Деякі хімічні реакції перебігають дуже швидко, наприклад зміна забарвлення індикатора в якому-небудь середовищі або реакція нейтралізації. Деякі відбуваються повільніше, наприклад реакція розкладу купрум гідроксиду. Навколо нас теж є реакції, які відбуваються швидко, наприклад горіння, а є повільні — гниття, іржавіння. На хімічних підприємствах потрібно точно розрахувати, з якою швидкістю будуть використовуватися реагенти й утворюватися продукти реакції. Від цього залежить робота виробництва.
ПОНЯТТЯ ПРО ШВИДКІСТЬ РЕАКЦІЇ
Під середньою швидкістю хімічних реакцій (осер.) в однорідній суміші розуміють зміну кількості речовини реагентів за одиницю часу в одиниці об’єму.
Позначивши кількість речовини буквою п, а час — буквою т (тау), різницю — А (дельта), об’єм — V, одержимо формулу середньої швидкості реакції:
Час вимірюють у секундах, кількість речовини — у молях, об’єм — у літрах, а швидкість, відповідно, — у моль/л • с.
Оскільки концентрація реагентів у процесі реакції зменшується, праворуч у рівнянні ставимо знак «-».
Як видно з формули, швидкість прямо пропорційна величині зміни концентрації й зворотно пропорційна часу, тобто чим більше речовини реагує за менший час, тим більше швидкість реакції.
З якою швидкістю відбувається зменшення концентрації реагентів, з такою самою швидкістю утворюються продукти реакції. Найчастіше в розрахунках використовують зміну концентрації реагентів.
Приклад. Обчисліть середню швидкість реакції, якщо концентрація одного з реагентів становила 1,5 моль у 1 літрі, а через 60 секунд — 0,5 моль у 1 літрі.
Пояснення розв'язання Знайдемо An: 1,5 моль - 0,5 моль = 1 моль. Об’єм, згідно з умовою задачі, дорівнює 1 л, час проведення реакції (Ат) = 60 секунд.
Відповідно:
Чинники, які впливають на швидкість реакції
1. Природа реагентів
Важливо, які речовини вступають у реакцію, якими є їхній склад і будова, тобто якою є природа реагентів. Наприклад, розглянемо реакцію горіння в кисні різних речовин: аркуш паперу, шматок вугілля, порох, шматок деревини. В якому випадку швидкість реакції буде максимальною? Так, коли горить порох (швидке горіння — вибух). Найменша швидкість горіння — у шматка вугілля.
— У цьому випадку, щоправда, треба враховувати ще й ступінь подрібнення вугілля і його контакт із киснем. Якщо вдмухувати тонкий порошок вугілля в кисень, моментальне згоряння забезпечене.
Швидкість реакції залежить від хімічної активності речовин. Завдання. Наведіть приклади, які підтверджують це правило.
Дослід «Вплив природи реагентів на швидкість реакції»
Візьмемо 2 пробірки, у кожну наллємо по 1-2 мл хлоридної кислоти.
В одну пробірку опустимо шматочок магнію, в іншу — такий самий шматочок заліза. Швидкість реакції визначаємо за інтенсивністю виділення водню.
Очевидно, швидкість реакції більше в тій пробірці, в яку ми опускали магній.
2. Збільшення концентрації реагентів
Яка умова є обов’язковою для того, щоби почалася хімічна реакція? Подумали? Відповідь: частинки (атоми, молекули, йони), які вступають у реакцію, мають зіштовхнутися одна з одною. Тому, якщо ми хочемо збільшити швидкість реакції, треба ці зіткнення зробити частіше, а якщо зменшити швидкість — то, відповідно, навпаки.
У разі збільшення концентрації реагентів швидкість реакції збільшується, тому що частішає зіткнення між частинками.
Це правило годиться для речовин у газоподібному й рідкому станах.
— Уявіть шкільний коридор, у якому всього два учні. Якою є ймовірність їх зіткнення? Низька.
— А тепер уявіть перерву, у коридорі багато учнів (підвищилася концентрація), і зіткнення почастішали.
Збільшення концентрації передбачає збільшення частинок речовини в певному об’ємі або в перерахуванні на загальну масу. Ми вивчали один із виразів концентрацій — масову частку. Застосуємо це в досліді.
Лабораторний дослід «Вплив концентрації HCl на швидкість реакції»
Візьмемо дві пробірки. В одну пробірку наллємо 1-2 мл хлоридної кислоти з масовою часткою HCl 5 %, в іншу — хлоридну кислоту з масовою часткою 10 °%.
Опустимо в обидві пробірки по гранулі цинку. Про швидкість реакції будемо судити за інтенсивністю виділення водню. Швидкість реакції більше в тій пробірці, в якій концентрація кислоти більше.
Для взаємодії речовин у газоподібному стані важлива зміна тиску й об’єму посудини, в якій вони містяться. Збільшення об’єму (зменшення тиску) призводить до зменшення концентрації реагентів і вповільнення реакції. Зменшення об’єму (збільшення тиску) призводить до підвищення швидкості реакції (рис. 42).
Причина та сама: молекули газів будуть частіше зіштовхуватися.
Якщо в реакцію вступають рідини або гази, то, перемішуючи реагенти, ми теж прискоримо реакцію, тому що це теж призводить до збільшення числа зіткнень між реагуючими частинками.
3. Зміна площі зіткнення реагентів
Якщо один із реагентів у твердому стані, то швидкість реакції безпосередньо залежить від площі зіткнення реагентів. Це зрозуміло: тільки на поверхні твердої речовини можливе зіткнення молекул (рис. 43).
Тому чим більше подрібнена речовина й чим краще відбувається перемішування, тим більше швидкість реакції (рис. 44).
Наприклад, велика концентрація вугільного пилу в шахтах може призводити до пожеж, тому що він легко займається.
Мозковий штурм
Якщо насипати вугільний пил купкою й намагатися його підпалити, горіти буде досить погано. Відомо, що млини належать до першої категорії за пожежонебезпечністю внаслідок того, що в повітрі багато борошняного пилу. Але знов-таки підпалити борошно не вдається, якщо воно насипано купкою. Поясніть ці явища.
Дізнайтеся більше
У давньому Києві існували так звані «вогняні потіхи», які влаштовували на свята. У полум’я смолоскипа вдмухували дрібні спори плауна, вони спалахували великою вогненною кулею (рис. 45). Можна вдмухувати в полум’я й порошок крохмалю.
Дослід «Вплив площі поверхні контакту реагентів на швидкість реакції»
У дві пробірки наллємо хлоридну кислоту з однаковою концентрацією. В одну пробірку опустимо гранулу цинку, у другу — насиплемо цинковий порошок. Бурхливе виділення водню в пробірці з порошком свідчить про велику швидкість реакції.
Взаємодія між кислотою й цинком відбувається тільки на його поверхні. Загальна площа часточок цинку в порошку значно перевершує площу гранули цинку.
4. Зміна температури
Швидкість реакції збільшується в разі підвищення температури.
Причина в тому, що частинки речовин, одержавши додаткову енергію, починають швидше рухатися й зіштовхуватися.
— Уявіть багато учнів у коридорі, й усі швидко бігають. Зіткнення значно почастішали.
Лабораторний дослід «Вплив температури на швидкість реакції»
У дві пробірки з хлоридною кислотою з концентрацією HCl 5 % опустіть по гранулі цинку. Одну пробірку нагрійте, іншу не нагрівайте.
Кількість водню, що виділяється, а отже, і швидкість реакції більше в тій пробірці, яку нагрівали.
В організмі людини відбувається велика кількість хімічних реакцій. Підвищення температури тіла прискорює багато з них. Якщо ми хворіємо й підвищується температура, то реакції в організмі відбуваються швидше й ми активніше боремося із джерелом хвороби.
5. Каталізатори
Уявіть, що нам потрібно прискорити реакцію. Ця необхідність виникає досить часто, особливо на виробництві: прискорення реакції призводить до збільшення випуску продукції, а це економічно вигідно. Є такі речовини — каталізатори. Вони змінюють швидкість реакції в десятки й сотні разів, при цьому залишаються незмінними й не входять до складу продуктів реакції.
Каталізаторами можуть бути дуже різні речовини. Часто це метали та їх оксиди, це можуть бути оксиди неметалічних елементів і солі, кислоти, органічні речовини. Добирання каталізатора для якоїсь певної реакції — справа дуже непроста, доводиться випробовувати сотні речовин, поки не знайдеться потрібна. Але якщо каталізатор знайдено, то реакція між речовинами в його присутності відбувається дуже швидко й найчастіше не вимагає високих температур.
Каталізатори — це речовини, які прискорюють реакції. При цьому каталізатори в процесі реакції не витрачаються й до складу продуктів реакції не входять.
Дізнайтеся більше
Каталізатори — це речовини, які змінюють швидкість реакції. Прискорення реакції називають позитивним каталізом, а речовини, які сприяють цьому, називають каталізаторами. Уповільнення реакції — негативний каталіз, або інгібування; речовини-каталізатори, використовувані для цього, називають інгібіторами. Ми будемо говорити зараз тільки про позитивний каталіз.
Теоретично один і той самий каталізатор можна використовувати дуже тривалий час, але насправді так не буває, бо каталізатори можуть реагувати з домішками, які містяться в реагентах (їх іще називають «каталітичними отрутами»), і тоді вони перестають працювати. Тому перед проведенням каталітичної реакції речовини ретельно очищують.
Розберемо дію каталізатора на конкретному прикладі.
Дослід «Вплив каталізатора на швидкість реакції»
Візьмемо 2 пробірки й у кожну наллємо 1-2 мл розчину гідроген пероксиду. Ця речовина розкладається на воду й кисень дуже повільно. Прискоримо цю реакцію:
додамо в одну з пробірок трохи манган(^) оксиду. Відразу моментально рідина буквально скипає — так активно виділяється кисень. Внесемо в пробірку тліючу скіпку — вона яскраво спалахує. Чому?
У цій реакції каталізатором є манган(ГУ) оксид.
У хімічних рівняннях формулу каталізатора пишуть над знаком рівності:
Розглянемо як приклад каталізу ще одну реакцію: окиснення сульфур(ІУ) оксиду до сульфур(УІ) оксиду. Вона відбувається за високих температур:
Цю реакцію використовують під час виробництва сульфатної кислоти. Щоби прискорити реакцію й зменшити витрати на нагрівання на виробництві, зазвичай використовують каталізатор — ванадій(У) оксид.
Однак цю реакцію можна каталізувати, додавши газоподібний нітроген(ІІ) оксид, який легко окиснюється до нітроген(ІУ) оксиду:
Нітроген(ІУ) оксид, у свою чергу, відразу окиснює сульфур(ІУ) оксид до сульфур(УІ) оксиду:
Знову отриманий у цій реакції NO продовжує окиснюватися в NO2, який, у свою чергу, окиснює SO2 і т. д. От і каталізатор NO не витрачається, і швидкість реакції за низьких температур досить висока. Схематично дію каталізатора для реакції A + B = AB можна записати так:
A + K = AK AK + B = AB + K
Тут A і B — реагенти, K — каталізатор.
Сумарне рівняння:
Роль каталізаторів у сучасній промисловості важко переоцінити. Їх використовують майже на кожному виробництві. Всі реакції, які відбуваються у живих організмах, теж каталітичні. У біології каталізатори називають ферментами. Якщо з якихось причин порушується робота ферментів, організм не може нормально функціонувати. Ферменти ви будете вивчати на уроках біології у старших класах.
Дізнайтеся більше
Розклад гідроген пероксиду, який каталізують йони Fe2+, перебігає приблизно за 1 хвилину. Якщо ця ж реакція перебігає у присутності фермента каталази, її швидкість збільшується приблизно в мільйон разів, тобто за 0,00006 частку секунди.
— Цікаво, чи можна з продуктів реакції одержати реагенти?
— Ну так. Наприклад, під час розкладу кальцій карбонату утворюються кальцій оксид і вуглекислий газ, які відразу можуть реагувати між собою з утворенням того ж кальцій карбонату.
— Ну, а якщо горить газ метан СН4, утворюються вуглекислий газ і вода. З них ми не можемо відразу знову одержати метан.
— Не сперечайтеся! Бувають реакції оборотні й необоротні. Їх зараз ми й будемо вивчати.
КЛАСИФІКАЦІЯ РЕАКЦІЙ ЗА ОЗНАКОЮ ОБОРОТНОСТІ
Хімічні реакції бувають оборотними й необоротними.
Необоротні реакції відбуваються тільки в одному напрямку й перебігають майже до кінця.
Наприклад:
Отримані продукти реакції неможливо з’єднати між собою для одержання реагентів.
Оборотні реакції за одних і тих самих умов одночасно відбуваються у двох взаємно протилежних напрямках і тому не перебігають до кінця.
Реакція, яка відбувається вбік утворення продуктів реакції (у нашому випадку NH3), називається прямою, а реакція, яка одночасно відбувається вбік утворення реагентів (у нас це N2 і H2), називається зворотною. Оборотність реакцій указують стрілками:
Слід ураховувати, що деякі реакції можуть бути оборотними тільки за певних умов.
Наприклад, реакція 2H2 + O2 = 2H2O майже необоротна за температури кілька сотень градусів, вона відбувається тільки в напрямку утворення води. Однак за температури близько 2000 °С починається зворотна реакція — водяний пар розкладається на водень і кисень:
Висновок:
На швидкість хімічної реакції впливають
ПЕРЕВІРТЕ СВОЇ ЗНАННЯ
241. Дайте визначення швидкості хімічних реакцій.
242. За якою формулою можна розрахувати середню швидкість хімічної реакції?
243. Які реакції прийнято називати прямими, а які — зворотними?
244. Наведіть приклади оборотних реакцій.
245. Які чинники впливають на швидкість реакції, в якій беруть участь газоподібні речовини? Дайте стислу характеристику кожного з них.
246. Поясніть, чому швидкість реакцій, у яких бере участь тверда речовина, не залежить від її концентрації.
247. Які речовини називають каталізаторами? Наведіть приклади каталітичних реакцій.
248. Виберіть із кожної пари наведених реакцій ту, яка має більшу швидкість. Припустіть, що умови перебігу реакцій однакові.
а) Горіння деревини та горіння вугілля;
б) взаємодія з водою натрію та взаємодія з водою заліза. Обґрунтуйте свою відповідь.
249. Поясніть, чому існує небезпека вибуху, коли в повітрі є велика кількість сухої порошкоподібної горючої речовини.
250. Поясніть, чому різноманітні хімічні реакції в живому організмі, які потребують для свого перебігу різних умов, відбуваються з високою швидкістю за тих самих температури й тиску.
ВИКОНАЙТЕ ЗАВДАННЯ
251. Обчисліть середню швидкість реакції, якщо кількість речовини одного з реагентів у 1 літрі становила 0,2 моль, а через 10 секунд — 0,01 моль.
252. Обчисліть середню швидкість певної реакції між газуватими речовинами, якщо за 15 секунд концентрація однієї з вихідних речовин зменшилася від 0,5 до 0,1 моль. Реакцію проводили в посудині об’ємом 10 л.
253. Дві реакції відбувалися з такою швидкістю, що за одиницю часу в першій утворився вуглекислий газ масою 6,4 г, а в другій — хлороводень масою 4,8 г. Яка з реакцій перебігала з більшою швидкістю? Обидві реакції перебігають у однакових реакційних ємностях.
Підказка. Час і об’єм однакові, тому швидкість залежить тільки від зміни кількості речовини. Переведіть масу в молі й знайдете відповідь. 254. Установіть відповідність між реагентами та продуктами оборотних реакцій:
255. Для синтезу амоніаку потрібен водень, який одержують під час термічного розкладу метану:
Яку масу метану потрібно розкласти для одержання 560 м3 водню? Для допитливих
256. Поясніть із точки зору хімії, чому продукти повільніше псуються, якщо їх зберігати в холодному місці; у вакуумних упаковках; герметично закритими; у середовищі інертного газу; висушеними (в’яленими).
ДОМАШНІЙ ЕКСПЕРИМЕНТ
Під час виконання дослідів дотримуйтеся правил безпеки!
Взаємодія яєчної шкаралупи з оцтом
Підготуйте три невеличких одноразових стакан-чики з невеликою кількістю оцту кімнатної температури.
Яєчну шкаралупу, яка містить СаСО3, розділіть на п’ять однакових частин. Дві частини подрібніть у кавомолці. У перший стакан з оцтом додайте невеликий шматочок яєчної шкаралупи, у другий стакан з оцтом — змелений у кавомолці такий самий шматочок шкаралупи, у третій стакан з оцтом додайте води і шматочок шкаралупи.
У четвертий і п’ятий стакани налийте гарячого оцту (обережно) і додайте до четвертого стакана шматочок шкаралупи, а до п’ятого — змелену в кавомолці шкаралупу.
Де виділення вуглекислого газу відбувається з найбільшою, а де — з найменшою швидкістю? Поясніть зміну швидкості в кожному випадку.
Це матеріал з підручника Хімія 9 клас Гранкіна