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 v_гомог. — 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 v_гетер. — швидкість реакції в гетерогенній системі, моль/м² · с;

Δv = v₁ - v₂ — зміна кількості речовини, моль;

S — площа розділу фаз, м^2;

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 · С^а(А) · С^Б(Б),

де v — швидкість реакції,

С^a(А), С^б(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.