У цьому параграфі ви дізнаєтеся:
• що таке швидкість хімічної реакції;
• від яких факторів вона залежить;
• якому закону вона підпорядковується.
Що таке хімічна кінетика. Одним з основних параметрів будь-яких хімічних процесів є швидкість, з якою ці процеси відбуваються.
Учення про швидкість хімічних реакцій називають хімічною кінетикою.
Основне поняття в хімічній кінетиці:
швидкість хімічної реакції — фізична величина, що визначається зміною концентрацій реагуючих речовин за одиницю часу.
Швидкість хімічної реакції позначають V та вимірюють у моль/л -с або моль- л-1 -с-1.
Середню швидкість реакції ^ер в інтервалі часу від t1 до t2 визначають співвідношенням
де С1 і С2 — молярна концентрація будь-якого учасника реакції (моль/л) у моменти часу t1 і t2 відповідно (с).
Знак «-» перед дробом належить до концентрації вихідних речовин, оскільки їхня концентрація в процесі реакції зменшується: АС < 0; знак «+» — до концентрації продуктів реакції, оскільки їхня концентрація в процесі реакції збільшується: АС > 0.
Основні фактори, що впливають на швидкість хімічної реакції:
• природа речовин, що реагують;
• їхня концентрація;
• тиск (якщо в реакції беруть участь газоподібні речовини);
• температура;
• наявність каталізатора;
• площа поверхні розділу фаз (для гетерогенних реакцій, тобто реакцій, у яких беруть участь речовини, що утворюють неоднорідну суміш).
Рис. 31. Вплив концентрації реагентів (за даної температури): а — концентрація низька; б — концентрація висока
Гомогенною називають систему, яка складається з однієї фази (наприклад, розчин цукру у воді), гетерогенною — систему, що складається з декількох фаз. Наприклад, у результаті реакції
випадає осад — система стає гетерогенною.
Фаза — це частина системи, яка відрізняється за своїми фізичними або хімічними властивостями від інших її частин і відділена від них поверхнею розділу, у разі переходу через яку властивості системи різко змінюються.
Закон діючих мас. Хімічні реакції відбуваються внаслідок того, що мікрочастинки (атоми, йони, молекули) речовин стикаються одна з одною. З одного боку, що частіше відбуваються зіткнення цих частинок в одиниці об’єму розчину або газової суміші, то з більшою швидкістю відбувається будь-яка хімічна реакція. З другого — частота зіткнень, а отже, і швидкість реакції залежать від концентрації речовин: що більше атомів, йонів або молекул реагентів в одиниці об’єму реакційного середовища, то більша кількість їхніх зіткнень (рис. 31).
Вплив концентрації реагентів на швидкість хімічної реакції виражає основний закон хімічної кінетики — закон діючих мас: швидкість хімічних реакцій за постійної температури прямо пропорційна добутку концентрацій речовин, що реагують, у степенях їхніх стехіометричних коефіцієнтів у рівняннях реакцій.
Зі зменшенням концентрацій вихідних речовин швидкість будь-якої реакції спадає (рис. 32).
Для реакції, яка відбувається згідно з рівнянням
математично закон діючих мас можна описати таким кінетичним рівнянням:
Рис. 32. Залежність концентрації вихідної речовини від часу перебігу реакції
де V — швидкість реакції, моль/л'с; k — коефіцієнт пропорційності;
C(A) і C(B) — молярні концентрації речовин A і B, моль/л; а і b — стехіометричні коефіцієнти при реагентах у рівнянні реакції.
У випадку гетерогенних реакцій у вираз швидкості реакції входять концентрації тільки тих речовин, які перебувають у газовій фазі або розчині.
Коефіцієнт пропорційності k називають константою швидкості хімічної реакції, яка чисельно дорівнює швидкості реакції, якщо концентрації речовин, що реагують, дорівнюють одиниці.
Константа швидкості k залежить від температури та природи речовин, які реагують, і не залежить від їхньої концентрації.
У вираз для швидкості гетерогенних реакцій входять лише концентрації тих речовин, які перебувають у газоподібному або розчиненому стані.
У випадку гомогенної реакції, наприклад:
закон діючих мас можна описати так:
Якщо ж реакція є гетерогенною:
то математичний вираз закону діючих мас матиме такий вигляд:
Демонстраційний дослід
Залежність швидкості хімічної реакції від концентрації речовин
Беруть чотири сухі чисті пробірки й нумерують. У пробірку 2 наливають 2 мл води, у пробірку 3 — 3 мл, у пробірку 4 — 4 мл води. У пробірці 1 буде 0 мл води. У всі пробірки додають по 6 мл розчину сульфатної кислоти концентрацією 1 моль/л. Скляною паличкою перемішують одержані розчини в пробірках 2-4. Поміщають їх на деякий час у скляний хімічний стакан з водою для вирівнювання температури вмісту кожної пробірки. Зважують на папірцях по 0,1 г порошкоподібного купрум(ІІ) оксиду. Висипають порцію купрум(ІІ) оксиду в пробірку 1, вмикають секундомір і, перемішуючи вміст пробірки скляною паличкою, фіксують час (t) появи ледь помітного блакитно-синього забарвлення розчину.
Виконують аналогічні досліди в інших трьох пробірках.
На основі одержаних даних можна обчислити швидкість реакції за
формулою
і концентрацію отриманих розчинів за формулою
де a — об’єм розчину H2SO4 (він однаковий у всіх дослідах
і дорівнює 6 мл); b — об’єм води, який залежно від номера пробірки 1,2, 3,
4 дорівнює відповідно 0, 2, 3 і 4 мл.
Основні поняття. Хімічна кінетика. Швидкість хімічної реакції.
Константа швидкості хімічної реакції. Закон діючих мас.
Запитання та завдання
1. Що розуміють під поняттям «швидкість хімічної реакції»?
Як її позначають і в яких одиницях виражають?
2. Які фактори, що впливають на швидкість хімічних реакцій, відносять до основних?
3. Завдяки яким факторам під час зіткнення частинок речовин між ними відбувається хімічна реакція?
4. Яким законом хімічної кінетики виражають вплив концентрації реагентів на швидкість хімічної реакції між ними?
5. Як обчислюють швидкість хімічної реакції за постійної температури?
6. Від яких факторів залежить константа швидкості хімічної реакції?
*7. За даними демонстраційного досліду складіть рівняння реакції,
обчисліть масову частку речовин у використаних розчинах і швидкість реакції в кожному з них. Побудуйте на міліметровому папері графік залежності швидкості реакції (вісь ординат) від концентрації реагенту (вісь абсцис). Зробіть висновки.
Це матеріал з підручника Хімія 9 клас Бутенко (поглиблений рівень)