Хімія. Поглиблений рівень. Повторне видання. 9 клас. Бутенко

§ 38. Поняття про хімічну кінетику. Швидкість хімічної реакції

У цьому параграфі ви дізнаєтеся:

• що таке швидкість хімічної реакції;
• від яких факторів вона залежить;
• якому закону вона підпорядковується.

Що таке хімічна кінетика. Одним з основних параметрів будь-яких хімічних процесів є швидкість, з якою ці процеси відбуваються.

Розділ хімії, у якому вивчають швидкість хімічних реакцій, називають хімічною кінетикою.

Основне поняття в хімічній кінетиці:

швидкість хімічної реакції — фізична величина, що визначається зміною концентрацій реагуючих речовин за одиницю часу.

Швидкість хімічної реакції позначають ν та вимірюють у моль/л • с або моль • л^-1 • с^-1.

Середню швидкість реакції v_сер в інтервалі часу від τ₁ до τ₂визначають співвідношенням

де С₁ і С₂ — молярна концентрація будь-якого учасника реакції (моль/л) у моменти часу τ₁ і τ₂ відповідно (с).

Знак «-» перед дробом записують для концентрації речовин-реагентів, оскільки їхня концентрація під час реакції зменшується: ΔС < 0; знак «+» — для концентрації продуктів реакції, оскільки їхня концентрація під час реакції збільшується: ΔС < 0.

Для умовної реакції, яку описують хімічним рівнянням

аА + bВ = dD,

середню швидкість визначають таким чином:

де ΔС — зміна концентрації реагента чи продукта реакції;

Δτ — проміжок часу;

а, b, d — стехіометричні коефіцієнти.

Основні фактори, що впливають на швидкість хімічної реакції:

• природа речовин, що реагують;
• їхня концентрація;
• тиск (якщо в реакції беруть участь газуваті речовини);
• температура;
• наявність каталізатора;
• площа поверхні розділу фаз (для гетерогенних реакцій, тобто реакцій, у яких беруть участь речовини, що утворюють неоднорідну суміш).

Гомогенною називають систему, яка складається з однієї фази (наприклад, водний розчин цукру), гетерогенною — систему, що складається з декількох фаз. Наприклад, у результаті реакції

Pb(NO)₃ (р) + Na₂SO₄ (р) = PbSO₄ (тв)↓ + 2NaNO₃ (р)

випадає осад — система стає гетерогенною.

Фаза — це частина системи, яка відрізняється за своїми фізичними або хімічними властивостями від інших її частин і відділена від них поверхнею розділу.

Закон діючих мас. Хімічні реакції відбуваються, коли мікрочастинки речовини, стикаючись одна з одною, взаємодіють і перетворюються на продукти реакції (рис. 40). Такі зіткнення частинок називають ефективними. Зазвичай відсоток таких зіткнень у системі невеликий. Значна більшість зіткнень частинок не закінчується хімічним перетворенням.

Рис. 40. Зіткнення частинок: а — неефективне (енергії недостатньо, щоб розірвати зв’язки А—А і В—В); б — ефективне (енергії достатньо, щоб розірвати зв’язки А—А і В—В). Наприклад, речовина А — Н2, речовина В — І2, речовина АВ — НІ.

Число ефективних зіткнень визначає швидкість реакцій загалом. Воно відповідно залежить від концентрації речовин. Що більшою є концентрація речовини, то більшим буде й число ефективних зіткнень, а отже, зростатиме швидкість хімічної реакції (рис. 41).

Рис. 41. Вплив концентрації реагентів (за певної температури): а — концентрація низька; б — концентрація висока

Вплив концентрації реагентів на швидкість хімічної реакції виражає основний закон хімічної кінетики — закон діючих мас:

швидкість хімічних реакцій за постійної температури прямо пропорційна добутку концентрацій речовин, що реагують, у степенях їхніх стехіометричних коефіцієнтів у рівняннях реакцій.

Зі зменшенням концентрацій реагентів швидкість будь-якої реакції зменшується (рис. 42).

Рис. 42. Залежність концентрації реагента від часу перебігу реакції

Для реакції, яка відбувається згідно з рівнянням

аА + bВ = dD,

математично закон діючих мас можна описати таким кінетичним рівнянням:

v = k • С^а(А) • С^b(В),

де v — швидкість реакції, моль/л • с;

С(А) і С(В) — молярні концентрації речовин А і В, моль/л;

а і b — стехіометричні коефіцієнти біля реагентів у рівнянні реакції;

k — коефіцієнт пропорційності.

Коефіцієнт пропорційності k називають константою швидкості хімічної реакції, яка чисельно дорівнює швидкості реакції, якщо концентрації речовин, що реагують, дорівнюють одиниці.

Константа швидкості k залежить від температури та природи речовин, які реагують, і не залежить від їхньої концентрації.

У випадку гетерогенних реакцій у вираз швидкості реакції записують концентрації тільки тих речовин, які перебувають у газовій фазі або розчині.

У випадку гомогенної реакції, наприклад:

2SO₂ + О₂ = 2SO₃,

закон діючих мас можна описати так:

v = k • C(SO₂) • С(О₂)

Якщо ж реакція є гетерогенною:

Zn (тв) + 2НСl (р) = ZnCl₂ (р) + Н₂ (г),

то математичний вираз закону діючих мас матиме такий вигляд:

V = k • С² (НСl)

Демонстраційний дослід

Дотримуйтесь правил безпеки під час дослідів!

Залежність швидкості хімічної реакції від концентрації речовин

1. Беремо чотири сухі чисті пробірки й нумеруємо. У пробірку 2 наливаємо 2 мл води, у пробірку 3 — 3 мл, у пробірку 4 — 4 мл води. У пробірці 1 буде 0 мл води.

2. У всі пробірки додаємо по 6 мл розчину концентрацією сульфатної кислоти 1 моль/л. Скляною паличкою перемішуємо одержані розчини в пробірках 2-4. Поміщаємо їх на деякий час у хімічну склянку з водою для вирівнювання температури вмісту кожної пробірки.

3. Зважуємо по 0,1 г порошку купрум(ІІ) оксиду. Висипаємо порцію купрум(ІІ) оксиду в пробірку 1, вмикаємо секундомір і, перемішуючи вміст пробірки скляною паличкою, фіксуємо час (τ) появи ледь помітного блакитно-синього забарвлення розчину.

4. Виконуємо аналогічні досліди в інших трьох пробірках.

де а — об’єм розчину H₂SO₄ (він однаковий у всіх дослідах і дорівнює 6 мл); b — об’єм води, який залежно від номера пробірки 1, 2, 3, 4 дорівнює відповідно 0, 2, 3 і 4 мл.

Основні поняття. Хімічна кінетика. Швидкість хімічної реакції. Константа швидкості хімічної реакції. Закон діючих мас.

Запитання та завдання

1. Що розуміють під поняттям «швидкість хімічної реакції»? Як її позначають і в яких одиницях вимірюють?

2. Назвіть фактори, що впливають на швидкість хімічних реакцій.

3. Завдяки яким факторам під час зіткнення частинок речовин між ними відбувається хімічна реакція?

4. Яким законом хімічної кінетики виражають вплив концентрації реагентів на швидкість хімічної реакції між ними?

5. Як обчислюють швидкість хімічної реакції за постійної температури?

6. Від яких факторів залежить константа швидкості хімічної реакції?

*7. За даними демонстраційного досліду складіть рівняння реакції, обчисліть масову частку речовин у використаних розчинах і швидкість реакції в кожному з них. Побудуйте на міліметровому папері графік залежності швидкості реакції (вісь ординат) від концентрації реагенту (вісь абсцис). Зробіть висновки.