Пригадайте: метали, розташовані в ряду активності до водню, взаємодіють
з кислотами з утворенням солі відповідної кислоти і водню.
Поняття про швидкість реакції
Вивчаючи хімічні властивості різних сполук і спостерігаючи за процесами в природі, ви, напевно, звернули увагу на те, що різні реакції відбуваються протягом різного часу. Іржа на залізних виробах утворюється за кілька місяців, горіння свічки триває кілька годин, а вибух відбувається майже миттєво — за мільйонні частки секунди. Усі ці реакції перебігають із різними швидкостями.
Швидкість реакції визначають подібно швидкості руху тіла, що ви вивчали в курсі фізики.
Швидкість хімічної реакції v — це фізична величина, що дорівнює відношенню зміни кількості утвореної або витраченої речовини An до проміжку часу At:
Видатний фізико-хімік, лауреат Нобелівської премії з хімії 1956 року. 1917 року закінчив Петроградський університет. У 36 років став академіком AH СРСР. Розробив теорію теплового вибуху газових сумішей, що стала основою вчення про поширення полум'я, детонації, горіння вибухових речовин, заклав основи сучасної теорії горіння тощо. Але найважливішими є його роботи з теорії ланцюгових реакцій: він відкрив існування розгалужених ланцюгових реакцій, визначив механізм ланцюгових процесів, сформулював теорію, що математично описує процеси під час ланцюгових реакцій. За роботи в цьому напрямі йому присуджено Нобелівську премію.
Швидкість хімічної реакції дорівнює відношенню зміни кількості речовини реагентів або продуктів реакції до проміжку часу:
• чим більша An, тим швидкість реакції вища;
• чим більша At, тим швидкість реакції нижча.
Одиницею вимірювання швидкості реакції є моль/с.
Під час хімічних реакцій концентрації реагентів зменшуються, а продуктів реакції — збільшується (мал. 20.1). Тому в наведених формулах зміна кількості речовини Дп продуктів наведена з додатним знаком, а реагентів — з від’ємним. Чим більша зміна кількості речовини і чим менше час, за який відбулася ця зміна, тим вища швидкість реакції. Із наведеного графіка видно, що спочатку швидкість реакції найвища і з часом вона поступово знижується, оскільки зменшується кількість речовини реагентів.
Швидкість хімічної реакції залежить від багатьох чинників: природи речовин, температури, тиску, наявності каталізатора тощо. Для управління хімічними процесами важливо знати як залежить швидкість реакції від цих чинників. Це дасть можливість створювати умови для того, щоб
корисні реакції перебігли швидше, а небажані — повільніше.
Вивченням швидкості хімічних реакцій займається розділ фізичної хімії — хімічна кінетика. Вагомий внесок у її розвиток зробили С. Арреніус, Я. Вант-Гофф, М. М. Семенов, М. М. Ема-нуель, Р. В. Кучер тощо.
Швидкість реакції підвищується в разі:
• використання хімічно більш активних речовин;
• збільшення концентрації реагентів;
• подрібнення реагентів;
• підвищення температури;
• використання каталізаторів.
Залежність швидкості реакції від природи реагентів
Швидкість реакції суттєво залежить від природи реагентів. Чим хімічно активніші речовини, тим швидше вони вступають у ті чи інші взаємодії.
Наприклад, лужні метали активно взаємодіють з водою (часто з вибухом), тоді як магній або кальцій з водою ледь реагують, а золото й срібло з нею взагалі не взаємодіють. Тож чим активніші речовини (у цьому випадку — чим активніший метал), тим вища швидкість реакції.
Розгляньмо, як можна кількісно описати цю залежність на прикладі реакції корозії залізних виробів.
Задача 1. На чавунному візку за 100 годин утворилося 300 мг іржі, а на сталевому з такою самою площею поверхні — 200 мг за 200 годин. В якому випадку швидкість корозії вища й у скільки разів?
Розв’язання. Чавун і сталь — металеві сплави на основі заліза, обидва піддаються корозії у вологому повітрі. Оцінимо швидкість корозії. У формулі для обчислення швидкості реакції наведено кількість речовини. Однак кількість речовини прямо пропорційна масі, тому зміну маси також можна використовувати для оцінювання швидкості замість зміни кількості речовини.
Швидкість корозії чавунного візка:
Відповідь: швидкість корозії чавунного візка вища, ніж сталевого, у три рази.
Залежність швидкості реакції від концентрації речовин
Швидкість реакції істотно залежить від концентрації реагентів. Так, багато речовин у чистому кисні горять набагато швидше, ніж у повітрі: пригадайте як ви в 7 класі визначали наявність чистого кисню тліючою скіпкою (мал. 20.2). Чим більша концентрація кисню, тим швидше відбувається горіння.
Залежність швидкості реакції від концентрації можна пояснити тим, що умовою взаємодії двох речовин є зіткнення частинок цих речовин одна з одною. Чим більше частинок міститься в певному об’ємі, тим частіше вони зіштовхуються, а отже, більше частинок взаємодіють за одиницю часу.
Залежність швидкості реакції від ступеня подрібнення речовин
Для речовин у твердому агрегатному стані поняття «концентрація» не використовують, крім того реакції з твердими речовинами відбуваються не в усьому об’ємі суміші, а тільки на поверхні речовин. Швидкість більшості реакцій за участі твердих речовин підвищується в разі їх подрібнення: чим дрібніша речовина, тим більша площа поверхні контакту (мал. 20.3), а отже, й вища швидкість реакції.
Усім відомо, що алюмінієві вироби в повітрі не горять. Однак порошок алюмінію у разі внесення в полум’я загоряється, розкидаючи сніп іскор (мал. 20.4, с. 118). А якщо такий порошок вдмухувати у вогонь, може статися вибух. Недарма дуже подрібнений алюміній використовують як тверде пальне для ракетоносіїв, зокрема тих,
що виробляють на підприємстві «Південмаш» у м. Дніпро (мал. 20.5). Чим дрібніші частинки алюмінію, тим швидше вони реагують з киснем. Так само відбувається і в разі подрібнення інших речовин.
Деякі, на перший погляд, «безпечні» речовини (цукор, борошно, деревина тощо) у разі подрібнення й розпилення в повітрі можуть вибухати. Так, останнім часом трапилася низка таких трагічних випадків: на деревопереробному заводі «Пінскдрев» вибухнув деревний пил (м. Пінськ, Бєларусь, 2010 р.), борошняний пил на борошномельному заводі у м. Семей (Казахстан, 2014 р.), цукровий пил на заводі в м. Саванна (штат Джорджія, СТТТА, 2008 р.).
Залежність швидкості реакції від температури
Ще одним важливим чинником є температура. Так, якщо змішати водень і кисень, то реакція між ними за кімнатної температури не відбуватиметься. У разі поступового підвищення температури до 400 °С починає повільно виділятися водяна пара. Під час подальшого нагрівання швидкість реакції підвищується, а за 600 °С станеться вибух: реакція закінчиться миттєво.
Наш життєвий досвід підтверджує, що швидкість більшості хімічних реакцій збільшується з підвищенням температури. Так, м’ясо за кімнатної температури псується набагато швидше, ніж у холодильнику. У країнах з теплим і вологим кліматом фрукти дозрівають раніше, а машини іржавіють швидше, ніж у північних країнах.
Експериментально доведено, що
за нагрівання на кожні 10 °С швидкість більшості реакцій підвищується приблизно в три рази.
Голландський хімік, перший у світі лауреат Нобелівської премії з хімії (1901 рік). Світове визнання отримав тільки після публікації статті про будову молекул, що пояснювала наявність оптичних ізомерів органічних сполук. Він стає професором Амстердамського університету, його обирають до Берлінської академії наук. Вант-Гофф мав ґрунтовну математичну підготовку, що дозволила йому розв'язати низку проблем під час дослідження швидкості реакції та хімічної рівноваги. Застосування закону Авогадро та газових законів для визначення властивостей розведених розчинів дозволило йому описати явище осмосу й закласти основи теорії електролітичної дисоціації, сформульованої пізніше його учнем С. Арреніусом.
Це правило називають правилом Вант-Гоффа. За цим правилом можна оцінювати час перебігу реакцій за різних температур, а також прискорення певної реакції з підвищенням температури.
Правило Вант-Гоффа можна записати у вигляді формули. Якщо відомі швидкість реакції v, за температури T1 і швидкість реакції v2 за температури T2, то:
де у — температурний коефіцієнт, що показує, у скільки разів збільшується швидкість реакції в разі нагрівання на 10 °С.
Для різних реакцій цей коефіцієнт приймає значення від 2 до 4.
Залежність швидкості реакції від наявності каталізатора
У багатьох випадках швидкість реакції можна підвищити за допомогою спеціальних речовин — каталізаторів. Про такі речовини ви вже дізналися в попередніх класах.
Каталізатор — речовина, що бере участь у реакції та змінює її швидкість, але сама в реакції не витрачається.
Зазвичай каталізатор не вказують ані в реагентах, ані в продуктах реакції, а записують його над стрілкою, наприклад:
Мал. 20.6. За звичайних умов гідроген пероксид майже не розкладається (ліворуч), але в разі додавання каталізатора — манган(ІУ) оксиду — реакція прискорюється так, що рідина майже закипає від кількості кисню, що виділяється (праворуч)
Каталізатори можуть як прискорювати реакцію, так і гальмувати її. Прискорення реакції називають позитивним каталізом, а самі каталізатори — позитивними. Гальмування реакцій називають негативним каталізом, або інгібуванням, а каталізатори — негативними, або інгібіторами.
Наприклад, за наявності сполук Купруму, Феруму, Нікелю, Мангану або Хрому реакція розкладу гідроген пероксиду значно прискорюється (мал. 20.6). Універсальним каталізатором можна назвати платину, оскільки вона виявляє каталітичну активність майже в усіх реакціях.
Каталізатори мають велике значення для сучасної промисловості й науки. Близько 90 % хімічних перетворень відбуваються за наявності каталізаторів. Багато важливих хімічних реакцій без каталізаторів були б неможливими або відбувалися б за надто високих температур, наприклад, реакція синтезу амоніаку з азоту та водню, важливість якої ми вже розглянули в параграфі 15.
Реакції з переробки нафти на нафтопереробних заводах відбуваються тільки за наявності каталізаторів, що дозволяє отримувати високоякісний бензин, дизельне та авіаційне пальне, мастила тощо.
Вихлопні труби на автомобілях обов’язково обладнують спеціальними пристроями — каталітичними нейтралізаторами, завдяки яким чадний газ у вихлопних газах перетворюється на безпечніший вуглекислий газ, зменшуючи викиди шкідливих речовин у повітря.
На цукропереробному заводі зі звичайного крохмалю за наявності кислот (каталізатором реакції є катіони гідрогену H+) добувають патоку — солодкий сироп, що потім використовують у харчовій промисловості для виготовлення кондитерських виробів, напоїв, морозива, деяких сортів хліба, спортивного харчування тощо.
Хімічні реакції в живих організмах також відбуваються за участі каталізаторів, які називають ферментами. Із курсу біології вам відомо, що ферменти каталізують усі без винятку реакції в клітинах. Відмінною рисою ферментів є їхня висока специфічність: для кожної біохімічної реакції існує свій фермент. А один фермент каталізує тільки одну конкретну реакцію. Це відбувається завдяки тому, що форма молекули ферменту має відповідати формі молекули, реакцію якої вона каталізує (мал. 20.7).
Інша особливість ферментів полягає в тому, що їхня участь у реакціях нетипово залежить від температури. До певної критичної температури швидкість ферментативної реакції збільшується, а потім відбувається руйнування ферменту, його каталітична дія зникає і реакція припиняється. Тому у хворих людей з високою температурою біохімічні процеси в організмі відбуваються по-іншому, ніж у здорових. А в разі підвищення температури тіла понад 42 °С людина може померти, оскільки життєво важливі ферменти руйнуються.
Дія каталізаторів зумовлена тим, що вони утворюють з реагентами проміжні сполуки. Наприклад, реакція сірчистого газу з киснем за звичайних умов відбувається вкрай повільно:
Але якщо додати нітроген(ІІ) оксид, то реакція відбуватиметься у дві стадії і дуже швидко навіть за звичайних умов:
У першій реакції нітроген(ІІ) оксид витрачається, а в другій — утворюється знову. Ця речовина є каталізатором, тобто вона бере участь у реакції, прискорюючи її, але її загальна кількість при цьому не змінюється.
Термін «каталізатор» грецького походження, і буквально слово katalysis означає «руйнування». Цей термін у хімічну науку ввів Й. Я. Берцеліус, а в ті часи відомі каталітичні реакції були переважно реакціями розкладу речовин, зокрема каталітичне розкладання крохмалю з утворенням глюкози, а далі — спирту й вуглекислого газу. А термін «інгібітор» має пряме значення і походить від латинського inhibere — «стримувати, зупиняти».
• Одного разу два інженери-хіміки спілкувалися біля відкритої посудини з пергідролем (концентрованим розчином гідроген пероксиду), що був підготовлений до розливу, а наступного дня в цій посудині лишилися тільки домішки пероксиду. Виявилося, що один з інженерів працював у цеху з виготовлення манган(ІУ) оксиду й під час розмови необережно струсив кілька кристаликів зі свого одягу в посудину з пергідролем. Цього виявилося достатньо, щоб за ніч увесь пероксид розклався. Добре, що посудина була відкритою, оскільки в закритій посудині за таких умов стався би вибух.
• Найшвидша серед відомих реакцій — сполучення атомів Гідрогену в газовій фазі з утворенням молекули водню Н2 — відбувається за 10-14 с. А найпо-вільніші реакції в гірських породах тривають мільйони років.
ЛАБОРАТОРНИЙ ДОСЛІД № 10
Вплив концентрації і температури на швидкість реакції цинку з хлоридною кислотою
Обладнання: штатив із пробірками, склянка з гарячою водою, шпатель, пальник.
Реактиви: хлоридна кислота з масовими частками 5 % та 15 %, цинк.
Правила безпеки:
• для дослідів використовуйте невеликі кількості реактивів;
• остерігайтеся потрапляння реактивів на шкіру, одяг, в очі; у разі потрапляння речовини змийте її великою кількістю води.
1. Пронумеруйте дві однакові пробірки.
2. У пробірку № 1 налийте хлоридну кислоту з масовою часткою 5 % об’ємом 1 мл, а в пробірку № 2 — таку саму кількість кислоти з масовою часткою 15 %. В обидві пробірки опустіть по одній гранулі цинку. Що спостерігаєте? В якому випадку реакція відбувається з більшою швидкістю й чому?
3. Пробірку № 1 з попереднього досліду опустіть у склянку з гарячою водою або нагрійте на пальнику. Порівняйте інтенсивність виділення водню до й після занурення в гарячу воду. Поясніть спостереження.
4. Зробіть узагальнюючий висновок.
Лінгвістична задача
Латиною fermentum означає «закваска». Таке саме значення має грецьке слово zyme. Чому, на вашу думку, біологічні каталізатори називають ферментами або ензимами?
Ключова ідея
Швидкість хімічної реакції характеризує кількість речовини, що прореагувала або утворилася в результаті реакції, за одиницю часу (секунду, хвилину, добу або рік).
Контрольні запитання
223. Сформулюйте визначення швидкості реакції, каталізатора, інгібітора.
224. Від яких чинників залежить швидкість реакції? Поясніть, як саме впливають ці чинники на швидкість реакції. Наведіть приклади.
225. Прокоментуйте зміну концентрацій реагентів та продуктів реакції, а також зміст графіків за малюнком 20.1.
226. Чому продукти харчування зазвичай зберігають у холодильнику?
227. Чому у формулі швидкості хімічної реакції зміна кількості речовини продуктів реакції є додатною величиною, а зміна кількості речовини реагентів — від'ємною?
228. Поясніть, чому різноманітні хімічні реакції, що вимагають різних умов для їх перебігу, у живих організмах відбуваються з високою швидкістю за однакової температури й тиску. Відповідь підтвердьте прикладами.
229. Поясніть, чому існує небезпека вибуху за наявності великої кількості сухої горючої порошкоподібної речовини. Наведіть приклади таких ситуацій.
Завдання для засвоєння матеріалу
230. Чи зміниться швидкість реакції між воднем та киснем, якщо до цієї суміші додати азот?
231. Спираючись на знання про чинники впливу на швидкість хімічної реакції, обґрунтуйте твердження: а) у багатті друзки згоряють набагато швидше, ніж ціле поліно такої самої маси; б) під час пожежі не можна відкривати вікна; в) у разі харчового отруєння часто призначають активоване вугілля, дія якого ефективніша, якщо пігулки максимально подрібнити; г) щоб підвищити температуру полум'я, в багаття нагнітають повітря або чистий кисень; д) шинка за температури 180 °С приготується набагато швидше, ніж за 120 °С; е) для стерилізації консервів або медичного обладнання їх певний час витримують за високої температури; є) харчові продукти довше зберігаються у вакуумних пакетах; ж) улітку підвищується небезпека харчових отруєнь; з) термін служби мідних водопровідних труб значно більший за залізні (сталеві).
232. За даними до малюнка 20.1 доведіть, що швидкість реакції максимальна в момент змішування речовин (на початку реакції) і з часом зменшується. Як це можна пояснити?
233. У дві колби налили хлоридну кислоту. У першу додали залізо кількістю речовини 0,01 моль, а в другу — цинк такої самої кількості. В якій колбі реакція закінчиться раніше?
234. У кожній парі наведених процесів оберіть той, що має більшу швидкість: а) іржавіння заліза чи тьмяніння міді; б) горіння воску чи горіння паперу; в) випарювання бензину чи випарювання води. У кожному випадку поясніть свій вибір.
235. На етикетці з морозивом ви прочитали інформацію про його строк придатності та умови зберігання, але деякі місця на етикетці були затерті: «### за температури мінус (24 ± 2) °С, @@@ за температури мінус (18 ± 2) °С». Ви звернулися по допомогу до продавця, на що отримали відповідь: «в одному місці там має бути написано "12 місяців", а в іншому — "10 місяців"». Який надпис має стояти замість символів ###, а який — замість @@@? Як ви вважаєте, як довго можна зберігати морозиво за температури +20 °С?
236. Було проведено два досліди з добування кисню нагріванням калій перманганату. У першому досліді отримали 75 мл кисню за 3 хв, а в другому — 100 мл за 5 хв. У якому випадку швидкість реакції вища?
237. За місяць до початку занять лаборант приготував водний розчин гідроген пероксиду, в 1 л якого містилося 0,3 моль H2O2. Першого вересня вчителька хімії визначила, що кількість гідроген пероксиду в колбі зменшилася вдвічі. Обчисліть швидкість розкладання гідроген пероксиду (моль/добу), уважаючи, що в місяці 30 днів. Який об'єм кисню (н. у.) виділився з 5 л розчину за цей час?
238. У першій колбі відбувалася реакція між кальцій карбонатом та хло-ридною кислотою, у результаті якої за певний час виділився газ масою 6,6 г. У другій колбі взаємодіяли водень та йод і за такий самий проміжок часу утворився продукт реакції масою 16,64 г. У якому випадку реакція відбувалася швидше?
239. Змішали карбон(ІІ) оксид кількістю 0,15 моль з киснем. Через 10 секунд після початку реакції кількість чадного газу зменшилася до 0,1 моль. Обчисліть швидкість цієї реакції.
240. Як ви вважаєте, за яким принципом обирають речовини (реагент або продукт реакції) для експериментального визначення швидкості хімічної реакції. Опишіть методику експерименту та (за необхідності) прилад для визначення швидкості хімічної реакції: а) цинку з хлоридною кислотою; б) горіння сірки в повітрі.
241. Наведіть приклади хімічних процесів, що: а) бажано прискорювати; б) бажано уповільнювати; в) підтримувати швидкість на певному рівні. У який спосіб у кожному випадку можна контролювати або змінювати швидкість реакції?
242*. Запропонуйте план експерименту для визначення швидкості хімічної реакції. Які вимірювання ви маєте зробити для досягнення мети? Які чинники впливатимуть на точність експерименту?
243*. Згадайте з курсу фізики, що означає поняття «швидкість руху». Знайдіть спільні й відмінні ознаки у поняттях «швидкість руху тіла» та «швидкість хімічної реакції».
ПРАКТИЧНА РОБОТА № 3
Вплив різних чинників на швидкість хімічних реакцій
Обладнання: штатив із пробірками, пальник, шпатель.
Реактиви: HCl (5 %), цинк гранульований та порошкоподібний, зразки заліза та міді, розчин гідроген пероксиду (5 %), MnO2, скіпка для доведення наявності кисню.
Правила безпеки:
• для дослідів використовуйте невеликі кількості реактивів;
• під час нагрівання не торкайтеся руками гарячих предметів;
• остерігайтеся потрапляння реактивів на шкіру, одяг, в очі; у разі потрапляння речовини змийте її великою кількістю води.
1. Пронумеруйте шість однакових пробірок. У пробірки № 1 та № 2 налийте по 1 мл хлоридної кислоти. У пробірку № 1 помістіть гранулу цинку, а у № 2 — дрібку порошку цинку. Порівняйте інтенсивність виділення водню в пробірках № 1 і № 2. Поясніть спостереження.
2. У пробірки № 3 та № 4 налийте по 1 мл хлоридної кислоти. У пробірку № 3 додайте зразок заліза, а у пробірку № 4 — міді. Порівняйте інтенсивність виділення водню у пробірках № 1, № 3 та № 4. Поясніть спостереження.
3. У пробірку № 5 налийте 1 мл розчину гідроген пероксиду. Чи спостерігаєте виділення газу? Нагрійте пробірку майже до кипіння. Чи спостерігаєте виділення газу після нагрівання? Визначте наявність кисню в пробірці за допомогою тліючої скіпки. Зробіть висновок щодо впливу нагрівання на швидкість реакції.
4. У пробірку № 6 налийте 1 мл розчину гідроген пероксиду. Додайте дрібку манган(ГУ') оксиду. Порівняйте швидкість виділення кисню в пробірках № 6 та № 5 (після нагрівання). Поясніть спостереження.
Висновок. Зробіть узагальнюючий висновок до практичної роботи. Для цього використайте відповіді на запитання:
1. Які чинники і як саме впливають на швидкість хімічної реакції?
2. Поясніть механізм впливу нагрівання та ступеня подрібнення речовини на швидкість хімічної реакції.
3. Чи відрізняється механізм зміни швидкості реакції в разі подрібнення реагентів та зміни концентрації? Відповідь поясніть.