Хімія. 9 клас. Ярошенко

§ 22. Швидкість хімічної реакції. Залежність швидкості хімічної реакції від різних чинників

Опанувавши матеріал параграфа, ви зможете:

  • зрозуміти суть поняття швидкість хімічної реакції;
  • характеризувати вплив різних чинників на швидкість хімічної реакції;
  • розвивати вміння проводити хімічний експеримент;
  • прогнозувати зміну швидкості хімічної реакції під впливом певного чинника.

ПОНЯТТЯ ШВИДКОСТІ ХІМІЧНОЇ РЕАКЦІЇ. Фізичний зміст швидкості руху тіла вам відомий з фізики. Швидкість руху тіла в просторі вимірюється зміною відстані за одиницю часу. А що означає швидкість у хімії?

Перетворення лугу й кислоти на сіль і воду відбувається миттєво. Щоб добути сіль і воду взаємодією купрум(ІІ) оксиду з розбавленою сульфатною кислотою, потрібно кілька хвилин. Срібні й мідні вироби із часом тьмяніють, бо на повітрі відбувається окиснення цих металів киснем, яке за кімнатної температури триває місяцями. Ці та деякі інші приклади хімічних явищ різної тривалості ви знайдете на малюнку 28.

Мал. 28. Різні за тривалістю хімічні явища

Як бачимо, перебіг хімічних явищ характеризується різною тривалістю в часі. І весь цей час кількість речовини реагентів та продуктів реакції змінюється. На початку реакції кількість реагентів найбільша, але під час реакції поступово зменшується та наближається до нуля. Кількість речовини продуктів реакції, навпаки, дорівнює нулю на початку реакції, а в процесі реакції збільшується.

Щоб характеризувати описані зміни кількісно, введено поняття швидкість хімічної реакції. Позначається латинською літерою v (аналогічно до швидкості у фізиці).

Швидкість хімічної реакції визначають за зміною кількості речовини 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 об'єм розчину виражають у літрах, кількість речовини — у молях, а час — у секундах.

Наприклад, до реакції вміст одного з реагентів становив 5 моль в 1 л розчину. Це можна записати 5 моль/л (читається «моль на літр»). Через 6 с взаємодії з іншим реагентом його вміст дорівнював 2 моль/л. За цими даними з'ясуємо, яка кількість реагенту з розрахунку на 1 л розчину взаємодіяла упродовж 1 с. Для цього виконаємо такі дії:

1) обчислимо зміну кількості речовини за вказаний проміжок часу в одиниці об'єму — 1 літрі:

Δν = 5 моль - 2 моль = 3 моль;

2) обчислимо швидкість реакції, для цього поділимо знайдену зміну кількості речовини в 1 літрі на час перебігу реакції, тобто на 6 секунд:

ν = 3 моль/л : 6 с = 0,5 моль/л · с.

Одержана частка показує, що в 1 л реакційної суміші щосекунди витрачалося 0,5 моль речовини.

Швидкість хімічної реакції — це зміна концентрації одного з реагентів чи продуктів реакції за одиницю часу при незмінному об'ємі реакційної суміші. Концентрацію прийнято виражати числом молів речовини в 1 л реакційної суміші, а час — у секундах.

З можливих одиниць вимірювання швидкості хімічної реакції (моль/ дм3, моль/см3, моль/л, моль/мл) найуживанішою є моль/л.

ВПЛИВ АКТИВНОСТІ РЕАГЕНТІВ ТА ЇХНЬОЇ КОНЦЕНТРАЦІЇ НА ШВИДКІСТЬ ХІМІЧНОЇ РЕАКЦІЇ. Спершу поспостерігайте за дослідом, який демонструє вчитель.

Демонстраційний дослід. Залежність швидкості реакції металів із хлоридною кислотою від активності металу та концентрації кислоти.

Дослідним шляхом з'ясуємо, як деякі чинники впливають на швидкість хімічних реакцій. Для проведення досліду у три пробірки помістимо однакову кількість гранул цинку, магнію й заліза приблизно однакового діаметра та доллємо по 2 мл хлоридної кислоти (мал. 29). Спостерігатимемо, як у всіх пробірках майже відразу розпочинаються хімічні реакції, про що свідчить спершу поява пухирців газоподібної речовини на поверхні металевих гранул, а потім їх більш інтенсивне виділення.

1) Zn + H2SO4= ZnSO4 + H2

2) Mg + H2SO4 = MgSO4 + Н2

3) Fe + H2SO4 = FeSO4 + H2

Мал. 29. Вплив активності металів на швидкість хімічних реакцій з кислотою

Результати спостереження свідчать про те, що реакції відбуваються з неоднаковою швидкістю. Найбільша швидкість у реакції 2, найменша — у реакції 3. Це можна записати як v2 > v1 > v3.

Розбавимо вміст кожної пробірки водою вдвічі. Будемо спостерігати зменшення швидкості кожної хімічної реакції. Тобто в усіх пробірках швидкість хімічної реакції зменшилася, проте загальна тенденція v2 > v1 > v3 збереглася. Отже, після зменшення концентрації хлоридної кислоти з найбільшою швидкістю вона взаємодіє з магнієм, а з найменшою — із залізом.

Зменшення концентрації кислоти сповільнює швидкість її взаємодії з металами, але активності металів не змінює.

Попрацюйте групами

1. Знайдіть у витискувальному ряді металів ті метали, з якими було проведено дослід. Чи підтверджують результати досліду місце цих металів у витискувальному ряді?

2. На підставі положення металів у витискувальному ряді спрогнозуйте, який з металів кожної пари за однакових умов буде взаємодіяти з розбавленою сульфатною кислотою з більшою швидкістю: а) свинець і нікель; б) цинк й олово.

3. Виконайте лабораторний дослід 10 (інструкція з проведення міститься в рубриці «Хімія — це життя: сторінка природодослідника»). З'ясуйте вплив концентрації речовин і температури на швидкість хімічної реакції.

Хімія — це життя: сторінка природодослідника

Лабораторний дослід 10

Вплив концентрації й температури на швидкість реакції цинку з хлоридною кислотою

Для проведення досліду знадобляться: гранули цинку, цинкові ошурки (цинк можна замінити залізом), вода, хлоридна кислота, пробірки, штатив для пробірок, нагрівальний прилад.

Завдання 1. Дослідіть вплив концентрації речовини на швидкість хімічної реакції.

У дві пробірки налийте по 1 мл хлоридної кислоти. Одну з порцій розбавте водою вдвічі. У кожну з пробірок (обережно!) помістіть по гранулі цинку та спостерігайте за швидкістю реакцій в обох пробірках. За результатами спостереження зробіть висновок про вплив концентрації хлоридної кислоти на швидкість хімічної реакції.

Завдання 2. Дослідіть вплив температури на швидкість хімічної реакції.

Скористайтеся пробіркою з попереднього досліду, в якій відбувається взаємодія цинку з розбавленою хлоридною кислотою, та нагрійте її. Як вплинуло нагрівання на перебіг реакції?

Сформулюйте висновок про залежність швидкості хімічної реакції від температури.

Складіть рівняння проведених вами хімічних реакцій.

Результати спостережень і сформульовані вами висновки занотуйте в робочих зошитах.

ТЕМПЕРАТУРА ЯК ЧИННИК ВПЛИВУ НА ШВИДКІСТЬ ХІМІЧНОЇ РЕАКЦІЇ. Окрім проведеної реакції цинку з хлоридною кислотою під час нагрівання та за кімнатної температури, про істотний вплив температури на швидкість хімічної реакції свідчить взаємодія водню з киснем. Так, за кімнатної температури ця реакція практично не відбувається. За температури +500 °С реакція триває 50 хв, за температури +700 °С — відбувається миттєво і з вибухом.

Поясніть, чому температура впливає на швидкість хімічних реакцій.

ВПЛИВ КАТАЛІЗАТОРІВ НА ШВИДКІСТЬ ХІМІЧНОЇ РЕАКЦІЇ. Є ще один чинник збільшення швидкості хімічної реакції, і він вам відомий. Це каталізатори.

Про вплив каталізаторів на хімічні процеси ви довідалися ще в 7 класі під час добування кисню з гідроген пероксиду. Якщо до цієї речовини додати невелику кількість (на кінчику шпателя) манган(IV) оксиду MnO2, швидкість реакції зростає в десятки разів (мал. 30).

Мал. 30. Добування кисню з гідроген пероксиду за участю каталізатора

Пригадайте! Каталізаторами називають речовини, що впливають на перебіг хімічних процесів (прискорюють хімічні реакції), але кількісно в них не витрачаються.

Формулу каталізатора зазначають у рівнянні реакції над знаком рівності.

До речі, пероксид гідроген розкладається самочинно. На світлі цей процес відбувається швидше. Ось чому лікарський препарат «Перекис водню» (розчин з масовою часткою гідроген пероксиду 3 %) потрібно зберігати у скляному посуді темного кольору в захищеному від сонячних променів місці.

Реакції, що відбуваються за участю каталізаторів, називають каталітичними.

Каталітичну дію на хімічні реакції чинять конкретні речовини. Так, каталізаторами можуть бути прості речовини — платина, залізо, нікель, паладій, родій. Прикладами каталізаторів із числа складних речовин є: алюміній оксид, хром(ІІІ) оксид, манган(ІV) оксид, ванадій(V) оксид, ферум(ІІІ) бромід, алюміній хлорид та інші.

Трапляється, що швидкість однієї хімічної реакції збільшується під впливом кількох каталізаторів. Наприклад, реакція розкладу гідроген пероксиду відбувається швидше не лише за наявності манган(IV) оксиду, а й хром(ІІІ) оксиду або ж кобальт(ІІ) оксиду. При використанні каталізатора хром(ІІІ) оксиду можна отримати близько 24 мл кисню за 1 хв, манган(IV) оксиду — 288 мл цього газу, а кобальт(ІІ) оксиду — 480 мл.

Порівняйте ці дані та зробіть висновок, з яким каталізатором швидкість реакції є найбільшою.

Стисло про основне

• Швидкість хімічної реакції — це зміна концентрації реагентів чи продуктів реакції за одиницю часу при незмінному об'ємі гомогенної (однорідної) суміші.

• Хімічні реакції відбуваються з різною швидкістю.

• До чинників, що впливають на швидкість хімічних реакцій, належать: природа (активність) реагентів, концентрація речовин, температура, площа поверхні контакту твердих речовин з іншим реагентом, каталізатори.

• Знання про швидкість хімічних реакцій дають змогу керувати перебігом хімічних процесів у промисловості та побуті.

Знаємо, розуміємо

  • 1. Що розуміють під швидкістю хімічної реакції?
  • 2. Які чинники впливають на швидкість хімічної реакції?
  • 3. Наведіть конкретні приклади впливу різних чинників на швидкість хімічної реакції.
  • 4. Застосуйте набуті знання для пояснення необхідності зберігання деяких продуктів харчування в холодильнику чи погребі.

Застосовуємо

91. Зазначте способи збільшення швидкості хімічної реакції, що відбувається між барій карбонатом і хлоридною кислотою.

  • А подрібнити нерозчинний реагент
  • Б збільшити концентрацію кислоти
  • В зменшити концентрацію кислоти
  • Г знизити температуру

92. Запропонуйте якомога більше способів збільшення швидкості хімічної реакції, що відбувається за рівнянням:

Са + Н2О = Са(ОН)2 + Н2↑; ΔΗ = -109 кДж.

93*. У скільки разів збільшиться швидкість деякої реакції, температурний коефіцієнт якої 4, якщо температуру збільшити на 40 °С?

94*. У якому випадку прання білизни пральним порошком відбудеться швидше: у воді кімнатної температури (приблизно 20 °С) чи в підігрітій до 40 °С? Як зміниться швидкість взаємодії речовин пральної дії з брудом за такого підвищення температури, якщо температурний коефіцієнт становить 2?

Працюємо з медійними джерелами

З різних джерел дізнайтеся більше про наукові досягнення Я.-Х. Вант-Гоффа та з'ясуйте, за яке відкриття він був удостоєний Нобелівської премії.

Сторінка ерудита

У 1884 р. голландський хімік Якоб Хендрик Вант-Гофф вивів математичну залежність швидкості реакції від температури:

при підвищенні температури на кожні 10 °С швидкість реакції збільшується в середньому в 2-4 рази (правило Вант-Гоффа).

Я.-Х. Вант-Гофф був першим ученим, який одержав Нобелівську премію в галузі хімії.

Математично правило Вант-Гоффа передає формула:

де v1 і v2 — швидкості хімічної реакції за температури t1 i t2; γ — температурний коефіцієнт, який показує, у скільки разів збільшується швидкість хімічної реакції з підвищенням температури на 10 °С.

Для прикладу обчислимо, у скільки разів збільшиться швидкість хімічної реакції, якщо речовини, що мали температуру 25 °С, нагріти до 55 °С, а температурний коефіцієнт цієї реакції дорівнює 3.

Відповідь: швидкість реакції збільшиться у 27 разів.

Якщо ж у цій самій реакції продовжити нагрівання й довести його до 75 °С, то швидкість реакції збільшиться у 243 рази. Тепер вам зрозуміло, чому прати постільну білизну краще в гарячій, а не в холодній воді.