Хімія. Профільний рівень. 11 клас. Григорович

§ 85. Швидкість хімічної реакції

Поняття про швидкість реакції

Швидкість реакції визначають так само, як і швидкість руху, що дорівнює відношенню переміщення до проміжку часу. У хімії важливо знати, скільки витрачено реагенту і скільки утворилося продукту реакції, тому швидкість хімічної реакції ν визначають як відношення зміни кількості речовин Δn у реакційній суміші до проміжку часу Δt. Крім кількості речовини, для визначення швидкості також використовують зміну маси та зміну концентрації:

Отже, залежно від використаної величини одиниці вимірювання швидкості реакції можуть бути різними: моль/с, г/с, моль/(л • с).

У ході хімічних реакцій концентрації реагентів зменшуються, а продуктів — збільшуються (мал. 85.1, с. 222). Швидкість реакції, визначена за зміною кількості продуктів реакції та за реагентами, матиме зворотні знаки:

Чим більша зміна концентрації речовини і чим менший час, за який відбулася ця зміна, тим вища швидкість реакції. Швидкість хімічної реакції залежить від різних чинників: природи реагентів, їх концентрації, температури середовища тощо.

Вивченням швидкості хімічних реакцій займається спеціальний розділ хімії — хімічна кінетика.

Мал. 85.1. Зміна кількості молекул речовин у ході хімічної реакції

Залежність швидкості реакції від природи реагентів

Швидкість хімічної реакції суттєво залежить від природи реагентів. Наприклад, лужні метали активно взаємодіють із водою (часто із вибухом), тоді як магній або кальцій з водою ледь реагують, а золото й срібло з нею взагалі не взаємодіють. Отже, чим активніші речовини, тим вища швидкість реакції за їх участі.

Залежність швидкості реакції від концентрації речовин

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 речовини, тим частіше вони зіштовхуються, а отже, більше частинок взаємодіють за одиницю часу.

Залежність швидкості реакції від концентрації математично описується законом діючих мас для швидкості реакції, згідно з яким швидкість реакції прямо пропорційна концентрації реагентів у степені їхніх стехіометричних коефіцієнтів. Так, для реакції 2А + 3В → 2D швидкість реакції дорівнює:

де k — константа швидкості реакції, яка залежить від природи реагентів та температури середовища, С — концентрації відповідних речовин (моль/л).

Як видно із запису закону для розглянутої реакції, швидкість реакції не залежить від концентрації продуктів реакції, оскільки концентрація речовини D не входить до формули швидкості.

Закон діючих мас для швидкості реакції та хімічної рівноваги був сформульований 1864 року норвезькими науковцями Като Максиміліаном Ґульдберґом та Петером Вааге.

За законом діючих мас можна визначити, як саме змінюється швидкість хімічної реакції відповідно до зміни концентрації речовин.

Задача 1. Визначте, як зміниться швидкість хімічної реакції синтезу амоніаку з простих речовин за підвищення концентрації: а) азоту у два рази; б) водню у два рази.

Отже, за підвищення концентрації азоту вдвічі швидкість реакції збільшується також у два рази.

б) Визначимо, як зміниться швидкість реакції за підвищення концентрації водню у два рази. Для цього можна також скласти два рівняння і визначити відношення двох рівнянь. Але можна дійти висновку набагато простіше.

У формулі, що відображає закон діючих мас для реакції азоту з воднем, концентрація водню записана в третьому степені. Якщо концентрацію водню збільшити у два рази, то швидкість реакції зросте у 2³ рази, тобто у вісім разів.

Відповідь: а) підвищиться у два рази; б) підвищиться у вісім разів.

Залежність швидкості реакції від тиску

Від тиску залежать швидкості лише тих реакцій, що відбуваються за участі газів, оскільки об’єми твердих і рідких речовин від тиску майже не залежать. Окремого рівняння, яке б описувало залежність швидкості реакції від тиску, немає. У разі зміни тиску газуватих речовин фактично змінюється їхня концентрація.

Зміна тиску призводить до зміни об’єму газуватих речовин. А оскільки концентрацію речовин обчислюють за формулою:

то видно, що зміна тиску призводить до зміни концентрації. Наприклад, якщо збільшити тиск удвічі, то відбудеться двократне зменшення об’єму газу, а отже, збільшиться концентрація газуватої речовини у два рази.

Задача 2. Визначте, як зміниться швидкість реакцій за підвищення тиску у два рази:

• а) Н₂ + І₂ → 2НІ
• б) N + 3Н → 2ΝΗ₃

Залежність швидкості реакції від температури

Ще одним важливим фактором, що визначає швидкість реакції, є температура. Якщо змішати водень і кисень, то реакція між ними за кімнатної температури не відбудеться. Під час поступового підвищення температури до 400 °С повільно почне з’являтися водяна пара. За подальшого нагрівання швидкість реакції зростатиме, а за 600 °С станеться вибух: реакція закінчиться миттєво.

Експериментально доведено, що за нагрівання на кожні 10 °С швидкість більшості реакцій підвищується приблизно в три рази.

Це правило можна записати у вигляді формули. Якщо відомі швидкість реакції v₁ за температури T₁ і швидкість реакції ν₂ за температури Т₂, то:

де γ — температурний коефіцієнт, що показує, у скільки разів збільшується швидкість реакції за нагрівання на 10 °С. Для різних реакцій цей коефіцієнт приймає значення від 2 до 4. Це правило називають правилом Вант-Гоффа, а γ — коефіцієнтом Вант-Гоффа. За цим правилом можна оцінювати час перебігу реакцій за різних температур.

Задача 3. Визначте, у скільки разів збільшиться швидкість хімічної реакції в разі підвищення температури від 20 до 50 °С, якщо температурний коефіцієнт дорівнює 3.

Якоб-Хендрік Вант-Гофф (1852-1907)

Голландський хімік, перший Нобелівський лауреат із хімії за ґрунтовні дослідження з хімічної кінетики

Збільшення швидкості реакції за нагрівання пояснюється тим, що в хімічну реакцію вступають не всі молекули. На малюнку 85.2 показано енергетичну діаграму певної хімічної реакції. Ліва частина діаграми відповідає енергії реагентів, а права — продуктів реакції. Для того щоб перетворитися на продукти реакції, молекули реагентів мають подолати енергетичний бар’єр, який відповідає утворенню проміжного активованого комплексу. Для цього молекули реагентів повинні мати певний запас енергії — енергію активації.

Мал. 85.2. Утворення активованого комплексу в реакції між NO₂Cl та Сl

Енергія активації — певний запас енергії частинок реагентів, необхідний для подолання енергетичного бар'єру під час хімічної взаємодії.

За нагрівання енергія частинок реагентів зростає, збільшується частка активних молекул, яким легше подолати енергетичний бар’єр, тому швидкість реакції теж підвищується (мал. 85.3).

Мал. 85.3. За підвищення температури від Т₁ до Т₂ збільшується енергія частинок речовини, і вони легше долають енергетичний бар'єр

Каталізатори. Механізм дії каталізаторів

У багатьох випадках швидкість реакції можна підвищити каталізаторами.

Каталізатор — речовина, що бере участь у реакції і змінює її швидкість, але сама в реакції не витрачається.

Каталізатори можуть як прискорювати реакцію, так і гальмувати. Прискорення реакції називають позитивним каталізом, а самі каталізатори — позитивними, або просто каталізаторами. Гальмування реакцій називають інгібуванням, або негативним каталізом, а речовини, за наявності яких це відбувається, — інгібіторами.

Наприклад, за наявності сполук Купруму, Феруму, Ніколу, Мангану або Хрому реакція розкладу гідроген пероксиду значно прискорюється. Дія каталізаторів є досить вибірковою, тобто для кожної реакції використовують свій каталізатор, який найкраще підходить для певної реакції.

Універсальним каталізатором можна вважати платину, оскільки вона виявляє каталітичну активність майже в усіх реакціях.

Дія каталізаторів зумовлена тим, що вони утворюють проміжні сполуки з реагентами і тим самим спрямовують реакцію іншим, енергетично вигіднішим шляхом. Розгляньмо, наприклад, реакцію окиснення сірчистого газу до сульфур(ІV) оксиду:

2SO₂ + О₂ = 2SO₃

Вона відбувається дуже повільно навіть за нагрівання. Якщо до цієї газової суміші додати нітроген(ІІ) оксид, то він реагуватиме з киснем, утворюючи проміжну сполуку — нітроген(ІV) оксид:

2NO + О₂ = 2NO₂

А цей оксид легко окиснює SO₂ до SO₃:

NO₂ + SO₂ = NO + SO₃

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. Зазвичай каталізатор не вказують ані в реагентах, ані в продуктах реакції, його записують над стрілкою або знаком рівності:

Якщо в посудину із сумішшю водню й кисню за кімнатної температури внести тонко подрібнену платину, то реакція між газами прискорюється настільки, що відбувається вибух. Це пояснюється тим, що на поверхні платини молекули водню розпадаються на окремі атоми Гідрогену, а вони набагато хімічно активніші.

Іноді заміна каталізаторів кардинально змінює хід хімічної реакції, аж до зміни продуктів реакції. Так, за наявності алюміній оксиду спирт за нагрівання розкладається на етен і воду:

а за наявності міді утворюються етаналь і водень:

Спрямовуючи реакцію іншим шляхом, каталізатори фактично зменшують енергію активації і тим самим збільшують частку активних молекул без нагрівання (мал. 85.4).

Мал. 85.4. Каталізатор спрямовує хімічну реакцію іншим шляхом, що знижує енергетичний бар'єр

Каталізатори мають велике значення для промисловості й науки. Близько 90 % хімічних перетворень відбуваються за наявності каталізаторів. Багато важливих хімічних реакцій без каталізаторів були б неможливими або відбувалися за надто високих температур.

Каталізатори широко використовують у транспортних засобах із двигунами внутрішнього згоряння. Ці речовини містяться в спеціальних патронах у вихлопних трубах. Завдяки каталізаторам чадний газ (продукт неповного згоряння бензину), реагуючи з киснем, перетворюється на безпечний вуглекислий газ, тим самим різко зменшуючи викиди шкідливих речовин в атмосферу.

Усі хімічні реакції в живих організмах відбуваються за участі каталізаторів — ферментів. Ферменти регулюють швидкість усіх без винятку біохімічних реакцій. Відмінною рисою ферментів є їхня висока специфічність: для кожної біохімічної реакції існує свій фермент. А один фермент каталізує лише одну конкретну реакцію. Це відбувається завдяки тому, що форма молекули ферменту має відповідати формі молекули, реакцію якої вона каталізує (як ключик до замочка).

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 денатурація (руйнування) ферменту, його каталітична дія зникає і швидкість реакції зменшується. Тому у хворих людей із високою температурою біохімічні процеси в організмі відбуваються по-іншому, ніж у здорових. Так, за високої температури перестає функціонувати фермент, відповідальний за окиснення етилового спирту, тому людина з підвищеною температурою в разі вживання алкоголю швидко п’яніє.

Ключова ідея

Поняття про швидкість реакції — головне поняття хімічної кінетики.

Запитання та завдання

493. Дайте визначення швидкості хімічної реакції. Які її одиниці вимірювання?

494. Сформулюйте закон діючих мас для швидкості хімічної реакції. Від яких чинників залежить константа швидкості?

495. За законом діючих мас обґрунтуйте залежність швидкості реакції від концентрації речовин і тиску.

496. Сформулюйте визначення енергії активації. Що називають активованим комплексом? Поясніть залежність між величиною енергії активації, швидкістю реакції й температурою.

497. Дайте визначення понять «каталізатор» і «інгібітор».

498. Поясніть механізм дії каталізаторів. Чому за їх наявності хімічна реакція пришвидшується?

499. Проведено два досліди з добування кисню нагріванням калій перманганату. У першому досліді отримано 75 мл кисню за 3 хв, а в другому — 100 мл за 5 хв. У якому випадку швидкість реакції вища?

500. На чавунному візку за 100 годин утворилося 300 мг іржі, а на сталевому з такою самою площею — 200 мг за 200 годин. У якому випадку швидкість корозії більша і у скільки разів?

501. За місяць до початку занять приготували водний розчин гідроген пероксиду з концентрацією 0,3 моль/л. Першого вересня визначили, що кількість гідроген пероксиду в колбі зменшилася вдвічі. Обчисліть швидкість розкладання гідроген пероксиду, вважаючи, що в місяці 30 діб. Який об'єм кисню (н. у.) виділився з 5 л розчину за цей час?

502. У скільки разів збільшиться швидкість реакції між воднем і киснем за нагрівання від 20 до 60 °С, якщо температурний коефіцієнт цієї реакції дорівнює 2?

503. Термін зберігання морепродуктів за температури -3 °С дорівнює 72 год, а за -23 °С — один місяць. Скільки часу морепродукти можна зберігати за температури -13 °С?

504. Визначте, як зміниться швидкість реакції взаємодії сульфур(ІV) оксиду з киснем з утворенням сульфур(VІ) оксиду за: а) збільшення концентрації сульфуp(IV) оксиду у 2 рази; б) зменшення концентрації кисню в 3 рази; в) підвищення тиску в 3 рази.

505. За 25 °С певна реакція відбувається за 5 годин, а за 15 °С — за 12 годин. За який час відбудеться ця реакція за -5 °С?