Хімія. 9 клас. Лашевська

§ 20. Швидкість хімічних реакцій

Після опрацювання параграфа ви зможете характеризувати вплив різних чинників на швидкість хімічних реакцій.

Швидкість хімічної реакції - це швидкість утворення її продуктів або витрачання реагентів. Під час вивчення хімії та спостереження явищ повсякденного життя ви неодноразово пересвідчувалися, що хімічні реакції відбуваються з різною швидкістю (наведіть кілька прикладів).

Чому одні хімічні реакції відбуваються миттєво, а інші тривають століттями? Відповідь на це запитання важливо знати для того, щоб керувати швидкістю хімічних перетворень, пришвидшувати корисні й уповільнювати шкідливі процеси.

Щоб розпочалася хімічна реакція, потрібен контакт між частинками речовин, що мають прореагувати між собою. Проте не кожне зіткнення частинок реагентів веде до утворення продуктів реакції. Якби внаслідок кожного зіткнення частинок реагентів утворювалися продукти реакції, будь-яка хімічна реакція відбувалася б миттєво. Щоб під час зіткнення частинок реагентів зруйнувалися зв’язки, що в них є, і утворилися нові хімічні зв’язки, енергія цих частинок має сягнути певної мінімальної величини (або перевищити її) (рис. 20.1). Цьому сприяє нагрівання, світлове, мікрохвильове та радіаційне опромінення реагентів.

Рис. 20.1.

Важливим чинником, особливо для багатоатомних молекул складної форми, є їхня взаємна орієнтація (рис. 20.2).

Рис. 20.2. Взаємна орієнтація частинок реагентів важлива для ефективної взаємодії між ними

Ви, звичайно, пам’ятаєте, що швидкість хімічної реакції можна збільшити, якщо використати каталізатор. Він змінює механізм реакції, пришвидшує її перебіг (рис. 20.3).

Рис. 20.3. Використання каталізатора (3) полегшує й пришвидшує перетворення реагентів (1) на продукти (2)

Від яких ще чинників залежить швидкість хімічної реакції?

Природа реагентів істотно позначається на їхній реакційній здатності. Дослідімо, наприклад, реакції різних металів - цинку, магнію та заліза з хлоридною кислотою. Помістімо в хімічні стакани ошурки цих металів кількістю речовини 0,1 моль кожний і доллємо однакові порції хлоридної кислоти. Про швидкість перебігу кожної з реакцій можна судити за інтенсивністю виділення бульбашок водню. Найшвидше з хлоридною кислотою реагує магній, найповільніше - залізо.

• Обчисліть маси порцій металів, узятих для проведення реакції. Визначте, чи узгоджуються результати досліду з положенням цих металів у ряді активності. Запишіть рівняння хімічних реакцій, розгляньте їх з точки зору окиснення-відновлення та електролітичної дисоціації.

Отже, природа металів впливає на швидкість відновлення ними катіонів Гідрогену в розчині. Різна реакційна здатність металів зумовлена особливостями електронної конфігурації їхніх атомів, внутрішньою будовою тощо.

Концентрація реагентів також впливає на швидкість хімічної реакції. Якщо виконати описаний дослід з хлоридною кислотою, розбавленою вдвічі, усі реакції відбуватимуться повільніше. Адже зі зменшенням концентрації реагентів зменшуватиметься частота зіткнень (у тому числі й активних) між їхніми частинками. Зі збільшенням концентрації реагентів зростає кількість зіткнень (активних також) між їхніми частинками (рис. 20.4).

Рис. 20.4. 1. Модель, що на мікрорівні ілюструє залежність швидкості хімічної реакції від концентрації реагентів. 2. Швидкість горіння деревини в кисні більша, ніж швидкість її горіння в повітрі

Зі збільшенням тиску швидкість реакції за участю газуватих речовин зростає, бо вміст активних молекул газу в одиниці об’єму (концентрація) збільшується (рис. 20.5).

Рис. 20.5. Збільшення тиску зумовлює збільшення концентрації азоту і водню

Температура, за якої відбувається хімічна реакція, також позначається на її швидкості. Зі зростанням температури хімічні реакції переважно пришвидшуються. Це зумовлено збільшенням умісту активних молекул (чи інших структурних частинок) у реакційній суміші. Натомість охолодження уповільнює взаємодію між реагентами. Саме тому харчові продукти довше зберігаються за низьких температур.

Площа поверхні контактування реагентів - ще один чинник, від якого залежить швидкість хімічної реакції. Подрібнення та розпорошення зумовлюють збільшення ймовірності стикання активних частинок речовин-реагентів (рис. 20.6).

Рис. 20.6. Тонкодисперсний жовтий пилок спор плауна (лікоподій) застосовують у фармації для пересипання пігулок. Купку цієї речовини не завжди вдається підпалити сірником (1). Натомість розпорошений у повітрі лікоподій згоряє миттєво (2)

Щоб закріпити здобуті знання, виконайте лабораторний дослід 10 (а, б).

ЛАБОРАТОРНИЙ ДОСЛІД

Пригадайте й неухильно виконуйте ПРАВИЛА БЕЗПЕКИ ПІД ЧАС РОБОТИ З ОБЛАДНАННЯМ І РЕАКТИВАМИ

Обладнання: пробірки в штативі, пластина із заглибинами, пробіркотримач, пальник. Реактиви: дистильована вода; цинк (гранули й дрібні ошурки), хлоридна кислота.

Завдання. Дослідіть, як впливає на швидкість хімічної реакції цинку з хлоридною кислотою концентрація та температура кислоти, площа контактування реагентів.

Складіть рівняння реакції цинку з хлоридною кислотою.

*Розгляньте цю реакцію з погляду процесів окиснення-відновлення.

*Складіть рівняння цієї реакції у повній і скороченій йонних формах.

Зробіть узагальнювальний висновок про вплив пло

щі поверхні контактування реагентів, концентрації й температури на швидкість хімічних реакцій.

10(a). Вплив концентрації хлоридної кислоти на швидкість її реакції із цинком

Інструкція

Помістіть у дві пробірки або заглибини пластини по гранулі цинку. В одну місткість налийте дистильованої води стільки, щоб покрити гранулу цинку наполовину. Долийте в обидві місткості хлоридної кислоти стільки, щоб укрити поверхню цинку. Що спостерігаєте? Де інтенсивніше виділяються бульбашки? Зробіть висновок про вплив концентрації хлоридної кислоти на швидкість реакції між нею і цинком.

10(б). Вплив температури на швидкість реакції цинку з хлоридною кислотою

Інструкція

Помістіть у дві пробірки по гранулі цинку. Долийте хлоридної кислоти стільки, щоб укрити поверхню цинку. Нагрійте реагенти в одній з пробірок. Що спостерігаєте? Де інтенсивніше виділяються бульбашки? Зробіть висновок про вплив температури на швидкість реакції цинку з хлоридною кислотою.

Уявлення про швидкість хімічної реакції та залежність її від різних чинників стануть вам у пригоді й у повсякденному житті, і під час вивчення наступного параграфа.

ПРО ГОЛОВНЕ

• Швидкість хімічної реакції - поняття, яке характеризує швидкість утворення її продуктів або витрати реагентів.

• Щоб під час зіткнення частинок реагентів зруйнувалися старі й утворилися нові хімічні зв’язки, енергія цих частинок має сягнути певної мінімальної величини (або перевищити її).

• Каталізатор змінює механізм реакції, полегшує й пришвидшує перетворення реагентів на продукти.

• Швидкість хімічної реакції залежить від природи реагентів, їхньої концентрації, площі поверхні контактування, температури.

Перевірте себе

1. Що називають швидкістю хімічної реакції? Каталізатором? 2. Які чинники і як впливають на швидкість хімічних реакцій?

Застосуйте свої знання й уміння

3. Визначте пропущене слово в уривку з науково-популярної статті про чинники, які впливають на швидкість хімічних реакцій: «...подібний до інструктора-провідника, який веде альпіністів через гірський хребет. Він проводить одну групу через перевал і потім вертається за наступною. Шлях через перевал проходить значно нижче шляху через вершину, і група робить перехід швидше, ніж без провідника. Можливо навіть, що самостійно група взагалі не змогла б подолати хребет».

4. Реакція розкладання амоній дихромату та термітний процес - екзотермічні. Поясніть, чому для початку їхнього перебігу потрібне нагрівання.

5. Олесь і Леся побували на роботі у своїх батьків, які працюють у науково-дослідному інституті й синтезують органічні сполуки. Вони розповіли однокласникам і однокласницям, що деякі з реакцій батьки виконують у звичайній мікрохвильовій пічці. Оцініть вірогідність їхньої розповіді - чи не пожартували вони часом? Аргументуйте свою думку.

*6. Для дослідження реакції цинку з кислотою Петро взяв хлоридну кислоту, а Галина - оцтову (про неї йтиметься в одному з наступних параграфів) такої самої концентрації. Спрогнозуйте, у якому випадку реакція відбуватиметься швидше.

7. Поясніть, чому: а) не можна під час пожежі прочиняти вікна та двері; б) застосування кисневого дуття інтенсифікує згоряння палива; в) вугільний пил, на відміну від шматків вугілля, вибухонебезпечний; г) гідроген пероксид під час дезінфікування подряпин та дрібних ранок пузириться й шипить; д) харчові продукти довше зберігаються у вакуумних упаковках; е) улітку підвищується небезпека харчових отруєнь.

8. Glow stick (з англ. - паличка, що світиться) - напівпрозора пластикова трубочка, що містить ізольовані одну від одної рідини. Якщо паличку зігнути, внутрішня перетинка ламається й рідини змішуються. Унаслідок цього відбувається хімічна реакція, яка супроводжується виділенням світла. Поміркуйте, за якої погоди - прохолодної чи спекотної - паличка світитиметься: а) яскравіше; б) довше. Обґрунтуйте свою думку. Якщо маєте змогу, перевірте її експериментально.

Творча майстерня

9. Виконайте досліди й підготуйте презентацію за результатами свого дослідження.

Завдання 1. У два пластикові стакани налийте воду об’ємом 50 см³ і розчиніть по чайній ложці харчової соди. У два інших стакани помістіть лимонну кислоту: у перший об’ємом із сірникову головку, у другий - приблизно в 5 разів більше. Налийте в обидва стакани порції води об’ємом 10 см³ і, перемішуючи, розчиніть кислоту. В обидва стакани з розчинами лимонної кислоти одночасно долийте попередньо виготовлені порції розчину натрій гідрогенкарбонату. Що спостерігаєте? Де інтенсивніше виділяються бульбашки? Зробіть висновок про вплив концентрації лимонної кислоти на швидкість реакції між нею й харчовою содою.

Завдання 2. У дві скляні посудини помістіть лимонну кислоту: у першу - чверть чайної ложки, у другу - одну чайну ложку. Налийте в обидві посудини води об’ємом 100 мл і, перемішуючи, розчиніть кислоту. В обидві посудини з розчинами лимонної кислоти одночасно помістіть сирі курячі яйця. Що спостерігаєте? Де інтенсивніше виділяються бульбашки? Зробіть висновок про вплив концентрації лимонної кислоти на швидкість реакції між нею й кальцій карбонатом у складі шкаралупи.

Дізнайтеся більше

• https://www.youtube.com/watch?v=znbGrdaC3IQ
• https://www.youtube.com/watch?v=cKLD1ejTJg4
• https://www.youtube.com/watch?v=z8ig_koe9q8
• https://www.youtube.com/watch?v=RZjwdlmzNUo&index=4&list=PLWM8IO-3TQjPwGIMOISBA9JalylPfvJSg
• https://www.youtube.com/watch?v=Qph6kDCKFiQ&list=PLWM8IO-3TQjPwGIMOISBA9 JalylPfvJSg&index=5
• https://www.youtube.com/watch?v=SF1UmiwkIJM
• https://www.youtube.com/watch?v=VmdABmX1nEE
• https://www.youtube.com/watch?v=5-ASNKGIsZU
• https://www.youtube.com/watch?v=zQR_Kj0r5Ho