT в 231 мс, полученные в текущем исследовании, были значительно короче, чем те, о которых сообщалось в большинстве предыдущих компьютеризированных исследований SRT ( Таблица ).С поправкой на аппаратные задержки, связанные с видеодисплеем и реакцией мыши (17,8 мс), «истинные» SRT в эксперименте 1 варьировались от 200 мс в самой младшей группе испытуемых до 222 мс в самой старшей, т. е. на 15–30 мс выше Латенты SRT, о которых сообщил Гальтон для субъектов того же возраста (Johnson et al., 1985). Однако, основываясь на записных книжках Гальтона, Дордонова и Дордонов (2013) утверждали, что Гальтон зафиксировал SRT с самой короткой латентностью, полученный из трех независимых испытаний для каждого субъекта. Если предположить, что дисперсия SRT между испытаниями составляет 50 мс (см. , таблица ), сообщенные Гальтоном задержки SRT в одной попытке будут на 35–43 мс ниже средних значений задержки SRT, предсказанных для тех же испытуемых; я.то есть средние латентные периоды SRT, наблюдаемые в эксперименте 1, будут немного меньше, чем средние латентные периоды SRT, предсказанные для субъектов Гальтона. Поэтому, в отличие от предложений Woodley et al. (2013), мы не обнаружили признаков замедления скорости обработки информации в современных популяциях.

Стандартные отклонения времени простой реакции были существенно снижены по сравнению со значениями в предыдущих исследованиях и варьировались от 18% до 55% дисперсии, указанной в таблице . Внутрисубъектная (от испытания к испытанию) дисперсия SRT также была снижена, в пределах от 44% до 69% значений, о которых сообщалось в предыдущих исследованиях.Меры дисперсии внутри и между субъектами, вероятно, были уменьшены за счет повышения точности измерения SRT, а также количества практических испытаний, количества тестовых испытаний и оконных функций, используемых для измерения SRT.

Эффекты старения

Средние SRT увеличивались с возрастом, при этом наблюдались значительные различия между большинством соседних возрастных групп. Наклон возрастной регрессии, составляющий 0,55 мс/год, находится в пределах диапазона SRT/возрастных наклонов, о котором сообщалось в предыдущих исследованиях (диапазон 0,34–1.7 мс/год, см. таблицу ). Кроме того, мы обнаружили, что группа самых молодых испытуемых совершала больше ошибок, что согласуется с предположениями о том, что пожилые испытуемые обычно более консервативны, чем более молодые (Forstmann et al., 2011). Тем не менее, множественный регрессионный анализ показал, что SRT показали весьма значительное влияние возраста, даже после того, как влияние частоты попаданий было исключено 2 .

Время обнаружения стимула в среднем составляло 131 мс и не менялось с возрастом, что свидетельствует о том, что скорость накопления сенсорной информации (Miller and Ulrich, 2003) не зависит от возраста. Результаты согласуются с предыдущими исследованиями с моделированием, которые показали, что пожилые люди накапливают сенсорную информацию так же быстро, как и молодые, но реагируют с задержкой (Ratcliff et al., 2001). Интересно, что латентность SDT (120 мс после коррекции задержек отображения на мониторе) была аналогична латентности ранних корковых компонентов зрительного вызванного потенциала (Yordanova et al., 2004), которые, как и SDT, по-видимому, имеют стабильные латентности на протяжении продолжительность взрослой жизни (Emmerson-Hanover et al., 1994).

Другие исследования также показали, что влияние старения на латентность SRT в значительной степени является результатом замедления двигательной активности. Например, предыдущие электрофизиологические исследования выявили возрастное снижение корково-спинномозговой возбудимости (Levin et al., 2011). Кроме того, в задаче SRT, где испытуемые должны были поднять палец и нажать целевую кнопку после появления стимула, Era et al. (2011) обнаружили более выраженные возрастные изменения в фазе движения, чем в фазе обнаружения. Эти результаты подразумевают, что задачи СРТ, которые предъявляют более высокие требования к двигательной реакции, например, с использованием ответных кнопок, которые требуют большей силы или смещения для закрытия кнопки, могут увеличить видимую величину возрастного замедления, тем самым способствуя вариабельности возраста. — наклоны видны в таблице .

Как и в предыдущих исследованиях (Deary and Der, 2005; Der and Deary, 2006; Dykiert et al., 2012a), мы обнаружили значительное увеличение дисперсии SRT с возрастом. Однако мы не обнаружили значительных возрастных изменений в CV, которые оставались значительно меньшими, чем те, о которых сообщалось в предыдущих исследованиях, даже в нашей самой старшей группе испытуемых.Одно из возможных объяснений заключается в том, что пожилым испытуемым требуется дополнительная подготовка, чтобы ознакомиться с задачей SRT. В результате краткие тесты с ограниченной предтестовой подготовкой могут непропорционально увеличить дисперсию у пожилых испытуемых.

Эффекты SOA и полуполя

Эффекты асинхронности начала стимула не различались с возрастом, что позволяет предположить, что эффекты временного ожидания сохраняются при нормальном старении. Этот вывод контрастирует с некоторыми предыдущими сообщениями (Bherer and Belleville, 2004; Vallesi et al., 2009), но согласуется с другими (Greenwood et al., 1993).

Как асимметрия поля зрения, так и абсолютное значение асимметрии поля зрения были небольшими и не зависели от возраста. Латентность SRT показала лишь небольшое снижение (<1 мс) для стимулов, представленных в полуполе, противоположном реагирующей руке, как сообщалось в предыдущих исследованиях (Chaumillon et al., 2014). Разница в латентности была значительно меньше, чем предполагаемая латентность (10+ мс), необходимая для транскаллозальной передачи (Caminiti et al., 2009). Небольшая величина контралатерального преимущества предполагает, что визуальные SRT могут зависеть от двусторонних зрительных репрезентаций на корковом или подкорковом уровнях, а не от односторонней корковой обработки стимулов и транскаллозальной коммуникации.

Половые различия

Мы не обнаружили существенных различий между субъектами мужского и женского пола по латентности SRT, дисперсии SRT, CV, эффектам SOA или эффектам полуполя. В ряде предыдущих крупномасштабных исследований были обнаружены более длительные латентные периоды SRT у женщин, наряду с повышенной дисперсией и CV (Fittro et al., 1992; Фозард и др., 1994; Ансти и др., 2005 г.; Dykiert и др., 2012b; Винсент и др., 2012). Однако другие исследования не выявили существенных половых различий (Annett and Annett, 1979; Gottsdanker, 1982; Der and Deary, 2006).

Как и в случае с эффектами старения, половые различия могут быть чувствительны к требованиям реакции, таким как сила или расстояние, необходимое для застегивания пуговицы. Хорошо известно, что у женщин скорость постукивания пальцами снижена, главным образом, из-за увеличения времени удерживания кнопки ответа (Hubel et al., 2013а). В недавнем исследовании Era et al. (2011) обнаружили более значительные половые различия в фазе движения, чем в фазе обнаружения в исследованиях времени реакции. Таким образом, исследования SRT, которые минимизируют сложность застегивания пуговиц, также могут уменьшить половые различия. Кроме того, сообщается, что половые различия уменьшаются по мере углубления знаний о задаче и могут исчезнуть при более интенсивной практике (Reimers and Maylor, 2006).

Эксперимент 2: Репликация

Предыдущие крупномасштабные исследования СТО с использованием, по-видимому, схожих парадигм и субъектов имели сильно различающиеся латентности СТО ( Таблица ).Например, в двух исследованиях, проведенных одной и той же лабораторией (Deary et al., 2001, 2011), сообщалось о средней латентности SRT, которая отличалась более чем на 80 мс. Поскольку средние латентные периоды SRT в Эксперименте 1 были меньше, чем латентные периоды большинства предыдущих исследований, для оценки возможности обобщения потребовалось повторение результатов в отдельной популяции. Поэтому в эксперименте 2 мы сравнили результаты эксперимента 1 с результатами отдельной популяции из 189 человек в возрасте от 18 до 82 лет, протестированных на другом континенте.

Методы: эксперимент 2

Методы эксперимента 2 были аналогичны методам эксперимента 1 с двумя небольшими изменениями. Во-первых, SOA увеличивались с шагом 250 мс, а не 200 мс, так что SOA варьировался от 1000 до 2000 мс в эксперименте 2, а не от 1000 до 1800 мс, как в эксперименте 1. Во-вторых, тест SRT включал 100, а не 120 тестов. испытаний, а количество практических испытаний (20) осталось прежним.

Участники

В эксперименте 2 мы изучили 189 человек, демографические характеристики которых приведены в таблице .Субъекты были набраны из рекламы в районе залива Сан-Франциско на Craigslist и из ранее существовавших контрольных групп населения и прошли тестирование с использованием всей Калифорнийской батареи когнитивных тестов (CCAB) 3 . Субъекты должны были соответствовать следующим критериям включения: (а) свободное владение английским языком; (b) отсутствие психического заболевания в настоящее время или в анамнезе; (c) отсутствие текущего злоупотребления психоактивными веществами; (d) отсутствие в анамнезе известных неврологических заболеваний, влияющих на когнитивные функции; (e) на стабильной дозе любого необходимого лекарства; (f) слуховая функция достаточна для понимания нормальной разговорной речи, а острота зрения нормальная или скорректирована до 20 / 40 или выше. Субъекты этнических групп были 64% европеоидами, 12% афроамериканцами, 14% азиатами, 10% латиноамериканцами / латиноамериканцами, 2% гавайцами / жителями тихоокеанских островов, 2% американскими индейцами / коренными жителями Аляски и 4% «другими».

Все субъекты подписали письменные формы согласия, одобренные экспертным советом учреждения (IRB) в системе здравоохранения Северной Калифорнии по делам ветеранов (VANCHCS), и получили компенсацию за свое участие. В отличие от испытуемых в эксперименте 1, которые были набраны как выборка сообщества со сбалансированным возрастным распределением, возрастное распределение испытуемых в эксперименте 2 было бимодальным: 104 испытуемых были моложе 35 лет, 24 испытуемых были в возрасте от 35 до 59 лет, 61 субъект был в возрасте от 60 до 82 лет.Испытуемые были в среднем немного моложе, чем в эксперименте 1 [ t (1656) = 4,70, p < 0,0001], и немного лучше образованы [ t (1656) = 8,64, p < 0,0001. ], со средним образованием 14,6 лет. Субъектами эксперимента 2 были преимущественно мужчины (58% против 40% в эксперименте 1). 45 испытуемых старше 65 лет были особенно хорошо образованы (15,1 года обучения). Чтобы сравнить результаты экспериментов 1 и 2 с разным возрастным распределением субъектов, мы использовали уравнение возрастной регрессии из эксперимента 1 и рассчитали z баллов в обоих экспериментах на основе значений эксперимента 1.

В двух испытательных лабораториях использовалось идентичное компьютерное оборудование и программное обеспечение, поэтому измеренные аппаратные задержки были идентичны задержкам в эксперименте 1. Однако, поскольку тестовый компьютер в эксперименте 2 был отключен от сети, погрешности синхронизации из-за прерываний операционной системы были уменьшены по сравнению с Экспериментом 1: медианные неопределенности времени события для 62 400 событий в среднем составляли 0,1 мс (диапазон 0,1–32,0 мс), при этом более 99,9% событий имели неопределенность времени события менее 0. 3 мс.

Результаты: эксперимент 2

Результаты эксперимента 2 суммированы в таблице , а данные эксперимента 2 (красные квадраты) включены в рисунки , и . Среднее значение SRT составило в среднем 237,8 мс, что на 7 мс больше, чем среднее значение SRT в эксперименте 1. Применение функции возрастной регрессии из эксперимента 1 показало, что SRT в эксперименте 2 на 9,7 мс выше прогнозируемых значений, что дает небольшую, но значимую разницу в возрасте. скорректированы задержки SRT между двумя экспериментами [ F (1,1656) = 23.24, p < 0,0001, ω 2 = 0,01]. Напротив, частота попаданий была практически одинаковой в двух экспериментах (97,1 против 97,2%).

Корреляционная матрица для эксперимента 2 представлена ​​в таблице . Как и в эксперименте 1, наблюдалась значительная корреляция между возрастом и SRT [ r = 0,35 (диапазон 0,21–0,48), t (187) = 5,11, p < 0,0001], отражающая возрастной наклон 0,45. мс/год. Также была выявлена ​​значительная корреляция между возрастом и SD между испытаниями [ r = 0.33 (диапазон 0,20–0,47), t (187) = 4,78, p < 0,0001]. Однако, в отличие от эксперимента 1, между возрастом и CV была достоверная корреляция [ r = 0,27 (диапазон 0,13–0,41), t (187) = 3,84, p < 0,0002].

Таблица 4

корреляционная матрица для эксперимента 2.

0,43 -0,06
EDU SRT Hit-state AR-SRT CV SDT D-VF D-SOA D-SOA MIT
Возраст 0. 16 0,35 -0,19 -0,08 0,27 -0,07 0,05 -0,05
Эду -0,06 -0,10 -0,13 -0,11 0,01 -0,03 -0,02
СТО -0,07 0,91 0,35 0,58 -0,02 0. 15 0,31
Хит скорости 0,01 -0,44 0,09 -0,19 0,08 -0,17
AR-СРТ 0,25 0,25 0,25 0. 65 0.30 0,18 0,14
CV 0.02 0,12 0,50 0,32
ОДР 0,12 -0,04 -0,60
DVF -0. 19 -0.19 -0.07 -0524 D-SOA 017

Как и в эксперименте 1, образование не оказало значительного влияния на латентность SRT [ r = -0,06, t (185) = -0,82, NS], равно как не было значительного влияния образования на хит- частота, внутрисубъектная дисперсия латентности SRT, CV или SDT. Точно так же не было значительных половых различий в латентности SRT, внутрисубъектной дисперсии SRT, CV или SDT. Однако в Эксперименте 2 наблюдалась значительная половая разница в частоте попаданий: у женщин частота попаданий была несколько выше, чем у мужчин [ r = -0.23 (диапазон от -0,09 до -0,37), t (187) = 3,23, p < 0,002].

На рисунке показано влияние предыдущих SOA на SRT. Эффекты SOA были аналогичны эффектам, наблюдаемым в эксперименте 1 [ F (4,752) = 125,22, p < 0,0001, ω 2 = 0,40], при этом задержки SRT уменьшались на 26,9 мс в самом длинном по сравнению с самым коротким SOA ( против 28,3 мс в эксперименте 1). Как и в эксперименте 1, эффекты SOA не менялись с возрастом [ r = 0.05, t (187) = 0,70, НС].

Испытуемые немного быстрее реагировали на стимулы в поле зрения, противоположном реагирующей руке [на 2,6 мс, F (1,188) = 9,36, p < 0,003, ω 2 = 0,04]. Средняя разница между латентностью SRT в левом и правом полушариях оставалась небольшой (3,1 мс) и достоверно не коррелировала с возрастом [ r = 0,06, t (187) = 0,82, NS]. Абсолютная величина внутрисубъектных различий СРТ на стимулы в левом и правом полях зрения также оставалась небольшой, хотя и была несколько больше, чем различия, наблюдаемые в эксперименте 1 [10.5 против 7,7 мс, F (1,1656) = 25,59, p <0,0001, ω 2 = 0,01].

На рисунке показаны SDT от отдельных субъектов в двух экспериментах. SDT были на 7 мс длиннее в эксперименте 2, чем в эксперименте 1 [ F (1,1656) = 8,97, p <0,003, ω 2 <0,01]. Как и в эксперименте 1, латентность SDT существенно не изменилась в зависимости от возраста [ r = -0,05, NS]. Напротив, MIT увеличивались с возрастом [ r = 0.43 (диапазон 0,30–0,56), t (187) = 6,51, p < 0,0001] и, как и в эксперименте 1, показал большую корреляцию с возрастом, чем СРВ, хотя разница в коэффициентах корреляции не достигала значимости [ z = 0,91, p < 0,19].

Было несколько других небольших, но значимых различий между Экспериментом 1 и Экспериментом 2. В целом, в Эксперименте 2 наблюдались более высокие значения внутрисубъектной дисперсии латентности SRT [ F (1,1656) = 114.21, p < 0,0001, ω 2 = 0,06] и CV [ F (1,1656) = 132,49, p < 0,0001, ω 2 = 0,006]. Были также два заметных различия в матрицах корреляции двух экспериментов. Частота попаданий увеличивалась с возрастом в эксперименте 1 [ r = 0,17, z = 4,68, p < 0,0001], но снижалась с возрастом в эксперименте 2 [ r = -0,19, t (187) = 2,65, р < 0,005]. Более того, частота попаданий не имела значимой корреляции с латентностью SRT в Эксперименте 2 [ r = -0.07, NS], в отличие от очевидного компромисса между скоростью и точностью [ r = 0,25], наблюдаемого в эксперименте 1.

Обсуждение: эксперимент 2

Эксперимент 2 воспроизвел результаты эксперимента 1: средние SRT отличались всего на 7 мс. (230,8 против 237,8 мс) между двумя исследованиями и менее чем на 10 мс, когда задержки SRT были скорректированы с учетом возраста. Стандартные отклонения населения (28 против 27 мс) также были очень похожи в двух исследованиях. Небольшая разница в средних значениях SRT в двух экспериментах, вероятно, отражала небольшое увеличение среднего значения и дисперсии SOA в эксперименте 2 (Niemi and Naatanen, 1981).Повышенная дисперсия SOA могла также способствовать увеличению внутрисубъектной вариабельности SRT и CV в эксперименте 2, которые также могли быть завышены из-за небольшого сокращения количества тестовых испытаний.

Высокозначное возрастное замедление SRT также наблюдалось в обоих исследованиях с коэффициентами корреляции средней величины [ r = 0,24 и r = 0,35] и аналогичными наклонами (0,55 мс/год и 0,45 мс/год). В обоих экспериментах латентность SDT не изменялась систематически с возрастом.Поскольку MIT оценивался по отдельному постукиванию пальцем, любые изменения в задержках SRT будут включены в SDT, т. е. разницу между SRT и MIT. Следовательно, можно ожидать, что SDT будет увеличиваться при манипуляциях с SOA, которые продлевают SRT (Anstey et al., 2005). В обоих экспериментах MIT показали большую корреляцию с возрастом, чем SRT. Другие факторы, включая пол и образование, оказали минимальное влияние на результаты в обоих экспериментах. Наконец, предыдущая SOA оказала сильное влияние на задержки SRT в обоих экспериментах (размеры эффекта 0.49 и 0,40), при этом SRT удлиняются на 28 и 27 мс соответственно.

Важно отметить, что задержки SRT в двух экспериментах были более стабильными, чем в предыдущих крупномасштабных репликациях SRT, при этом небольшие различия в задержках SRT в основном объяснялись изменением диапазона SOA. Другие эксперименты, использующие, по-видимому, схожие парадигмы и аппаратуру СТО, дали более разрозненные результаты. Например, используя аналогичную парадигму, Deary and Der (2005) сообщили о среднем значении SRT в 328 мс, Deary et al.(2001) сообщили о среднем значении SRT в 358 мс, Deary et al. (2011) сообщили о среднем значении SRT 256 мс, а Dykiert et al. (2012b) сообщили о среднем SRT 275 мс. Как видно из таблицы , средние SRT из Deary et al. (2001) были примерно на 2,7 SD выше средних значений SRT, собранных Dykiert et al. (2012б). Воспроизводимость задержки SRT была лучше в исследованиях с военной тестовой батареей ANAM. В крупнейшем исследовании Vincent et al. (2012) сообщили о SRT в 261 мс, а Reeves et al. (2006) протестировали популяцию с немного более низким средним возрастом и сообщили о SRT 285 мс; разница в латентности SRT между этими двумя исследованиями, 24 мс, более чем в три раза превышала разницу, которую мы наблюдали, и сопровождалась относительно большими различиями как в популяционных стандартных отклонениях, так и в наклонах возраста/SRT.Напротив, различия в SRT между экспериментом 1 и экспериментом 2 были небольшими как по абсолютной величине, так и по величине с поправкой на возраст, и оба эксперимента дали одинаковые SD для населения и наклоны возраст/SRT. Это говорит о том, что использование высокоточного компьютерного оборудования и программного обеспечения может повысить точность и воспроизводимость показателей задержки SRT.

Общее обсуждение

Задержки SRT с поправкой на задержку были значительно короче (213 и 220 мс в экспериментах 1 и 2 соответственно), чем задержки SRT, о которых сообщалось в других крупномасштабных компьютерных исследованиях, но были аналогичны задержкам SRT, о которых сообщалось оба Гальтона (Johnson et al., 1985) и современные исследователи, использующие некомпьютерные измерения (Eckner et al., 2011; Montare, 2013). Таким образом, в отличие от Woodley et al. (2013), мы не обнаружили признаков замедления скорости обработки информации в протестированных нами современных популяциях.

Происхождение больших вариаций латентности SRT, наблюдаемых в недавних компьютеризированных исследованиях, остается неясным. Различия в компьютерном оборудовании и программном обеспечении (Plant and Turner, 2009) в некоторых случаях могут увеличивать среднюю задержку SRT до 100 мс (Neath et al. , 2011), а сбои программного обеспечения также могут увеличить показатели задержки и изменчивость задержки SRT от пробы к пробе. Кроме того, на визуальные SRT влияет оконная функция SRT, временной характер доставки стимула, яркость и контрастность стимула, а также сила и расстояние, необходимые для активации кнопки ответа. О многих из этих переменных не сообщалось в предыдущих исследованиях SRT, и они могли отличаться в экспериментах, в которых использовались, по-видимому, аналогичные методы.

Влияние возраста на латентность SRT

В обоих исследованиях мы обнаружили очень значимые корреляции умеренной величины между возрастом и латентностью SRT.Скорость возрастного замедления SRT, которую мы наблюдали (в среднем 0,50 мс/год), была аналогична таковой Dykiert et al. (2012a), но значительно меньшее, чем замедление, наблюдаемое в других исследованиях SRT (Deary and Der, 2005; Reeves et al., 2007; Vincent et al., 2008; Deary et al., 2011). Мы также обнаружили значительное возрастное увеличение дисперсии SRT, а в эксперименте 2 также увеличение CV, что согласуется с предыдущими отчетами (Dykiert et al. , 2012a).

Природа эффектов старения была дополнительно прояснена путем анализа латентности SDT, на которую возраст не влиял ни в одном из исследований.Это говорит о том, что возрастное замедление SRT было в значительной степени связано с дополнительным временем, которое требуется пожилым людям, чтобы нажать кнопку ответа, гипотеза, поддерживаемая более сильными корреляциями, наблюдаемыми в обоих исследованиях между возрастом и MIT, чем между возрастом и латентностью SRT.

Половые различия

Половые различия были обнаружены в среднем значении SRT и внутрисубъектной вариабельности SRT в ряде предыдущих исследований (Deary et al., 2001; Der and Deary, 2006; Dykiert et al., 2012b). Напротив, мы не обнаружили половых различий в латентности SRT, а также не обнаружили существенных половых различий во внутрисубъектной дисперсии времени реакции ни в одном из экспериментов.В связи с этим Silverman (2006) проанализировал исследования половых различий в SRT, проведенные на протяжении 20 века. Он обнаружил, что величина зарегистрированных половых различий заметно снизилась к концу 20-го века, и предположил, что уменьшение половых различий отражает расширение возможностей для участия женщин в быстрых видах спорта и вождении.

Заключение

При измерении с помощью высокоточного компьютерного оборудования и программного обеспечения SRT были получены с короткими задержками (ок.235 мс), которые были одинаковыми для двух больших испытуемых. С поправкой на аппаратные и программные задержки задержки SRT у молодых людей были аналогичны оценкам, полученным в исторических исследованиях Гальтона, и не давали никаких доказательств замедления скорости обработки данных в современных популяциях. SRT на латеральные стимулы имели немного более короткие латентные периоды, когда стимулы предъявлялись в поле зрения, противоположном реагирующей руке. Однако различия в задержке (<3 мс) были меньше, чем задержки, ожидаемые от транскаллозальной передачи.SRT увеличивались с возрастом со скоростью ∼0,5 мс/год, но не оказывали существенного влияния на образование или пол. Латентный период обнаружения стимула, оцененный по разнице в SRT и времени начала движения, измеренном в задаче постукивания пальцами, был стабильным в зрелом возрасте, что позволяет предположить, что возрастное замедление SRT в первую очередь отражает замедление двигательной активности.

Заявление о конфликте интересов

Дэвид Л. Вудс связан с NeuroBehavioral Systems, Inc., разработчиками программного обеспечения Presentation, которое использовалось для проведения этих экспериментов.

Благодарности

Это исследование было поддержано грантами CX000583 и CX001000 Исследовательской службы штата Вирджиния для DW и премией R01ES014038 от Национального института наук о гигиене окружающей среды для Майкла Бейтса. Содержание является исключительной ответственностью авторов и не обязательно отражает официальную точку зрения финансирующих организаций. Мы также хотели бы поблагодарить Бена Эдвардса, Орана Поливу, Масуда Юнуса, Набила Рахмана, Керри Хьюбел, Нерен Лински, Катарину Джордж и Джона МакКеога, которые помогли собрать данные, используемые в этом отчете, и Роберта Хинка, который разработал База данных MySQL.

Footnotes

1 http://www.ebire.org/hcnlab/cognitive-tests/SRT

2 Данные Эксперимента 1 были собраны в рамках исследования воздействия на здоровье хронического воздействия низких уровень H 2 S (Reed et al., 2014), который выявил небольшой, но значительный положительный эффект H 2 S, так что у людей в двух верхних квартилях воздействия SRT были на 1,8 мс быстрее, чем у людей в самый низкий квартиль воздействия. Поскольку возраст слабо коррелировал с экспозицией (r = 0.035), приведенная здесь возрастная регрессия может немного недооценивать влияние возраста на SRT в группах населения, не подвергавшихся воздействию H 2 S.

3 CCAB включал следующие компьютеризированные тесты и опросники: постукивание пальцами, время простой реакции, Stroop, диапазон цифр вперед и назад, фонематическая и семантическая вербальная беглость, изучение вербального списка, пространственный диапазон, построение следов, словарный запас, беглость дизайна , Тест Векслера по чтению для взрослых (WTAR), сочетание визуальных признаков, предотвращение рисков и потерь, дисконтирование задержек, Стимулированная слуховая последовательная задача добавления (PASAT), Опросник когнитивных неудач (CFQ), Контрольный список посттравматического стрессового расстройства (PCL), и опросник черепно-мозговой травмы (ЧМТ).

Ссылки

  • Аннет М., Аннет Дж. (1979). Индивидуальные различия во времени правой и левой реакции. руб. Дж. Психол. 70 393–404 10.1111/j.2044-8295.1979.tb01709.x [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
  • Anstey K.J., Dear K., Christensen H., Jorm A.F. (2005). Биомаркеры, здоровье, образ жизни и демографические переменные как корреляты времени реакции в раннем, среднем и позднем взрослом возрасте. QJ Exp. Психол. А 58 5–21 10.1080/02724980443000232 [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
  • Benwell C.С., Тут Г., Грант А., Харви М. (2014). Сдвиг вправо вектора зрительно-пространственного внимания при здоровом старении. Перед. Стареющие нейроски. 6:113 10.3389/fnagi.2014.00113 [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
  • Berlingeri M., Danelli L., Bottini G., Sberna M., Paulesu E. (2013). Переоценка модели HAROLD: является ли уменьшение полушарной асимметрии у пожилых людей особым случаем компенсаторно-связанного использования нейронных цепей? Экспл. Мозг Res. 224 393–410 10.1007/s00221-012-3319-x [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
  • Bherer L., Belleville S. (2004). Возрастные различия в подготовке к ответу: роль временной неопределенности. Дж. Геронтол. Б Псих. науч. соц. науч. 59 P66–P74 10.1093/geronb/59.2.P66 [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
  • Беляк А. А., Чербуин Н., Банс Д., Анстей К. Дж. (2014). Внутрииндивидуальная изменчивость является фундаментальным феноменом старения: данные 8-летнего лонгитюдного исследования в молодом, среднем и пожилом возрасте. Дев. Психол. 50 143–151 10.1037/a0032650 [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
  • Bisiacchi P., Marzi C.A., Nicoletti R., Carena G., Mucignat C., Tomaiuolo F. (1994). Лево-правая асимметрия переноса мозолей у здоровых людей. Поведение. Мозг Res. 64 173–178 10.1016/0166-4328(94)

    -5 [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]

  • Бризсолара Д., Ферретти Г., Броведани П., Казалини К., Сбрана Б. (1994). Связано ли время межполушарного переноса с возрастом? Исследование развития. Поведение. Мозг Res. 64 179–184 10.1016/0166-4328(94)-9 [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
  • Багг Дж. М., Зук Н. А., Делош Э. Л., Давалос Д. Б., Дэвис Х. П. (2006). Возрастные различия в подвижном интеллекте: вклад общего замедления и лобного снижения. Познание мозга. 62 9–16 10.1016/j.bandc.2006.02.006 [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
  • Каминити Р., Газири Х., Галуске Р., Хоф П. Р., Инноченти Г. М. (2009). Эволюция усилила обработку с временно рассредоточенными медленными связями нейронов у приматов. Проц. Натл. акад. науч. США 106 19551–19556 10.1073/pnas.05106 [бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
  • Chaumillon R., Blouin J., Guillaume A. (2014). Доминирование глаз влияет на триггерное действие: новый взгляд на парадигму Поффенбергера. Кортекс 58 86–98 10.1016/j.cortex.2014.05.009 [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
  • Clarke JM, Zaidel E. (1989). Простое время реакции на боковые световые вспышки. Разновидности путей межполушарной связи. Мозг 112 (часть 4) 849–870 10.1093/brain/112.4.849 [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
  • Commodari E., Guarnera M. (2008). Внимание и старение. Клиника старения. Эксп. Рез. 20 578–584 10.1007/BF03324887 [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
  • Дорогой И. Дж., Дер Г. (2005). Время реакции, возраст и когнитивные способности: продольные данные в возрасте от 16 до 63 лет в репрезентативных выборках населения. Нейропсихология старения. Познан. 12 187–215 10.1080/138255805235 [CrossRef] [Google Scholar]
  • Дорогой И.Дж., Дер Г., Форд Г. (2001). Время реакции и различия в интеллекте: популяционное когортное исследование. Интеллект 29 389–399 10.1016/S0160-2896(01)00062-9 [CrossRef] [Google Scholar]
  • Дири И. Дж., Джонсон В., Старр Дж. М. (2010). Являются ли задачи на скорость обработки данных биомаркерами когнитивного старения? Психология. Старение 25 219–228 10.1037/a0017750 [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
  • Дири И. Дж., Ливальд Д., Ниссан Дж. (2011). Бесплатная, простая в использовании, компьютерная простая программа времени реакции с четырьмя вариантами ответа: задача времени реакции Дири-Ливальда. Поведение. Рез. Методы 43 258–268 10.3758/s13428-010-0024-1 [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
  • Der G., Deary I. J. (2006). Возрастные и половые различия во времени реакции в зрелом возрасте: результаты исследования здоровья и образа жизни Соединенного Королевства. Психология. Старение 21 62–73 10.1037/0882-7974.21.1.62 [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
  • Дордонова Ю. А., Дордонов Ю. С. (2013). Есть ли доказательства исторического замедления времени реакции? Нет, если только мы не сравним яблоки и апельсины. Интеллект 41 674–687 10.1016/j.intell.2013.09.001 [CrossRef] [Google Scholar]
  • Dykiert D., Der G., Starr J.M., Deary I.J. (2012a). Возрастные различия внутрииндивидуальной изменчивости времени простой реакции и реакции выбора: систематический обзор и метаанализ. ПЛОС ОДИН 7:e45759 10.1371/journal.pone.0045759 [бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
  • Dykiert D., Der G., Starr J. M., Deary I. J. (2012b). Половые различия среднего времени реакции и внутрииндивидуальная изменчивость на протяжении жизни. Дев. Психол. 48 1262–1276 гг. 10.1037/a0027550 [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
  • Экнер Дж. Т., Катчер Дж. С., Ричардсон Дж. К. (2011). Надежность между сезонными тестами и повторными тестами клинически измеренного времени реакции у спортсменов первого дивизиона Национальной студенческой спортивной ассоциации. Дж. Атл. Тренироваться. 46 409–414. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [Google Scholar]
  • Emmerson-Hanover R., Shearer D.E., Creel D.J., Dustman R.E. (1994). Вызванные потенциалы с реверсированием паттерна: гендерные различия и возрастные изменения амплитуды и латентности. Электроэнцефалогр. клин. Нейрофизиол. 92 93–101 10.1016/0168-5597(94)

    -3 [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
  • Эра П., Сайнио П., Коскинен С., Олгрен Дж., Харканен Т., Аромаа А. (2011). Психомоторная скорость в случайной выборке из 7979 человек в возрасте 30 лет и старше. Клиника старения. Эксп. Рез. 23 135–144 10.1007/BF03351077 [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
  • Фиттро К.П., Болла К.И., Хеллер Дж.Р., Мейд С.Дж. (1992). Миланская автоматизированная нейроповеденческая система.Различия в возрасте, поле и образовании. Дж. Оккуп. Мед. 34 918–922. [PubMed] [Google Scholar]
  • Forstmann B.U., Tittgemeyer M., Wagenmakers E.J., Derrfuss J., Imperati D., Brown S. (2011). Компромисс скорости и точности в пожилом мозге: подход, основанный на структурной модели. J. Neurosci. 31 17242–17249 10.1523/JNEUROSCI.0309-11.2011 [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
  • Fozard J.L., Vercryssen M., Reynolds S.L., Hancock P.A., Quilter R.Э. (1994). Возрастные различия и изменения времени реакции: Балтиморское продольное исследование старения. Дж. Геронтол. 49 P179–P189 10.1093/geronj/49.4.P179 [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
  • Godefroy O., Roussel M., Despretz P., Quaglino V., Boucart M. (2010). Возрастное замедление: снижение перцептуомоторики, решения или внимания? Экспл. Старение Res. 36 169–189 10.1080/03610731003613615 [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
  • Gottsdanker R. (1982). Возраст и простое время реакции. Дж. Геронтол. 37 342–348 10.1093/geronj/37.3.342 [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
  • Greenwood PM, Parasuraman R., Haxby JV (1993). Изменения зрительно-пространственного внимания на протяжении взрослой жизни. Нейропсихология 31 471–485 10.1016/0028-3932(93)-4 [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
  • Хьюбель К. А., Рид Б., Юнд Э. В., Херрон Т. Дж., Вудс Д. Л. (2013a). Компьютеризированные измерения постукивания пальцами: влияние доминирования рук, возраста и пола. Восприятие.Мот. Навыки 116 929–952 10.2466/25.29.PMS.116.3.929-952 [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
  • Хьюбель К. А., Юнд Э. В., Херрон Т. Дж., Вудс Д. Л. (2013b). Компьютеризированные меры постукивания пальцами: достоверность, симуляция и черепно-мозговая травма. Дж. Клин. Эксп. Нейропсихология. 35 745–758 10.1080/13803395.2013.824070 [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
  • Инуи Н. (1997). Время простой реакции и синхронизация серийных реакций мужчин среднего и пожилого возраста. Восприятие.Мот. Навыки 84 219–225 10.2466/pms.1997.84.1.219 [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
  • Jensen AR (2011). Теория интеллекта и его измерение. Интеллект 39 171–177 10.1016/j.intell.2011.03.004 [CrossRef] [Google Scholar]
  • Johnson R.C., Mcclearn G.E., Yuen S., Nagoshi C.T., Ahern F.M., Cole R.E. (1985). Данные Гальтона столетие спустя. утра. Психол. 40 875–892 10.1037/0003-066X.40.8.875 [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
  • Криг Э.F., Jr., Chrislip D.W., Letz R.E., Otto D.A., Crespo C.J., Brightwell N.S., et al. (2001). Нейроповеденческие тесты в третьем Национальном исследовании здоровья и питания. Нейротоксикол. Тератол. 23 569–589 10.1016/S0892-0362(01)00177-5 [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
  • Levin O., Cuypers K., Netz Y., Thijs H., Nuttin B., Helsen W. F., et al. (2011). Возрастные различия кортикоспинальной возбудимости человека во время простой реакции. Неврологи.лат. 487 53–57 10.1016/j.neulet.2010.09.072 [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
  • Lowe C., Rabbitt P. (1998). Тестовая/ретестовая надежность нейропсихологических батарей CANTAB и ISPOCD: теоретические и практические вопросы. Кембриджская автоматизированная батарея нейропсихологических тестов. Международное исследование послеоперационной когнитивной дисфункции. Нейропсихология 36 915–923 10.1016/S0028-3932(98)00036-0 [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
  • Миллер Дж., Ульрих Р.(2003). Простое время реакции и статистическое облегчение: модель с параллельными зернами. Познан. Психол. 46 101–151 10.1016/S0010-0285(02)00517-0 [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
  • Montare A. (2010). Простейший хроноскоп II: время реакции, измеренное измерительной линейкой по сравнению с машиной. Восприятие. Мот. Навыки 111 819–828 10.2466/03.15.25.PMS.111.6.819-828 [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
  • Montare A. (2013). Самый простой хроноскоп. III: дальнейшее сравнение времени реакции, полученного с помощью измерителя и машины. Восприятие. Мот. Навыки 116 796–805 10.2466/27.24.PMS.116.3.796-805 [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
  • Neath I., Earle A., Hallett D., Surprenant AM (2011). Точность времени отклика в компьютерах Apple Macintosh. Поведение. Рез. Методы 43 353–362 10.3758/s13428-011-0069-9 [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
  • Ниеми П., Наатанен Р. (1981). Форепериод и простое время реакции. Психология. Бык. 89 133–162 10.1037/0033-2909.89.1.133 [CrossRef] [Google Scholar]
  • Паркер С.(2014). Были ли викторианцы умнее нас? Может быть, а может и нет. Интеллект 47 1–2 10.1016/j.intell.2014.08.002 [CrossRef] [Google Scholar]
  • Pins D., Bonnet C. (1996). О связи между интенсивностью стимула и временем обработки: закон Пьерона и время реакции выбора. Восприятие. Психофиз. 58 390–400 10.3758/BF03206815 [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
  • Plant RR, Turner G. (2009). Психологические исследования с точностью до миллисекунды в мире обычных компьютеров: новое оборудование, новые проблемы? Поведение.Рез. Методы 41 598–614 10.3758/BRM.41.3.598 [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
  • Ratcliff R., Thapar A., ​​Mckoon G. (2001). Влияние старения на время реакции в задаче обнаружения сигнала. Психология. Старение 16 323–341 10.1037/0882-7974.16.2.323 [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
  • Ratcliff R., Van Dongen HP (2011). Диффузионная модель для задач времени реакции с одним выбором и когнитивные эффекты лишения сна. Проц. Натл. акад. науч. США. 108 11285–11290 10.1073/pnas.1100483108 [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
  • Рид Б. Р., Крейн Дж., Гарретт Н., Вудс Д. Л., Бейтс М. Н. (2014). Хроническое воздействие сероводорода в окружающей среде и когнитивная функция. Нейротоксикол. Тератол. 42 68–76 10.1016/j.ntt.2014.02.002 [бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
  • Reeves DL, Bleiberg J., Roebuck-Spencer T., Cernich AN, Schwab K., Ivins B., и другие. (2006). Референтные значения показателей автоматизированной нейропсихологической оценки, версия 3.0 в действующем военном образце. Мил. Мед. 171 982–994. [PubMed] [Google Scholar]
  • Ривз Д. Л., Винтер К. П., Блейберг Дж., Кейн Р. Л. (2007). Генограмма АНАМ: исторические перспективы, описание и текущие начинания. Арх. клин. Нейропсихология. 22(Приложение 1) С15–С37 10.1016/j.acn.2006.10.013 [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
  • Reimers S., Maylor EA (2006). Гендерные эффекты на изменчивость времени реакции и эффективность от испытания к испытанию: ответ Deary and Der (2005). Нейропсихология. Дев. Познан. B Нейропсихология старения. Познан. 13 479–489 10.1080/1382558375 [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
  • Ritchie SJ, Bates T.C., Der G., Starr JM, Deary I.J. (2013). Образование связано с более высокими показателями IQ в более позднем возрасте, но не с более высокой скоростью когнитивной обработки. Психология. Старение 28 515–521 10.1037/a0030820 [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
  • Robinson D.L., Kertzman C. (1990). Зрительно-пространственное внимание: влияние возраста, пола и пространственной привязки. Нейропсихология 28 291–301 10.1016/0028-3932(90)-G [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
  • Шеппард Л., Вернон П. А. (2008). Интеллект и скорость обработки информации: обзор 50-летних исследований. чел. Индивид. Диф. 44 535–551 10.1016/j.paid.2007.09.015 [CrossRef] [Google Scholar]
  • Сильверман И. В. (2006). Половые различия во времени простой визуальной реакции: исторический метаанализ. Сексуальные роли 54 58–68 10.1007/s11199-006-8869-6 [CrossRef] [Google Scholar]
  • Сильверман И.В. (2010). Простое время реакции: оно уже не то, что раньше. утра. Дж. Психол. 123 39–50 10.5406/amerjpsyc.123.1.0039 [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
  • Валлеси А., Макинтош А. Р., Стусс Д. Т. (2009). Временная подготовка при старении: функциональное МРТ-исследование. Нейропсихология 47 2876–2881 гг. 10.1016/j.neuropsychologia.2009.06.013 [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
  • Vincent A. S., Bleiberg J., Yan S., Ivins B., Reeves D. L., Schwab K., et al. (2008).Справочные данные из автоматизированных показателей нейропсихологической оценки для использования при черепно-мозговой травме в выборке военнослужащих, находящихся на действительной военной службе. Мил. Мед. 173 836–852 10.7205/MILMED.173.9.836 [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
  • Винсент А. С., Робак-Спенсер Т., Гиллиленд К., Шлегель Р. (2012). Метрики автоматизированной нейропсихологической оценки (v4) батареи черепно-мозговой травмы: данные военного норматива. Мил. Мед. 177 256–269 10.7205/MILMED-D-11-00289 [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
  • Wilkinson R.Т., Эллисон С. (1989). Возраст и время простой реакции: десятилетние различия для 5325 испытуемых. Дж. Геронтол. 44 П29–П35 10.1093/geronj/44.2.P29 [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
  • Woodley MA, Nijenhuis T., Murphy R. (2013). Были ли викторианцы умнее нас? Снижение общего интеллекта оценивается на основе метаанализа замедления времени простой реакции. Интеллект 41 843–850 10.1016/j.intell.2013.04.006 [CrossRef] [Google Scholar]
  • Вудс Д.L., Kishiyama M.M., Yund E.W., Herron T.J., Edwards B., Poliva O., et al. (2011а). Улучшение оценки диапазона цифр кратковременной вербальной памяти. Дж. Клин. Эксп. Нейропсихология. 33 101–111 10.1080/13803395.2010.493149 [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
  • Woods D.L., Kishiyama M.M., Yund E.W., Herron T.J., Hink R.F., Reed B. (2011b). Компьютеризированный анализ шаблонов ошибок при воспроизведении диапазона цифр. Дж. Клин. Эксп. Нейропсихология. 33 721–734 10.1080/13803395.2010.550602 [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
  • Woods D.L., Wyma J., Yund E.W., Herron T.J., Reed B. (2015). Влияние старения на время реакции зрительного выбора. Перед. Гум. Неврологи. (в прессе). [Google Scholar]
  • Йорданова Дж., Колев В., Хонсбайн Дж., Фалькенштейн М. (2004). Сенсомоторное замедление с возрастом опосредовано функциональной дисрегуляцией процессов двигательной генерации: свидетельство потенциалов, связанных с событиями, с высоким разрешением. Мозг 127 351–362 10.1093/brain/awh042 [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]

Факторы, влияющие на скорость реакции в химической кинетике

Химическая кинетика или кинетика реакций — это изучение скоростей химических процессов. Изучение химической кинетики включает исследования того, как различные экспериментальные условия могут влиять на скорость химических реакций и давать информацию о механизме реакции и переходных состояниях.Он также включает в себя построение математических моделей, которые могут описывать характеристики химической реакции.

Факторы, влияющие на скорость реакции

Химическая кинетика занимается экспериментальным определением скоростей реакций, из которых выводятся законы скорости и константы скорости. Чтобы произошла реакция, должно произойти столкновение. Это столкновение должно иметь правильную ориентацию и иметь достаточную энергию, чтобы разорвать необходимые связи.

На скорость химических реакций влияет несколько факторов.Например, распределение размера частиц материала, которое можно определить с помощью анализатора размера частиц, повлияет на реакционную способность твердых веществ, участвующих в химических реакциях. Ниже приведены другие факторы:

Природа реагентов

Изменение скорости реакции зависит от того, какие вещества реагируют. К быстрым реакциям относятся кислотные реакции, образование солей и ионный обмен. Реакции имеют тенденцию быть медленными, когда между молекулами происходит образование ковалентной связи и когда образуются большие молекулы.

Физическое состояние

Физическое состояние реагента, то есть твердое, жидкое или газообразное, также является важным фактором скорости изменения. Когда реагенты находятся в одной фазе, тепловое движение приводит их в контакт. Если они находятся в разных фазах, реакция ограничивается границей раздела между реагентами, и реакции могут происходить только в области их контакта. Для завершения реакции может потребоваться интенсивное встряхивание и перемешивание.

Концентрация

Согласно теории столкновений химических реакций, концентрация является важным фактором, поскольку молекулы должны сталкиваться, чтобы реагировать друг с другом.Когда концентрация реагентов увеличивается, увеличивается частота столкновений молекул, которые чаще ударяются друг о друга. Увеличение количества одного или нескольких реагентов приводит к тому, что сговоры происходят чаще, увеличивая скорость реакции.

Температура

Молекулы при более высокой температуре имеют большую тепловую энергию, и частота столкновений выше при более высоких температурах.

Катализаторы

Катализаторы — это вещества, которые используются для облегчения реакций, но после этого остаются химически неизменными.Скорость реакции увеличивается, когда катализатор обеспечивает другой механизм реакции с более низкой энергией активации.

Давление

Когда давление увеличивается в газовой реакции, число столкновений между реагентами также увеличивается, увеличивая скорость реакции.

Приборы, которые можно использовать для изучения скорости реакции

С остановленным потоком

Прибор с остановкой потока — это смесительное устройство, которое чаще всего используется для изучения быстрой кинетики.Небольшие объемы раствора быстро подаются из шприцев в высокоэффективный миксер, чтобы инициировать быструю реакцию. Эти реакции обычно регистрируют с помощью спектроскопических методов, таких как УФ-поглощение, флуоресценция или круговой дихроизм. Наиболее часто используемым методом обнаружения является флуоресцентная спектроскопия из-за ее высокой чувствительности.

Приборы с остановкой потока могут быть оснащены четырьмя шприцами, одним для образца и двумя или тремя шприцами для двойного или последовательного смешивания реагентов.

Флуоресценция с быстрой кинетикой

Это еще один прибор, специально разработанный для обнаружения быстрой кинетики. В сочетании с оборудованием Bio-Logic с остановленным потоком и закаленным потоком он представляет собой очень мощную систему кинетического анализа с высокой чувствительностью и очень эффективным сбором данных. Спектрометр можно настроить для измерения реакций по поглощению УФ-излучения плюс флуоресценция или по двум различным длинам волн флуоресценции.

Найдите лучший инструмент

ATA Scientific предлагает ряд продуктов, которые могут помочь вам в ваших научных начинаниях, больших или малых.Для получения информации и совета о том, какой продукт будет соответствовать вашим конкретным потребностям, свяжитесь с ATA Scientific сегодня.

Факторы торможения

Факторы торможения Рекламные ссылки

1.) Время реакции водителя (t r )
Время реакции водителя включает в себя распознавание изменения освещения, решение продолжить движение или затормозить, а при остановке включить тормоз (убрать ногу с акселератора и включить тормоз). Время реакции сильно различается в зависимости от ситуации и от человека к человеку в пределах примерно 0.от 7 до 3 секунд (сек или с) или более. Некоторые специалисты по реконструкции аварий используют 1,5 секунды . Контролируемое исследование, проведенное в 2000 году (IEA2000_ABS51.pdf), показало, что среднее время реакции водителя на торможение составляет 2,3 секунды . В исследование были включены все типы водителей, тесты проводились на контролируемой трассе и в симуляторе вождения.

Время реакции водителя
0,7 с — примерно так же быстро, как
1.0 сек — старый стандарт
1,5 с — общее использование
2,0 с — общее использование
2,3 с — СРЕДНЯЯ
2,5 с — используется в нескольких штатах
3,0 с — NSC и стандарт Великобритании

Несколько штатов, включая Калифорнию, приняли стандарт времени реакции водителя 2.5 секунд . В Кодексе дорожного движения Соединенного Королевства и Кодексе практики ACPO Ассоциации старших офицеров полиции по оперативному использованию технологий обеспечения соблюдения правил дорожного движения используется 3,0 секунды для времени реакции водителя. Национальный совет по безопасности (NSC) рекомендует минимальное расстояние в 3 секунды (время реакции 3 секунды) между транспортными средствами, движущимися по одной полосе.

Проверьте свою реакцию, играя в PassMeFast Игра «Аварийная остановка».


2.) Длина автомобиля (L)
Длина автомобиля является важным фактором, поскольку весь автомобиль должен находиться вне поля зрения датчика дороги, луча радара или лазерного луча, чтобы камера не срабатывала.


3.) Скорость (v)
Стандартная практика предполагает, что ограничения скорости устанавливаются на 85-процентную скорость . Скорость 85-го процентиля — это скорость, на которой 85% трафика движется с или ниже, а 15% — быстрее. Предполагается, что исследование трафика проводится в течение относительно длительного периода времени для эмпирического определения скорости 85 процентиля.В некоторых местах установлено ограничение на 8–12 миль в час ниже скорости 85 процентилей, что приводит к большему количеству спидеров и бегунов на красный свет.

Рекламные ссылки

4.) Продолжительность желтого света (t y )
Время желтого свечения различается и не всегда правильно установлено. Лучший способ определить продолжительность желтого света — измерить ее. Самый простой способ точно измерить продолжительность желтого света — записать свет на видео и подсчитать кадры, в которых свет желтый. Необходимо зарегистрировать несколько световых циклов, чтобы проверить наличие различий.По возможности в кадре должно быть несколько светофоров.

После записи используйте программное обеспечение для редактирования видео, чтобы рассчитать время желтых световых рамок. В качестве альтернативы, большинство машин / программного обеспечения для воспроизведения видео позволяют пользователю перемещаться вперед или назад на один кадр за раз. Подсчитайте количество кадров, в которых горит желтый свет, и разделите это число на частоту кадров видео. Подсчет кадров даст результаты с точностью до плюс-минус обратного значения частоты кадров.

Время = ЧИСЛО кадров/частота кадров
Точность = ± 1/(частота кадров)

т = Н/ФПС
t = время в секундах
N = количество кадров
FPS = частота кадров (кадров в секунду)

Рассчитать время желтого света в секундах

В У.Видеокамеры S. обычно записывают со скоростью 15, , 30, (вещание DTV) или 60 кадров в секунду (FPS). Голливудские и домашние кинокамеры обычно записывают со скоростью 24 кадра в секунду. В Европе большинство видеокамер, пленочных камер и вещания DTV работают со скоростью 25 FPS . Сжатое видео может быть 10 или 12 FPS.

Общая частота кадров
Частота кадров
кадр/с
Точность
Секунды (с)
Использовать
10 ± 0.10 с Сжатое видео
12 ± 0,08 с Сжатое видео
15 ± 0,07 с Опция видеокамеры
24 ± 0,04 с Голливуд / Домашняя пленка
25 ± 0,04 с Видео/Кино/DTV (Европа)
30 ± 0,03 с Видео / ДТВ
60 ± 0.02 с Видео высокого класса
120 ± 0,01 с Высокое разрешение (4k)

ПОДСЧЕТ КАДРОВ — Может быть не совсем ясно, когда начинается и заканчивается желтый свет, например, в кадре появляется несколько цветов света. Самый точный способ подсчета кадров — использовать первый кадр, в котором зеленый тускнеет и/или начинает загораться желтый, в качестве кадра номер 1. Считайте кадры до тех пор, пока желтый цвет не начнет тускнеть и/или не загорится красный, это номер последнего кадра.Вычтите 1 из номера последнего кадра, чтобы получить количество кадров (количество кадров). Если в кадре захвачено несколько столбов или подвесных светильников, в качестве начала или конца кадра номер используется тот из них, который первым тускнеет или начинает светиться.


5.) Стоп-линия до порога пересечения (чистая) линия (d t )
Подробное описание см. в разделе «Проблемы с синхронизацией на красный свет» — Порог пересечения.

По крайней мере, один производитель камер на красный свет (Redflex) использует радары, установленные на столбах, для обнаружения нарушений.Пороговая линия устанавливается для местности путем настройки лучей радара и программного обеспечения. Пороговую линию трудно или невозможно определить при осмотре места.

Обнаружение радаров

Время выборки радара составляет 50 миллисекунд (20 выборок в секунду), а диапазон составляет около 350 футов.

Компания American Traffic Solutions (ATS) использует магниторезистивные датчики, закопанные в дорогу. Система использует 2 датчика в каждой полосе, расположенных по центру полосы и расположенных на расстоянии 5 футов друг от друга.Каждый датчик имеет диаметр около 4 дюймов (и глубину 2 дюйма), питание от батареи и беспроводную связь (2,400–2,4835 ГГц / 2 мВт). Чистая линия порога пересечения находится в нескольких футах от последнего датчика и зависит от настроек компьютера синхронизации и чувствительности датчика.

Обнаружение магниторезистивного датчика

Магниторезистивные датчики обычно используются для измерения скорости дорожного движения и длины транспортного средства. В этом приложении датчики обычно располагаются на расстоянии от 10 до 20 футов друг от друга.

Другие датчики включают лазеры, индуктивные магнитные петли, заглубленные в дорогу, и пьезокерамические датчики давления, заглубленные в дорогу.


6.) Уровень дороги (G r )
Торможение (g) на склонах регулируется добавлением (на спуске) или вычитанием (на подъеме) коэффициента уклона дороги. Уклон дороги представляет собой отношение изменения высоты к горизонтальному расстоянию и обычно выражается в процентах (%). Уровень дороги может быть указан на дороге, если нет, его можно измерить с помощью уклономера или другого метода.Коэффициент уклона дороги представляет собой тангенс угла с уровнем или отношение расстояния изменения высоты к горизонтальному расстоянию.

Коэффициент уклона дороги (G r )

G r = тангенс(ß) = у/х

Г р = коэффициент уклона дороги
ß = угол наклона дороги
у = перепад высот
х = горизонтальное расстояние

У.Системы шоссе S. обычно имеют максимальный уклон 5% в городе и 6% в горах. В таблице ниже перечислены изменения высоты и угла наклона для изменения горизонтального расстояния на 300 футов (100 ярдов) для выбранных классов дорог.

Класс
Процент
Марка
Соотношение
Наклон
Угол
Высота
Изменение
/ 300 футов
1%
2%
3%
4%
5%
6%
7%
0,01
0,02
0.03
0,04
0,05
0,06
0,07
0,6°
1,1°
1,7°
2,3°
2,9°
3,4°
4,0°
3 фута
6 футов
9 футов
12 футов
15 футов
18 футов
21 фут

Уклон дороги

Уклон дороги от X и Y
X и Y в одинаковых единицах измерения (футы, метры…)

CopRadar.com
Информационный центр полицейских радаров
Факторы торможения водителя
Главная | Назад | Вверх © Copyright 2005 — 2017, Все права защищены.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

2015-2019 © Игровая комната «Волшебный лес», Челябинск
тел.:+7 351 724-05-51, +7 351 777-22-55 игровая комната челябинск, праздник детям челябинск