Вспомните: металлы, расположенные в ряду активности до водорода, взаимодействуют с кислотами с образованием соли соответствующей кислоты и водорода.
Понятие о скорости реакции
Изучая химические свойства различных соединений и наблюдая за процессами в природе, вы, наверное, обратили внимание, что различные реакции протекают в течение разного времени. Ржавчина на железных изделиях образуется за несколько месяцев, горение свечи длится несколько часов, а взрыв происходит почти мгновенно — за миллионные доли секунды. Все эти реакции протекают с различными скоростями.
Скорость химической реакции определяют подобно скорости движения тела, которую вы изучали в курсе физики.
Скорость химической реакции v — это физическая величина, равная отношению изменения количества образовавшегося или израсходованного вещества Ап к промежутку времени At.
Выдающийся физико-химик, лауреат Нобелевской премии по химии 1956 года. В 1917 году окончил Петроградский университет. В 36 лет стал академиком АН СССР. Разработал теорию теплового взрыва газовых смесей, которая стала основой учения о распространении пламени, детонации, горении взрывчатых веществ, заложил основы современной теории горения и др. Но важнейшими являются его работы по теории цепных реакций: он открыл существование разветвленных цепных реакций, определил механизм цепных процессов, сформулировал теорию, математически описывающую процессы при протекании цепных реакций. За работы в этом направлении ему присуждена Нобелевская премия.
Рис. 20.1. Изменение числа молекул реагента (А) и продукта реакции (В) во время химической реакции (фиолетовым цветом обозначены данные о реагентах, зеленым — о продуктах реакции)
Скорость химической реакции равна отношению изменения количества вещества реагентов или продуктов реакции к промежутку времени:
• чем больше Ал, тем выше скорость реакции;
• чем больше At, тем ниже скорость реакции.
Единицей измерения скорости реакции является моль/с. В процессе химических реакций концентрации реагентов уменьшаются, а продуктов реакции — увеличиваются (рис. 20.1). Поэтому в приведенных формулах изменение количества вещества An продуктов приведено с положительным знаком, а реагентов — с отрицательным. Чем больше изменение количества вещества и чем меньше время, за которое произошло это изменение, тем выше скорость реакции. Из приведенного графика видно, что вначале скорость реакции высока и со временем она постепенно снижается, поскольку уменьшается количество вещества реагентов.
Скорость химической реакции зависит от многих факторов: природы веществ, температуры, давления, наличия катализатора и др. Для управления химическими процессами важно знать, как зависит скорость реакции от этих
факторов. Это позволит создавать условия для того, чтобы полезные реакции происходили быстрее, а нежелательные — медленнее.
Изучением скорости химических реакций занимается химическая кинетика — раздел физической химии. Большой вклад в ее развитие внесли С. Аррениус, Я. Вант-Гофф, Н. Н. Семенов, Н. М. Эмануэль, Р. В. Кучер и другие.
Скорость реакции повышается при:
• использовании химически более активных веществ;
• увеличении концентрации реагента;
• измельчении реагентов;
• повышении температуры;
• использовании катализаторов.
Зависимость скорости реакции от природы реагентов
Скорость реакции существенно зависит от природы реагентов. Чем вещества более химически активны, тем быстрее они вступают в те или иные взаимодействия.
Например, щелочные металлы активно взаимодействуют с водой (часто со взрывом), тогда как магний или кальций с водой едва реагируют, а золото и серебро с ней вообще не взаимодействуют. Поэтому чем активнее вещество (в данном случае — чем активнее металл), тем выше скорость реакции.
Рассмотрим как можно количественно описать эту зависимость на примере реакции коррозии железных изделий.
Задача 1. На чугунной тележке за 100 часов образовалось 300 мг ржавчины, а на стальной с такой же площадью поверхности — 200 мг за 200 часов. В каком случае скорость коррозии выше и во сколько раз?
Решение. Чугун и сталь — металлические сплавы на основе железа, оба подвергаются коррозии во влажном воздухе. Оценим скорость коррозии. В формуле для вычисления скорости реакции приведено количество вещества. Однако количество вещества прямо пропорционально массе, поэтому изменение массы также можно использовать для оценки скорости вместо изменения количества вещества.
Скорость коррозии тележки:
Ответ: скорость коррозии чугунной тележки в три раза выше, чем стальной.
Зависимость скорости реакции от концентрации веществ
Скорость реакции существенно зависит от концентрации реагентов. Так, многие вещества в чистом кислороде горят намного быстрее, чем в воздухе: вспомните, как в 7 классе вы определяли наличие чистого кислорода тлеющей лучиной (рис. 20.2).
Чем больше концентрация кислорода, тем быстрее происходит горение.
Зависимость скорости реакции от концентрации можно объяснить тем, что условием взаимодействия двух веществ является столкновение частиц этих веществ друг с другом. Чем больше частиц содержится в некотором объеме, тем чаще они сталкиваются, а следовательно, больше частиц взаимодействуют в единицу времени.
Зависимость скорости реакции от степени измельчения веществ
Для веществ в твердом агрегатном состоянии понятие «концентрация» не используют, кроме того, реакции с твердыми веществами проходят не во всем объеме смеси, а только на поверхности веществ. Скорость большинства реакций с участием твердых веществ повышается при их измельчении: чем мельче вещество, тем больше площадь поверхности контакта (рис. 20.3), а следовательно, выше скорость реакции.
Всем известно, что алюминиевые изделия в воздухе не горят. Однако порошок алюминия при внесении в пламя загорается, разбрасывая сноп искр (рис. 20.4, с. 120). А если такой порошок вдувать в огонь, то может произойти взрыв. Недаром очень измельченный алюминий используют как твердое топливо для ракетоносителей, в том числе тех,
которые производят на предприятии «Южмаш» в г. Днепр (рис. 20.5). Чем мельче частицы алюминия, тем быстрее они реагируют с кислородом. Так же происходит и при измельчении других веществ.
Некоторые, на первый взгляд, «безопасные» вещества (сахар, мука, древесина и др.) при измельчении и распылении в воздухе могут взрываться. Так, в последнее время произошел ряд таких трагических случаев: на деревоперерабатывающем заводе «Пинскдрев» взорвалась древесная пыль (г. Пинск, Беларусь, 2010 г.), сахарная пыль на заводе г. Саванна (штат Джорджия, США, 2008 г.), мучная пыль на мукомольном заводе в г. Семей (Казахстан, 2014 г.).
Зависимость скорости реакции от температуры
Еще одним важным фактором является температура. Если смешать водород и кислород, то реакция между ними при комнатной температуре происходить не будет. При постепенном повышении температуры до 400 °С начинает медленно выделяться водяной пар. При дальнейшем нагревании скорость реакции повышается, а при 600 °С произойдет взрыв: реакция закончится мгновенно.
Наш жизненный опыт подтверждает, что скорость большинства химических реакций увеличивается при повышении температуры. Так, мясо при комнатной температуре портится гораздо быстрее, чем в холодильнике. В странах с теплым и влажным климатом фрукты созревают раньше, а машины ржавеют быстрее, чем в северных странах.
Экспериментально доказано, что
при нагреве на каждые 10 °С скорость большинства реакций повышается примерно в три раза.
Это правило называют правилом Вант-Гоффа. По нему можно оценить время протекания реакций при различных температурах, а также ускорение определенных реакций при повышении температуры.
Голландский химик, первый в мире лауреат Нобелевской премии по химии (1901 год). Мировое признание получил после публикации статьи о строении молекул, которая объясняла наличие оптических изомеров органических соединений. Профессор Амстердамского университета, член Берлинской академии наук. Имел основательную математическую подготовку, которая позволила ему решить ряд проблем при исследовании скорости реакции. Применение закона Авогадро и газовых законов для определения свойств разбавленных растворов позволило ему заложить основы теории электролитической диссоциации, сформулированной позже его учеником С. Аррениусом.
Правило Вант-Гоффа можно записать в виде формулы. Если известны скорость реакции vt при температуре Т1 и скорость реакции v2 при температуре Т2, то:
где у — температурный коэффициент, показывающий, во сколько раз увеличивается скорость реакции при нагревании на 10 °С.
Для различных реакций этот коэффициент принимает значения от 2 до 4.
Зависимость скорости реакции от наличия катализатора
Во многих случаях скорость реакции можно повысить при помощи специальных веществ — катализаторов. О таких веществах вы уже узнали в предыдущих классах.
Катализатор — это вещество, которое участвует в реакции и изменяет ее скорость, но само в реакции не расходуется.
Обычно катализатор не указывают ни в реагентах, ни в продуктах реакции, а записывают его над стрелкой, например:
Рис. 20.6. При обычных условиях гидроген пероксид почти не разлагается (слева), но при добавлении катализатора — манган(!У) оксида — реакция ускоряется так, что жидкость почти закипает от количества выделяемого кислорода (справа)
Катализаторы могут как ускорять реакцию, так и тормозить ее. Ускорение реакции называют положительным катализом, а сами катализаторы — положительными. Торможение реакций называют отрицательным катализом, или ингибированием, а соответствующие катализаторы — отрицательными, или ингибиторами.
Например, при наличии соединений Купрума, Феррума, Никола, Мангана или Хрома реакция разложения гидроген пероксида значительно ускоряется (рис. 20.6). Универсальным катализатором можно назвать платину, поскольку она проявляет каталитическую активность почти во всех реакциях.
Катализаторы имеют большое значение для современной промышленности и науки. Около 90% химических взаимодействий протекают при наличии катализаторов. Многие важные химические реакции без катализаторов были бы невозможны или происходили бы при слишком высоких температурах, как, например, реакция синтеза аммиака из азота и водорода, важность которой мы уже рассмотрели в параграфе 15.
Реакции по переработке нефти на нефтеперерабатывающих заводах происходят только при наличии катализаторов, что позволяет получать высококачественный бензин, дизельное и авиационное топливо, масла и др.
Выхлопные трубы на автомобилях обязательно оборудуют специальными устройствами — каталитическими нейтрализаторами, которые превращают угарный газ в более безопасный углекислый газ, уменьшая выбросы вредных веществ в воздух.
На сахароперерабатывающих заводах из обычного крахмала при наличии кислот (катализатором реакции является катионы Гидрогена H+) получают патоку — сладкий сироп, который затем используют в пищевой промышленности для изготовления кондитерских изделий, напитков, мороженого, некоторых сортов хлеба, спортивного питания и т. п.
Рис. 20.7. Форма молекулы фермента и молекулы, преобразование которой он катализирует, подходят друг к другу, как ключик к замочку
Химические реакции в живых организмах также происходят при участии катализаторов, которые называют ферментами. Из курса биологии вам известно, что ферменты катализируют все без исключения реакции в клетках. Отличительной чертой ферментов является их высокая специфичность: для каждой биохимической реакции существует свой фермент. Один фермент катализирует только одну конкретную реакцию.
Это происходит благодаря тому, что форма молекулы фермента соответствует форме молекулы, реакцию которой она катализирует (рис. 20.7).
Другая особенность ферментов заключается в том, что их участие в реакциях нетипично зависит от температуры. До определенной критической температуры скорость ферментативной реакции увеличивается, а затем происходит разрушение фермента, его каталитическое действие нивелируется, и реакция прекращается. Поэтому у больных с высокой температурой биохимические процессы в организме происходят иначе, чем у здоровых. А при повышении температуры тела выше 42 °С человек может умереть, поскольку жизненно важные ферменты разрушаются.
Действие катализаторов обусловлено тем, что они образуют с реагентами промежуточные соединения. Например, реакция сернистого газа с кислородом при обычных условиях происходит крайне медленно:
Но если добавить нитроген(П) оксид, то реакция будет проходить в две стадии и очень быстро даже при обычных условиях:
В первой реакции нитроген(И) оксид расходуется, а во второй — образуется снова. Это вещество является катализатором, т. е. оно участвует в реакции, ускоряя ее, но его общее количество при этом не изменяется.
Термин «катализатор» греческого происхождения — katalysis, что означает «разрушение». Этот термин ввел И. Я. Берцелиус во времена, когда известные каталитические реакции были преимущественно реакциями разложения веществ, в частности, каталитическое разложение крахмала с образованием глюкозы, а далее — спирта и углекислого газа. А термин «ингибитор» имеет прямое значение и происходит от латинского inhibere — «сдерживать, останавливать».
• Однажды два инженера-химика общались у открытой емкости с пергидролем (концентрированным раствором гидроген пероксида), который был подготовлен к разливу. А на следующий день в этом сосуде остались только примеси пероксида. Оказалось, что один из инженеров работал в цехе по изготовлению манган(^) оксида и во время разговора неосторожно стряхнул несколько кристалликов со своей одежды в емкость с пергидролем. Этого оказалось достаточно, чтобы за ночь весь пероксид разложился. Хорошо, что сосуд был открытым, иначе в закрытом сосуде при таких условиях произошел бы взрыв.
• Самая быстрая среди известных реакций — соединение атомов Гидрогена в газовой фазе с образованием молекулы водорода Н2 — происходит за 10-14 с. А самые медленные реакции в горных породах длятся миллионы лет.
ЛАБОРАТОРНЫЙ ОПЫТ № 10
Влияние концентрации и температуры на скорость реакции цинка с хлоридной кислотой
Оборудование: штатив с пробирками, стакан с горячей водой, шпатель, горелка.
Реактивы: хлоридная кислота с массовыми долями 5 % и 15 %, цинк.
Правила безопасности:
• для опытов используйте небольшие количества реактивов;
• остерегайтесь попадания реактивов на кожу, одежду, в глаза; при попадании вещества смойте его большим количеством воды.
1. Пронумеруйте две одинаковые пробирки.
2. В пробирку № 1 налейте 1 мл хлоридной кислоты с массовой долей гидроген хлорида 5 %, а в пробирку № 2 — такое же количество кислоты с массовой долей гидроген хлорида 15 %. В обе пробирки опустите по одной грануле цинка. Что наблюдаете? В каком случае реакция происходит с большей скоростью и почему?
3. Пробирку № 1 из предыдущего опыта опустите в стакан с горячей водой или нагрейте на горелке. Сравните интенсивность выделения водорода до и после погружения в горячую воду. Поясните наблюдения.
4. Сделайте обобщающий вывод.
Лингвистическая задача
На латыни fermentum означает «закваска». Такое же значение имеет греческое слово zyme. Как вы думаете, почему биологические катализаторы называют ферментами, или энзимами?
Ключевая идея
Скорость химической реакции характеризует количество вещества, которое прореагировало или образовалось в результате реакции за единицу времени (секунду, минуту, сутки или год).
Контрольные вопросы
223. Дайте определение скорости реакции, катализатора, ингибитора.
224. От каких факторов зависит скорость реакции? Объясните, как влияют эти факторы на скорость реакции. Приведите примеры.
225. Прокомментируйте изменение концентраций реагентов и продуктов реакции на рисунке 20.1.
226. Почему продукты питания обычно хранят в холодильнике?
227. Почему в формуле скорости химической реакции изменение количества вещества продуктов реакции является положительной величиной, а изменение количества вещества реагентов — отрицательной?
228. Почему различные химические реакции, требующие различных условий для их протекания, в живых организмах происходят быстро при одинаковой температуре и давлении? Ответ подтвердите примерами.
229. Объясните, почему существует опасность взрыва при наличии большого количества сухого горючего порошкообразного вещества. Приведите примеры таких ситуаций.
Задания для усвоения материала
230. Изменится ли скорость реакции между водородом и кислородом, если к этой смеси добавить азот?
231. Используя знания о факторах влияния на скорость химической реакции, обоснуйте утверждения: а) в костре щепки сгорают намного быстрее, чем целое полено такой же массы; б) при пожаре нельзя открывать окна; в) при пищевом отравлении часто назначают активированный уголь, действие которого эффективнее, если таблетки измельчить; г) чтобы повысить температуру пламени, в костер нагнетают воздух; д) ветчина при температуре 180° готовится гораздо быстрее, чем при 120 °С; е) для стерилизации консервов или медицинского оборудования их определенное время выдерживают при высокой температуре; ж) пищевые продукты дольше хранятся в вакуумных пакетах; з) летом повышается опасность пищевых отравлений; и) срок службы медных водопроводных труб значительно больше железных (стальных).
232. По данным рисунка 20.1 докажите, что скорость реакции максимальна в момент смешивания веществ (в начале реакции) и со временем уменьшается. Как это можно объяснить?
233. В две колбы налили хлоридную кислоту. В первую добавили железо количеством вещества 0,01 моль, а во вторую — такое же количество цинка. В какой колбе реакция закончится раньше?
234. Для каждой пары приведенных процессов определите, какой из них характеризуется большей скоростью: а) ржавление железа или потемнение меди; б) горение воска или горение бумаги; в) выпаривание бензина или выпаривание воды. В каждом случае поясните свой выбор.
235. На этикетке с мороженым вы прочитали информацию о его сроке годности и условиях хранения, но некоторые места на этикетке были затерты: «### при температуре минус (24 ± 2) °С, @@@ при температуре минус (18 ± 2) °С». Вы обратились за помощью к продавцу, на что получили ответ: «В одном месте там должно быть написано "12 месяцев", а в другом — "10 месяцев"». Какая надпись должна стоять вместо символов ###, а какая — вместо @@@? Как вы считаете, как долго можно хранить мороженое при температуре +20 °С?
236. Было проведено два опыта по получению кислорода нагреванием калий перманганата. В первом опыте получили 75 мл кислорода за 3 мин, а во втором — 100 мл за 5 мин. В каком случае скорость реакции выше?
237. За месяц до начала занятий лаборант приготовил водный раствор гидроген пероксида, в 1 л которого находилось 0,3 моль H2O2. Первого сентября учительница химии обнаружила, что количество гидроген пероксида в колбе уменьшилось вдвое. Вычислите скорость разложения гидроген пероксида (моль/сутки), считая, что в месяце 30 дней. Какой объем кислорода (н. у.) выделился из 5 л раствора за это время?
238. В первой колбе происходила реакция между кальций карбонатом и хлоридной кислотой, в результате которой за определенное время выделился газ массой 6,6 г. Во второй колбе взаимодействовали водород и йод и за такой же промежуток времени образовался продукт реакции массой 16,64 г. В каком случае реакция происходила быстрее?
239. Смешали карбон(11) оксид количеством вещества 0,15 моль с кислородом. Через 10 секунд после начала реакции количество вещества угарного газа уменьшилось до 0,1 моль. Вычислите скорость этой реакции.
240. Как вы считаете, по какому принципу выбирают вещества (реагент или продукт реакции) для экспериментального определения скорости химической реакции? Опишите методику эксперимента и (при необходимости) прибор для определения скорости химической реакции: а) цинка с хлоридной кислотой; б) горения серы в воздухе.
241. Приведите примеры химических процессов, которые желательно: а) ускорять; б) замедлять; в) поддерживать скорость на определенном уровне. Каким образом в каждом случае можно контролировать или менять скорость реакции?
242*. Предложите план эксперимента для определения скорости химической реакции. Какие измерения вы должны сделать для достижения цели? Какие факторы будут влиять на точность эксперимента?
243*. Вспомните из курса физики, что означает понятие «скорость движения». Что сходного и чем отличаются понятия «скорость движения тела» и «скорость химической реакции»?
ПРАКТИЧЕСКАЯ РАБОТА № 3
Влияние различных факторов на скорость химических реакций
Оборудование: штатив с пробирками, горелка, шпатель. Реактивы: HCl (5 %), цинк гранулированный и порошкообразный, образцы железа и меди, раствор гидроген пероксида (5 %), MnO2, лучина для выявления наличия кислорода.
Правила безопасности:
• для опытов используйте небольшие количества реактивов;
• при нагревании не прикасайтесь руками к горячим предметам;
• остерегайтесь попадания реактивов на кожу, одежду, в глаза; при попадании вещества смойте его большим количеством воды.
1. Пронумеруйте шесть одинаковых пробирок. В пробирки № 1 и № 2 налейте по 1 мл хлоридной кислоты. В пробирку № 1 поместите гранулу цинка, а в № 2 — щепотку порошка цинка. Сравните интенсивность выделения водорода в пробирках № 1 и № 2. Поясните наблюдения.
2. В пробирки № 3 и № 4 налейте по 1 мл хлоридной кислоты. В пробирку № 3 добавьте образец железа, а в пробирку № 4 — меди. Сравните интенсивность выделения водорода в пробирках № 1, № 3 и № 4. Поясните наблюдения.
3. В пробирку № 5 налейте 1 мл раствора гидроген пероксида. Наблюдаете ли выделение газа? Нагрейте пробирку почти до кипения. Выделяется ли газ после нагрева? Определите наличие кислорода в пробирке при помощи тлеющей лучины. Сделайте вывод о влиянии нагрева на скорость реакции.
4. В пробирку № 6 налейте 1 мл раствора гидроген пероксида. Добавьте щепотку манган(ГУ) оксида. Сравните скорость выделения кислорода в пробирках № 6 и № 5 (после нагрева). Поясните наблюдения.
Вывод. Сделайте обобщающий вывод к практической работе. Для этого используйте ответы на вопросы:
1. Какие факторы и как влияют на скорость химической реакции?
2. Поясните механизм влияния нагрева и степени измельчения вещества на скорость химической реакции.
3. Отличается ли механизм изменения скорости реакции при измельчении реагентов и изменении концентрации? Ответ поясните.
Это материал учебника Химия 9 класс Григорович