Підготовка до ЗНО (Хімія)

Швидкість хімічних реакцій, чинники, що впливають на швидкість хімічних процесів: каталіз і каталізатори

Поняття про швидкість хімічної реакції. Фізичний зміст поняття швидкості вам відомий. У фізиці це поняття означає шлях, пройдений тілом за одиницю часу. А що означає швидкість у хімії?

Швидкість у хімії означає тривалість перетворення одних речовин на інші. Пригадайте, що перетворення лугу й кислоти на сіль і воду відбувається миттєво. Щоб добути сіль і воду взаємодією купрум(II) оксиду із розбавленою сульфатною кислотою, потрібно кілька хвилин. Срібні вироби з часом тьмяніють, бо на повітрі відбувається окиснення срібла киснем. Тривалість цієї взаємодії за кімнатної температури обчислюється місяцями.

Перебіг хімічних явищ характеризується великою різницею у часі. Щоб знати точно, а не приблизно, скільки часу триває перетворення одних речовин на інші та наскільки швидко воно закінчується, введено поняття швидкість хімічної реакції (як у фізиці, позначається латинською літерою V).

Швидкість хімічної реакції пов'язують із кількістю речови¬ни реагенту, що прореагував, чи кількістю продукту реакції, що утворився за одиницю часу в певному об'ємі реакційного простору. Якщо всі реагенти перебувають у розчиненому

стані, то обчислення здійснюють на 1 л розчину, кількість ре¬човини виражають у молях, а час — у секундах.

Наприклад, до реакції вміст одного з реагентів становив 5 моль в 1 літрі розчину. Це можна записати 5 моль/л (читається моль на літр). Через 6 с його взаємодії з іншим реагентом вміст реагенту дорівнював 2 моль/л. За наведеними даними з'ясу¬ємо, яка кількість реагенту з розрахунку на 1 л розчину витра¬чалася за 1 с. Для цього:

1) обчислимо зміну кількості речовини за вказаний

проміжок часу:

5 моль - 2 моль = 3 моль;

2) поділимо знайдену кількість речовини на час перебігу

реакції, тобто на 6 секунд:

З моль/л : 6 с = 0,5 моль/л • с.

Знайдена частка від ділення показує, що віл реакційної суміші щосекунди витрачалося 0,5 моль речовини.

Слід зазначити, що, крім масової частки розчиненої речови¬ни в розчині, її вміст можна виражати концентрацією. Так, молярна концентрація показує, скільки молів розчиненої речо¬вини міститься в 1л розчину, і має одиницю вимірювання моль/л. Зверніть увагу, що в наведеному прикладі вміст роз¬чиненої речовини також був виражений у цих одиницях. Тобто від самого початку йшлося про молярну концентрацію речови¬ни. На підставі цього сформулюємо визначення швидкості хімічної реакції:

Швидкість хімічної реакції — це зміна концентрації одно¬го з реагентів чи одного з продуктів реакції за одиницю часу при незмінному об'ємі гомогенної системи, що складається з реагентів та продуктів їх взаємодії.

Гомогенність (однорідність) хімічної реакції як системи вказує, що взаємодія відбувається в усьому об'ємі одночасно. Для обчислення швидкості такої хімічної реакції треба зміну концентрації речовин, виражену в моль/л, поділити на час у секундах, протягом якого ця зміна відбувалася.

Відповідно до цього робимо висновок:

Для визначення швидкості гомогенної хімічної реакції потрібні дані про кількість речовини реагенту, що витра¬тився, чи кількість речовини продукту реакції, що утво¬рився за час її проведення, виражені в моль/л, та трива¬лість хімічної реакції, обчислену в секундах.

Вплив деяких чинників на швидкість хімічної реакції. По¬няття концентрація характеризує вміст розчиненої речовини в розчині, тому це поняття не вживають стосовно речовин, що пе¬ребувають у твердому агрегатному стані, — для них визначаль¬ним чинником швидкості реакції є площа поверхні реагенту.

Вплив площі контакту реагентів на швидкість хімічної реакції. Для твердих речовин швидкість хімічної реакції залежить від загальної площі взаємодії реагентів: чим більша поверхня зіткнення реагентів, тим швидше відбувається взаємодія.

Про вплив температури на швидкість хімічної реакції свідчать такі дані щодо реакції між воднем і киснем з утворен¬ням води. За кімнатної температури швидкість реакції настільки мала, що реакція практично не відбувається. За тем¬ператури +500 °С реакція триває 50 хв, за температури + 700 °С — відбувається миттєво. Пригадайте, що під час нагрівання виділення водню у реакції заліза з кислотою відбу¬вається набагато швидше, ніж без нагрівання.

Вплив природи речовин на швидкість хімічної реакції. Неабиякий вплив на швидкість хімічної реакції має також природа речовин. Пригадаємо та проведемо дослід, який вико¬нували у 8 класі під час вивчення хімічних властивостей кислот, а саме, їх взаємодію з різними металами.

Перевіримо залежність швидкості реакції металів з кисло¬тою від природи металу дослідним шляхом.

Каталізатори прискорюють швидкість каталітичних ре¬акцій (реакцій, що відбуваються за наявності каталізатора).

У деяких випадках на швидкість хімічної реакції впливає інтенсивність освітлення суміші реагуючих речовин. У темряві, наприклад, метан взаємодіє з хлором повільно. Якщо ж реакційну суміш помістити під пряме сонячне світло, реакція відбуватиметься настільки швидко, що станеться вибух.

Теоретичними обчисленнями та експериментальним шляхом добирають концентрацію, температуру, площу взаємодії твердих речовин, у разі необхідності — каталізатор. Це необхідно для того, щоб хімічна реакція відбувалася з до¬статньою швидкістю та щоб унеможливити самовільне зупинен¬ня реакції чи занадто швидкий вибухонебезпечний перебіг хімічного процесу. Потім вирішують, як відвести зайву кількість теплоти, як збільшити площу зіткнення реагентів тощо. Ці питання настільки важливі, що ними займається окре¬мий розділ хімії, який називають хімічною кінетикою.

Знання про швидкість хімічної реакції корисні і в повсяк¬денному житті людини. Так, встановлено, що з нагріванням на кожні 10 °С швидкість реакції збільшується в 2—4 рази. Знаю¬чи це, неважко підрахувати, у скільки разів збільшується швидкість взаємодії речовин прального порошку з брудом на білизні під час нагрівання, та зрозуміти, чому багато виробів із тканин, і насамперед постільну білизну, перуть за температури 80—100 °С.

Далекі від знань про хімічну кінетику, люди здавна користу¬валися її закономірностями: щоб швидше «підходило» тісто, по¬судину з ним ставили у тепле місце, а щоб довше зберегти моло¬ко свіжим, тримали його в холодному місці чи ставили глечик з молоком у холодну воду. Домоткане полотно ваші прабабусі вибілювали на сонці, періодично намочуючи його у воді тощо.