Хімія. 9 клас. Березан

Цей підручник можна завантажити у PDF форматі на сайті тут.

§ 21. Швидкість хімічних реакцій. Залежність швидкості реакцій від різних чинників

Ознайомившись із матеріалом параграфа, ви:

з'ясуєте, що означає термін «швидкість реакції»;
дізнаєтесь про вплив різних чинників на швидкість хімічних реакцій.

Вивчаючи хімічні процеси, можна помітити, що одні реакції відбуваються дуже швидко, інші — повільно. Наприклад, реакція водню з киснем відбувається дуже швидко, з вибухом. Залізо, яке залишили на відкритому повітрі, окиснюється протягом багатьох років. Хімічні перетворення в гірських породах тривають тисячі й мільйони років.

З'ясуймо, що означає термін «швидкість хімічної реакції». Припустімо, що закриту прозору посудину наповнили воднем і парами брому певної температури. Пригадаймо, що бром — це червоно-коричнева летка рідина. У посудині відбувається реакція:

Н₂ + Вr₂ = 2НВг

Якщо через певні проміжки часу визначати інтенсивність забарвлення суміші, можна помітити, що її буре забарвлення помітно слабшає. Оскільки реагент водень Н₂ і продукт реакції гідроген бромід НВr — це безбарвні речовини, то інтенсивність забарвлення пропорційна кількості речовини брому Вr₂.

Швидкість реакції, яка відбувається в однорідній суміші речовин, визначають за зміною кількості речовини реагенту або продукту реакції в одиниці об'єму суміші за одиницю часу:

де v — швидкість реакції,

Δn — зміна кількості речовини,

V — об'єм суміші,

τ — проміжок часу.

Одиниця вимірювання швидкості реакції — моль/л · с. Швидкість реакції залежить від певних чинників. На швидкість реакцій впливають хімічна природа реагентів, їх концентрація (або дисперсність), температура, наявність каталізатора.

Вплив хімічної природи реагентів на швидкість реакції

Природа реагентів має вирішальний вплив на швидкість реакції.

Так, фтор F₂ реагує з воднем Н₂ дуже бурхливо навіть за кімнатної температури. Реакція водню з йодом I₂ відбувається повільно навіть під час нагрівання.

Перевірмо, як залежить швидкість реакції металу з кислотою від природи металу. Для цього знадобиться три зразки металів (гранула цинку, шматочки магнію та заліза, приблизно однакові за розмірами), хлоридна кислота. У три пробірки наливаємо по 5 мл хлоридної кислоти. У першу пробірку помістіть шматочок магнію Mg, у другу — цинку Zn, а в третю — заліза Fe. В усіх трьох пробірках з'явились бульбашки безбарвного газу — водню:

Mg + 2НСl = MgCl₂ + Η₂↑

Zn + 2HCl = ZnCl₂ + Н₂↑

Fe + 2HCl = FeCl₂ + H₂↑

Рис. 21.1. Взаємодія магнію (а), цинку (б) й заліза (в) із хлоридною кислотою

Зверніть увагу на інтенсивність виділення водню. У пробірці, де з кислотою реагує магній, швидкість реакції найбільша. Цинк взаємодіє з кислотою повільніше, а залізо — ще повільніше. Зверніть увагу на їх розміщення в ряду активності металів. Отже, v₁ > v₂ > v₃.

Вплив концентрації реагентів на швидкість реакції

Швидкість хімічних реакцій змінюється протягом усього часу їх перебігу. На початку реакції швидкість найбільша, а потім вона поступово зменшується. Це відбувається тому, що на початку реакції, коли концентрація реагентів найбільша, ймовірність зіткнення частинок речовин, що взаємодіють, найвища. У процесі реакції відбувається зменшення концентрації реагентів, а отже, знижується ймовірність зіткнення їх частинок.

Збільшуючи концентрацію реагенту, фактично збільшують кількість його частинок (молекул, атомів та йонів) у реакційній суміші. Від концентрації реагентів швидкість хімічної реакції залежить лише за умов, коли реагенти — гази або рідини (розчини).

Лабораторний дослід 10 (перша частина).

Вплив концентрації на швидкість реакції цинку з хлоридною кислотою.

У дві пробірки помістіть по гранулі цинку. Зверніть увагу на те, щоб гранули були приблизно однаковими за розмірами. Налийте у пробірки по 2 мл хлоридної кислоти: у першу — з масовою часткою НСl 10 %, у другу — 15 %. Що спостерігаєте? У якій пробірці реакція відбувається швидше: у першій чи другій?

За умови збільшення концентрації реагентів швидкість реакцій зростає.

Ця залежність не поширюється на реакції, коли реагент — тверда речовина. У цьому разі реакція відбувається лише на поверхні реагенту, від розміру якої залежить її швидкість.

Вплив площі поверхні контакту реагентів на швидкість реакції

Реакція відбувається швидше, якщо площа поверхні твердої речовини-реагенту є більшою. Подрібнюючи твердий реагент (збільшуючи дисперсність фази), ми збільшуємо площу контакту речовин і відповідно швидкість реакції.

Наприклад, цукор-пісок або рафінад горить лише в полум'ї, а цукрова пудра вибухає від іскри.

Щоб збільшити площу контакту речовин-реагентів, тверді речовини подрібнюють, а рідкі перетворюють на газ.

Зі збільшенням площі поверхні контакту реагентів швидкість реакції зростає.

Демонстраційний дослід.

Залежність швидкості реакції від площі поверхні контакту реагентів.

У пробірку насипаємо невелику кількість порошкоподібного цинку і доливаємо 2 мл хлоридної кислоти з масовою часткою НСl 5 %. Що спостерігаєте? Порівняйте швидкості реакцій кислоти з порошком цинку і гранулою цинку (яку ви спостерігали в попередньому досліді).

Вплив температури на швидкість реакції

Навіть невелике підвищення температури викликає значне збільшення швидкості реакції. Це пояснюється тим, що під час нагрівання рідини або газу збільшується швидкість руху частинок і відповідно збільшується кількість зіткнень між ними. Це зумовлює збільшення швидкості реакції.

Під час нагрівання твердої речовини зростає інтенсивність коливань частинок у ній, що також певним чином збільшує швидкість реакції. Взаємодіяти можуть лише ті частинки, які отримають енергію, достатню для розриву хімічних зв'язків усередині речовини. Такі частинки називають активними. Коли температура підвищується, зростає й кількість таких активних частинок, відповідно збільшується і швидкість реакції.

Лабораторний дослід 10 (частина друга).

Вплив температури на швидкість взаємодії цинку з хлоридною кислотою.

У пробірку з гранулою цинку долийте 2 мл хлоридної кислоти. Нагрійте пробірку. Як вплинуло нагрівання на швидкість реакції кислоти із цинком?

З підвищенням температури швидкість реакції зростає.

Вплив каталізаторів на швидкість реакції

Ще в 7 класі ви дізнались про речовини, які називають каталізаторами.

Якщо в розчин гідроген пероксиду Н₂О₂ додати невелику кількість подрібненого манган(IV) оксиду, то швидкість реакції розкладання Н₂О₂ значно зросте:

2Н₂О₂ = 2Н₂О + О₂↑

Відразу з'являються бульбашки газу. Пригадаймо, що це реакція з дуже маленькою швидкістю постійно відбувається в розчині гідроген пероксиду.

Швидкість розкладання гідроген пероксиду збільшують й інші речовини, навіть невеликі домішки йонів, утворених металічними елементами.

Рис. 21.2. Каталітичне розкладання гідроген пероксиду (виділення кисню перевіряють жевріючою скіпкою)

Каталізатором називають речовину, яка збільшує швидкість реакції, але сама залишається незмінною.

Для уповільнення дуже швидких реакцій використовують речовини, які називають інгібіторами.

Значення каталізаторів для сучасної хімічної промисловості дуже важливе. Багато технологічних процесів з використанням каталізаторів здійснюють за низьких температур.

Біохімічні процеси в живих організмах відбуваються за участі біологічних каталізаторів — білків. Їх називають ферментами.

Підсумки

1. Кожна реакція відбувається з певною швидкістю.
2. Швидкість реакції, яка відбувається в однорідній суміші, визначають за зміною кількості речовини реагенту або продукту реакції в одиниці об’єму суміші за одиницю часу.
3. Швидкість реакції залежить від хімічної природи реагентів і зростає зі збільшенням температури, концентрації реагенту, площі поверхні контакту реагентів.
4. Каталізатором називають речовину, яка збільшує швидкість реакції, але сама залишається незмінною.
5. У живих організмах практично всі хімічні перетворення відбуваються за участі біологічних каталізаторів — ферментів.

Контрольні запитання

1. Від яких чинників залежить швидкість реакції, що відбувається в рідкій чи газуватій системі?
2. Від яких чинників залежить швидкість реакції, якщо один з реагентів є твердою речовиною?
3. Що потрібно зробити із твердою речовиною-реагентом, щоб збільшити швидкість реакції?
4. Як впливає на швидкість реакції зменшення концентрації сульфатної кислоти під час її взаємодії з алюмінієм?
5. Чому за умов підвищення температури швидкість реакції зростає?
6. Які речовини називають:

а) каталізаторами;

б) інгібіторами;

в) ферментами?

7. Наведіть приклад реакції, швидкість якої змінюється під впливом каталізатора.
8. Наведіть приклад хімічних реакцій, які відбуваються в природі дуже повільно.
9. Вам потрібно розкласти алюміній гідроксид. Як досягти максимальної швидкості реакції?

Вправи та задачі

1. У три склянки, що містять відповідно порошок, дрібні гранули й один шматок цинку, додали розведену сульфатну кислоту. У якій зі склянок реакція відбудеться найшвидше? Відповідь обґрунтуйте.

2. Який із природних процесів відбувається: 1) найшвидше; 2) найповільніше:

а) гниття рослинних решток;
б) утворення гірських порід;
в) утворення нітроген(ІІ) оксиду в атмосфері?

3. Поясніть, чому деякі продукти продають у вакуумних упаковках.

Рис. 21.3. Продукти у вакуумній упаковці: а) овочі; б) м'ясо; в) риба

4. Чому низку харчових продуктів потрібно зберігати в холодильнику або в морозильній камері?

5. Поміркуйте, які поширені хімічні речовини можуть вступати у взаємодію з речовинами, що містяться в харчових продуктах.

6. У чотири посудини з водою одночасно помістили по 0,5 г калію, натрію, рубідію і кальцію. У якій посудині реакція металу з водою завершиться найшвидше? Відповідь поясніть.

Зміст