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). Хімічні перетворення 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 перед-
бачати 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, An — зміна кількості речовини, V — об’єм суміші, т — проміжок часу.
Залежність швидкості реакції від різних чинників. На швидкість реакції впливають:
• хімічна природа реагуючих речовин (те, які саме речовини взаємодіють);
• концентрації реагентів (якщо взаємодіють гази або розчинені речовини);
• площа поверхні контакту речовин (у неоднорідних сумішах);
• температура;
• наявність сторонніх речовин (каталізаторів). Сподіваємося, що ви погодитесь із таким твердженням: швидкість реакції 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. 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.
З’ясуємо за допомогою експерименту, як впливають інші чинники на швидкість хімічної реакції.
ЛАБОРАТОРНИЙ ДОСЛІД № 11 Вплив площі поверхні контакту реагентів, концентрації і температури на швидкість реакції цинку з хлоридною кислотою
1. В одну пробірку помістіть гранулу цинку, а в іншу — приблизно 1 г цинкового порошку. У кожну пробірку налийте по 2 мл хлоридної кислоти з масовою часткою хлороводню 10 %. Що спостерігаєте? У якій пробірці газ виділяється більш інтенсивно?
2. У дві пробірки помістіть по гранулі цинку. В одну пробірку налийте 2 мл хлоридної кислоти з масовою часткою хлороводню 10 %, а в іншу — такий самий об’єм хлоридної кислоти з масовою часткою хлороводню 5 %. У якій пробірці реакція проходить із більшою швидкістю?
3. У дві пробірки помістіть по гранулі цинку і налийте по 2 мл хлоридної кислоти з масовою часткою хлороводню 5 %. Вміст однієї пробірки нагрійте, але не до кипіння. Порівняйте швидкості реакції в обох пробірках.
Виконавши лабораторний дослід, ви з’ясували, що реакція кислоти з подрібненим металом (порошком) відбувається швидше, ніж із металом у компактному стані (гранулою). Згідно з йонно-молекулярним рівнянням
у реакції беруть участь атоми Цинку і катіони Гідрогену. Взаємодіяти з йонами Н+ можуть лише атоми Цинку, які перебувають на поверхні металу. Оскільки загальна площа поверхні
часточок порошку значно перевищує площу поверхні гранули, подрібнений цинк швидше взаємодіє з кислотою.
Швидкість реакції зі збільшенням площі поверхні контакту реагентів зростає.
Ви також виявили, що швидкість реакції цинку з хлоридною кислотою залежить від концентрації хлороводню в розчині. Зі збільшенням концентрації реагенту зростає кількість його частинок (атомів, молекул, йонів) у реакційній суміші та кількість їх зіткнень із частинками іншого реагенту, а це приводить до більш активної взаємодії речовин (мал. 35).
Швидкість реакції зі збільшенням концентрації реагенту зростає.
Під час хімічної реакції вихідні речовини витрачаються; їхні концентрації зменшуються. Тому реакція з часом уповільнюється.
Із проведеного лабораторного досліду випливає ще один висновок:
швидкість реакції з підвищенням температури зростає.
Вплив температури на перебіг реакції можна пояснити так. При нагріванні рідини,
газу або розчину збільшується швидкість руху частинок речовин, а при нагріванні твердої речовини — інтенсивність коливань частинок у ній. Унаслідок цього кількість зіткнень частинок реагентів зростає, що приводить до збільшення швидкості реакції.
Швидкість деяких реакцій або можливість їх перебігу залежить від наявності каталізатора. Вам відомо, що каталізатор — речовина, яка прискорює реакцію або спричиняє її перебіг, залишаючись після реакції незмінною.
Гідроген пероксид Н2О2 в розбавленому водному розчині1 дуже повільно й непомітно розкладається згідно з рівнянням
При додаванні в розчин цієї сполуки порошку манган(^) оксиду відразу починається бурхливе виділення кисню (мал. 36). Ви це спостерігали, добуваючи кисень під час практичної роботи в 7 класі.
Формулу каталізатора записують у хімічному рівнянні над знаком рівності:
Мал. 36.
Розклад гідроген пероксиду в розчині за наявності каталізатора
Прискорюють розклад гідроген пероксиду солі деяких елементів. У цьому можна переко-
натися, якщо додати бурий розчин ферум(Ш) хлориду до розчину гідроген пероксиду. Починається інтенсивне виділення газу, а забарвлення рідини не змінюється протягом усього досліду (мал. 37). Отже, сіль Феруму під час розкладу гідроген пероксиду не витрачається (як, до речі, і манган(^) оксид).
Мал. 37.
Розклад
гідроген
пероксиду
за наявності
ферум(Ш)
хлориду
Каталізатором у деяких реакціях є вода. Якщо змішати порошки алюмінію і йоду, то жодних змін не відбудеться. Додавання краплі води до суміші спричиняє бурхливу реакцію між простими речовинами (мал. 38):
Вплив каталізатора на перебіг хімічних реакцій пояснюється тим, що він взаємодіє з одним із реагентів. При цьому витрачається менше енергії, ніж у реакції між реагентами. Нестійка
Мал. 38.
Взаємодія алюмінію з йодом
сполука, яка утворюється, одразу взаємодіє з іншим реагентом, а каталізатор вивільнюється.
Участь каталізатора K у реакції між речовинами А і В
можна умовно подати так:
Значення каталізаторів для сучасної промисловості й техніки вагоме. За участю цих речовин 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 дізнаєтесь 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 невеликі кількості речовин-консерван-тів, 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, площі поверхні контакту реагентів (у неоднорідних сумішах), із підвищенням температури.
Речовину, яка прискорює реакцію або спричиняє її перебіг, 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.
129. Наведіть приклади хімічних реакцій у природі, які відбуваються:
а) надзвичайно повільно;
б) із помітною швидкістю.
130. З якими реакціями, що мають різну швидкість, ви стикаєтесь у повсякденному житті?
131. Від яких чинників залежить швидкість хімічної реакції:
а) в однорідній суміші речовин (рідкій, газуватій);
б) у неоднорідній суміші?
132. У якій суміші — однорідній чи неоднорідній — швидкість реакції залежить від площі поверхні контакту реагентів? Відповідь поясніть.
133. Назвіть чинники, які впливають на швидкість таких реакцій:
134. Ви отримали завдання — добути кальцій оксид із крейди. Напишіть відповідне хімічне рівняння. Які умови потрібно створити, щоб швидкість цієї реакції була максимальною?
135. Які речовини називають каталізаторами?
136. Окиснення жирів у лабораторних умовах відбувається за температури понад 450 °С, а в організмі людини — за температури тіла. Як це можна пояснити?
137. Каталізатором реакції чадного газу з киснем за підвищеної температури може слугувати водяна пара. Складіть рівняння реакції між цими газами, а також рівняння двох інших реакцій — за участю каталізатора та з його утворенням.
ДЛЯ ДОПИТЛИВИХ
Про умови зберігання харчових продуктів
Майже кожний харчовий продукт, особливо той, який перебуває на повітрі за звичайних умов, швидко псується. Причина — взаємодія речовин, що містяться в продукті, між собою і з речовинами довкілля — киснем, водою тощо. Таким реакціям бажано запобігати або хоча б уповільнювати їх.
Найпростіший шлях — ізолювати продукти від навколишнього середовища. Для цього їх загортають у папір, полімерну плівку, алюмінієву фольгу, герметично упаковують, а іноді з упаковки ще й видаляють повітря, створюючи вакуум (мал. 39, а).
Вам відомо, що швидкість хімічної реакції залежить від температури. У спеку вже за дві-три години їжа стає непридатною для вживання. Значно довше продукти зберігаються в охолодженому або замороженому стані. Останній спосіб зберігання найчастіше використовують для м'яса, риби (мал. 39, б), деяких фруктів і ягід.
Оскільки швидкість реакцій зростає зі збільшенням поверхні контакту речовин, чимало продуктів брикетують (мал. 39, в).
Більшість реакцій у неоднорідних сумішах відбувається значно повільніше, ніж в однорідних, тобто розчинах. Тому терміни зберігання сухого молока, твердих кулінарних сумішей у десятки і сотні разів перевищують терміни зберігання свіжого молока, рідких супів. Борошно і крупи зберігаються тим довше, чим менша їхня вологість.
Це матеріал з підручника Хімія 9 клас Попель, Крикля