Хімія. Комплексна підготовка до ЗНО і ДПА
5.8. Швидкість хімічної реакції. Каталізатор
Розділ хімії, що вивчає швидкість хімічних реакцій, називають хімічною кінетикою. Розгляньмо зміст деяких понять, які використовують у цьому розділі.
Швидкість хімічних реакцій характеризується зміною концентрації реагентів (або продуктів реакції) за одиницю часу.
Якщо реакції відбуваються в однорідному середовищі (наприклад, реакції між газами або рідинами), їх називають гомогенними; якщо в неоднорідному (наприклад, між газом та твердим тілом), то гетерогенними.
У другому випадку реакції відбуваються на поверхні стикання речовин, яку називають поверхнею розділу фаз.
Фаза — це частина системи, яка відокремлюється від інших частин системи поверхнею поділу.
Швидкість гомогенної реакції визначається кількістю речовини, яка вступила в реакцію або утворилася внаслідок реакції за одиницю часу в одиниці об’єму:
де vгомог. — швидкість реакції в гомогенній системі, моль/с · м3 або моль/с · л;
ΔC — зміна концентрації, моль/м3, моль/л;
Δt — інтервал часу, с.
Швидкість гетерогенної реакції визначається кількістю речовини, яка вступила в реакцію або утворилася внаслідок реакції за одиницю часу на одиниці поверхні розділу фаз:
де vгетер. — швидкість реакції в гетерогенній системі, моль/м2 · с;
Δv = v1 - v2 — зміна кількості речовини, моль;
S — площа розділу фаз, м2;
Δt — інтервал часу, с.
Швидкість хімічної реакції залежить від різних факторів:
1) від природи реагентів. Наприклад, метали реагують із хлоридною кислотою з різною швидкістю: магній швидше, ніж залізо, а мідь не реагує взагалі:
Галогени реагують з воднем з різною швидкістю: хлор швидше за йод;
2) від концентрації реагентів (для речовин у рідкій та газоподібній фазі). Наприклад, реакція окиснення нітроген(ІІ) оксиду чистим киснем відбувається швидше, ніж реакція окиснення киснем повітря:
2NO + О2 = 2NO2
У 1865 р. М. М. Бекетов, а у 1867 р. К. Гульдберг і П. Вааге встановили кількісну залежність швидкості реакції від концентрації речовин, що реагують. Ця залежність виражається законом діючих мас: швидкість хімічної реакції у кожний момент часу пропорційна добутку концентрацій реагентів.
Для простих одностадійних реакцій концентрації речовин підносять до ступеня, який визначається стехіометричним коефіцієнтом реагенту. Наприклад, для реакції
аА + бБ = вВ + гГ,
де а, б, в, г — коефіцієнти,
A, Б — формули реагентів,
B, Г — формули продуктів реакції,
v = k · Са(А) · СБ(Б),
де v — швидкість реакції,
Сa(А), Сб(Б) — молярні концентрації реагентів А і Б,
а, б — коефіцієнти,
k — константа швидкості.
Цей вираз називають кінетичним рівнянням. Нагадаємо, що в кінетичні рівняння вводять лише концентрації речовин, які перебувають у газоподібному і рідкому станах. Наприклад:
а) для реакції
2SO2(г) + О2(г) = 2SO3(г)
v = k · C2(SO2) · С(О2)
б) для реакції
СuО (тв) + Н2(г) = Сu (тв) + Н2О (г)
v = k · С(Н2)
3) від площі поверхні реагентів (коли один з реагентів перебуває у твердій фазі). Реакції відбуваються швидше, якщо площа поверхні речовин, які реагують, більша. Площі контакту речовин збільшують, подрібнюючи твердий реагент. Наприклад, цукор (цукор-пісок або шматочок рафінаду) горить лише у полум’ї, а цукрова пудра спалахує від іскри1;
1 Здатні до окиснення речовини, подрібнені на порошок, є вибухонебезпечними: борошно, вугільний пил та ін. можуть мимовільно (за умов відсутності іскри або відкритого полум’я) спалахувати та вибухати.
4) від температури — правило Вант-Гоффа2: з підвищенням температури на кожні 10 °С швидкість більшості хімічних реакцій збільшується у 2-4 рази:
де vt2 — швидкість реакції за температури t2,
vt1 — швидкість реакції за температури t1,
γ — температурний коефіцієнт (γ = 2...4).
2 Емпіричне правило, яке на основі багатьох експериментів вивів голландський хімік Якоб Хендрік Вант-Гофф (1852-1911), перший лауреат Нобелівської премії з хімії, 1901 р. Правило діє лише у неширокому температурному діапазоні (від 0 до 100 °С).
Навіть невелике підвищення температури викликає стрімкий ріст швидкості реакції. Це пояснюється тим, що взаємодіяти можуть лише ті частинки, енергія яких буде достатньою для послаблення чи розриву хімічних зв’язків у вихідних речовинах. Такі частинки називають активними. За умов підвищення температури кількість активних частинок зростає, відповідно зростає і швидкість реакції. Наприклад, залізо з хлором за кімнатної температури реагує повільно, а за високих температур іде бурхлива реакція; водень вступає в реакцію з оксидами металічних елементів лише унаслідок нагрівання:
5) від наявності каталізатора — речовини, яка змінює швидкість хімічної реакції (але сама при цьому не витрачається). Так, синтез амоніаку з азоту та водню відбувається лише за наявності заліза зі спеціальними домішками:
Реакція окиснення амоніаку киснем відбувається лише за наявності платини:
Хімічні реакції, які відбуваються за участі каталізаторів, називають каталітичними, а саме явище зміни швидкості реакції за наявності каталізатора — каталізом1.
1 Термін «каталіз» увів 1835 р. шведський хімік Йонс Якоб Берцеліус (1779-1848).
Одні речовини прискорюють реакції (позитивний каталіз), їх називають каталізаторами. Інші речовини гальмують реакції (негативний каталіз), їх називають інгібіторами. Більшість хімічних реакцій, які відбуваються у природі, є каталітичними. Найбільш відомим і поширеним каталізатором є вода. Живі системи використовують біологічні каталізатори, які мають білкову природу; їх називають ферментами (ензимами).
Розрізняють гомогенний і гетерогенний каталіз.
Гомогенний каталіз відбувається за наявності каталізатора, який перебуває в такому ж агрегатному стані (в одній фазі), що й реагенти (рідкому або газоподібному). Про гетерогенний (контактний) каталіз говорять тоді, коли реагенти і каталізатор перебувають у різних агрегатних станах, тобто у різних фазах (каталізатор зазвичай твердий, а реагенти — рідкі чи газоподібні).
Вважають, що каталізатор утворює з реагентами проміжні сполуки. Наприклад, реакція
А + В = АВ
без каталізатора відбувається дуже повільно. Якщо використати каталізатор К, то він вступить у реакцію з одним з реагентів, утворивши проміжну сполуку АК:
А + К = АК,
яка є значно активнішою за речовину А і легко взаємодіє з речовиною В:
АК + В = АВ + К
Таким чином каталізатор не входить до складу кінцевих продуктів реакції, а отже, його кількість залишається незмінною.
Цей контент створено завдяки Міністерству освіти і науки України