Хімія. Повторне видання. 9 клас. Попель

§ 19. Швидкість хімічної реакції

Матеріал параграфа допоможе вам:

• пояснити залежність швидкості реакції від різних чинників;
• зрозуміти роль каталізатора в хімічній реакції.

Швидкість хімічної реакції. Виконавши чимало лабораторних дослідів, ви переконалися в тому, що одні хімічні реакції відбуваються миттєво (наприклад, реакції обміну з утворенням осаду), інші — досить швидко (горіння речовин), деякі — повільно (реакції розкладу). Утворення мінералів у природних умовах взагалі не вдається помітити, навіть спостерігаючи за речовинами протягом багатьох років.

Кожна реакція має певну швидкість. Інформація про швидкість реакції, а також про чинники, від яких вона залежить, уміння її передбачати та обчислювати необхідні інженерам, технологам для того, щоб регулювати перебіг реакцій — уповільнювати небажані й прискорювати ті, які потрібно здійснити.

Швидкість реакції, яка відбувається в однорідній суміші, визначають за зміною кількості речовини реагенту (продукту) в одиниці об’єму суміші за одиницю часу:

У цій формулі v — швидкість реакції; Δn — зміна кількості речовини; V — об’єм суміші; τ — проміжок часу.

Залежність швидкості хімічної реакції від різних чинників. На швидкість реакції впливають:

• природа реагентів (те, які саме речовини взаємодіють);
• концентрації реагентів (якщо взаємодіють гази або розчинені речовини);
• температура;
• наявність сторонніх речовин (каталізаторів).

Швидкість реакції передусім визначається хімічною активністю реагентів. Відомо, що метали виявляють різну здатність до хімічних перетворень. Про це свідчить їх ряд активності. Так, реакції лужних металів з водою відбуваються досить швидко, іноді — з вибухом, лужноземельні метали взаємодіють із нею повільніше, а більшість інших металів інертні щодо води. Найактивнішим серед неметалів є фтор, який реагує з водою, багатьма простими речовинами з появою полум’я. Йому поступаються за активністю інші галогени, кисень, а найпасивнішими неметалами, крім інертних газів, є бор і прості речовини Карбону — графіт, алмаз.

• Однакову чи різну хімічну активність виявляють кислоти? Відповідь аргументуйте.

Цікаво знати

Вугільний пил може взаємодіяти з киснем повітря із вибухом.

З’ясуємо за допомогою експерименту, як впливають на швидкість хімічної реакції інші чинники.

ЛАБОРАТОРНИЙ ДОСЛІД № 10

Вплив концентрації і температури на швидкість реакції цинку з хлоридною кислотою

1. У дві пробірки помістіть по гранулі цинку. В одну пробірку налийте 2 мл хлоридної кислоти з масовою часткою хлороводню 10 %, а в другу — такий самий об’єм хлоридної кислоти з масовою часткою хлороводню 2 %. Що спостерігаєте? У якій пробірці водень виділяється більш інтенсивно?

2. У дві пробірки помістіть по гранулі цинку і налийте по 2 мл хлоридної кислоти з масовою часткою хлороводню 2 %. Вміст однієї пробірки нагрійте, але не до кипіння. Зіставте інтенсивність виділення газу в пробірках.

Виконавши дослід, ви з’ясували, що швидкість реакції цинку з хлоридною кислотою залежить від концентрації хлороводню в розчині. Згідно з йонно-молекулярним рівнянням

Ζn + 2Н⁺ = Ζn2⁺ + Н₂↑,

у реакції беруть участь атоми Цинку і катіони Гідрогену. Зі збільшенням концентрації гідроген хлориду зростає кількість йонів Н⁺ у реакційній суміші, а отже, й кількість їх зіткнень із атомами металу, які перебувають на поверхні його гранули. Це призводить до більш активної взаємодії речовин.

Вплив концентрації реагенту на швидкість іншої реакції ілюструє малюнок 36.

Мал. 36. Реакція кальцій карбонату з хлоридною кислотою

Швидкість реакції зі збільшенням концентрації реагенту зростає.

Якщо реагентом є газ, то швидкість реакції залежить від тиску. У стисненому газі перебуває більше молекул в одиниці об’єму, ніж у розрідженому. Тому реакції за участю газів зі збільшенням тиску прискорюються.

Зауважимо, що під час хімічної реакції реагент витрачається, його концентрація в розчині зменшується, і реакція уповільнюється.

За результатами виконаного лабораторного досліду зробимо ще один висновок:

швидкість реакції з підвищенням температури зростає.

Розглянемо одну із причин впливу температури на швидкість реакції. Під час нагрівання рідини, газу або розчину збільшується швидкість руху частинок речовин, а в разі нагрівання твердої речовини — інтенсивність коливань частинок. Унаслідок цього кількість результативних зіткнень частинок реагентів зростає, що приводить до збільшення швидкості реакції.

Швидкість деяких реакцій залежить від наявності каталізатора. Вам відомо, що каталізатор — речовина, яка прискорює реакцію, залишаючись після реакції незмінною¹.

¹ Іноді каталізатор спричиняє реакцію, яка відрізняється від тієї, що відбувається без каталізатора.

Гідроген пероксид Н₂О₂ у розбавленому водному розчині дуже повільно й непомітно розкладається згідно з рівнянням

2Н₂О₂ = 2Н₂О + О₂↑.

Якщо в розчин цієї сполуки додати трохи порошку манган(ІV) оксиду, відразу починається бурхливе виділення кисню (мал. 37). Ви це спостерігали, добуваючи кисень під час практичної роботи в 7 класі.

Мал. 37. Розклад гідроген пероксиду в розчині за наявності каталізатора

Формулу каталізатора записують у хімічному рівнянні над знаком рівності:

Прискорюють розклад гідроген пероксиду також солі деяких металічних елементів. У цьому можна переконатися, якщо до розчину гідроген пероксиду додати бурий розчин ферум(ІІІ) хлориду. Починається інтенсивне виділення газу, а забарвлення рідини не змінюється протягом усього досліду (мал. 38). Отже, сіль Феруму під час розкладу гідроген пероксиду не витрачається (як, до речі, і манган(ІV) оксид).

Мал. 38. Розклад гідроген пероксиду за наявності ферум(ІІІ) хлориду

Каталізатором деяких реакцій є вода. Якщо змішати порошки алюмінію і йоду, то жодних змін не відбудеться. Додавання однієї-двох крапель води до суміші спричиняє бурхливу реакцію між простими речовинами (мал. 39, див. покликання у QR-коді):

http://academia-pc.com.ua/video/h9/p_111.mp4

Мал. 39. Взаємодія алюмінію з йодом за наявності води

Вплив каталізатора на перебіг реакції пояснюється тим, що він взаємодіє з одним із реагентів. При цьому витрачається менше енергії, ніж під час реакції між реагентами. Нестійка сполука, яка утворюється, одразу взаємодіє з іншим реагентом, а каталізатор вивільняється.

Участь каталізатора К у реакції між речовинами А і В

можна умовно подати так:

А + K = АK, АК + В = АВ + К.

Значення каталізаторів для сучасної промисловості й техніки вагоме. За їх участю здійснюють майже 90 % усіх хімічних перетворень. Каталізатори використовують у транспортних засобах із двигунами внутрішнього згоряння. Завдяки цим речовинам токсичний чадний газ (продукт неповного окиснення бензину) швидко реагує з киснем і перетворюється на вуглекислий газ.

За участю каталізаторів відбуваються хімічні реакції в живих організмах. Ці каталізатори називають ферментами; їх виробляють живі клітини. Відсутність чи нестача якогось ферменту спричиняє захворювання, іноді досить тяжке. Докладніше про ферменти ви дізнаєтеся на уроках біології в старших класах.

Існують речовини, які уповільнюють хімічні реакції. Їх називають інгібіторами. Додавання до бензину деяких сполук (антидетонаторів) запобігає надто швидкому його згорянню у двигуні, а також вибуху бензиново-повітряної суміші. У продукцію харчової промисловості часто додають невелику кількість речовин-консервантів, що сприяє збільшенню терміну зберігання продуктів. Ці добавки мають бути безпечними для людини.

ВИСНОВКИ

Кожна реакція відбувається з певною швидкістю.

Швидкість реакції залежить від хімічної природи реагентів, зростає зі збільшенням концентрації реагенту, підвищенням температури.

Речовину, яка прискорює реакцію, беручи в ній участь, але залишаючись після реакції незмінною, називають каталізатором. Каталізатори використовують у промисловості, в транспортних засобах. Природні каталізатори регулюють хімічні перетворення в живих організмах.

140. Наведіть приклади хімічних реакцій у природі, які відбуваються: а) надзвичайно повільно; б) із помітною швидкістю.

141. З якими реакціями, що мають різну швидкість, ви стикаєтеся в повсякденному житті?

142. Від яких чинників залежить швидкість хімічних реакцій?

143. Назвіть чинники, які впливають на швидкість таких реакцій:

• a) S + О₂ = SO₂;
• б) 2ΝО + О₂ = 2ΝО₂;
• в) Cu(OH)₂ + H₂SО₄ = CuSО₄ + 2Н₂О.

144. Ви отримали завдання — добути кальцій оксид із крейди. Напишіть відповідне хімічне рівняння. Які умови потрібно створити, щоб швидкість цієї реакції була максимальною?

145. Яку речовину називають каталізатором?

146. Окиснення жирів у лабораторних умовах відбувається під час нагрівання, а в організмі людини — за температури тіла. Як це можна пояснити?

147. Каталізатором реакції чадного газу з киснем за підвищеної температури може слугувати водяна пара. Складіть рівняння реакції між цими газами, а також двох інших реакцій — за участю каталізатора та з його утворенням.