§ 5. Химические реакции. Скорость химической реакции
Химические элементы, из которых состоит живая и неживая природа, находятся в постоянном движении, потому что непрерывно изменяются вещества, которые состоят из этих элементов.
Химические реакции (от лат. реакция — противодействие, отпор) — это ответное действие веществ на воздействие других веществ и физических факторов (температуры, давления, излучения и др.).
Однако такому определению соответствуют также и физические изменения, происходящие с веществами, — кипение, плавление, конденсация и др. Поэтому необходимо уточнить, что химические реакции — это процессы, в результате которых разрушаются старые химические связи и возникают новые и, как следствие, — из исходных веществ образуются новые вещества.
Химические реакции непрерывно происходят как внутри нашего организма, так и в окружающем нас мире. Бесчисленное множество реакций принято классифицировать по различным признакам. Давайте вспомним из курса 8 класса признаки, с которыми вы уже знакомы. Для этого обратимся к лабораторному опыту.
Лабораторный опыт № 3
Замещение железом меди в растворе сульфата меди (II)
Налейте в пробирку 2 мл раствора сульфата меди (II) и поместите в него канцелярскую кнопку или скрепку. Что наблюдаете? Запишите уравнения реакции в молекулярной и ионной формах. Рассмотрите окислительно-восстановительные процессы. На основе молекулярного уравнения отнесите эту реакцию к той или иной группе реакций на основании следующих признаков:
«число и состав исходных веществ и продуктов реакции» (как вы наверняка помните, по этому признаку различают реакции соединения, разложения, замещения и обмена, в том числе реакции нейтрализации);
«направление» (напомним, что по этому признаку реакции делят на две группы: обратимые и необратимые);
«тепловой эффект» (различают реакции эндо- и экзотермические, в том числе реакции горения);
«изменение степеней окисления элементов, образующих вещества, участвующие в реакции» (окислительно-восстановительные и без изменения степеней окисления);
«агрегатное состояние реагирующих веществ» (гомогенные и гетерогенные);
«участие катализатора» (некаталитические и каталитические, в том числе ферментативные).
Теперь проверьте себя.
CuSO4 + Fe = FeSO4 + Сu.
Это реакция замещения, так как из исходных простого и сложного веществ образуются новое простое и новое сложное вещества.
Эта реакция необратимая, так как протекает только в одном направлении.
Эта реакция, вероятно, экзотермическая, т. е. протекает с незначительным выделением теплоты (такой вывод вы можете сделать на основании того, что для протекания этой реакции не требуется нагревания содержимого пробирки).
Это окислительно-восстановительная реакция, так как свои степени окисления изменили медь и железо:
(окислитель) Cu2+ + 2ё → Сu0 (восстановление)
(восстановитель) Fe0 - 2ё → Fe2+ (окисление)
Эта реакция гетерогенная, так как протекает между твёрдым веществом и раствором.
Реакция протекает без участия катализатора — некаталитическая.
{Вспомните из курса 8 класса, какие вещества называются катализаторами. Верно, это вещества, которые ускоряют химическую реакцию.)
Мы подошли к очень важному понятию в химии — «скорость химической реакции». Известно, что одни химические реакции протекают очень быстро, другие — за значительные промежутки времени. При добавлении раствора нитрата серебра к раствору хлорида натрия практически мгновенно выпадает белый творожистый осадок:
AgNO3 + NaCl = NaNO3 + AgCl↓.
С огромными скоростями протекают реакции, сопровождающиеся взрывом (рис. 11, 1). Наоборот, медленно растут в каменных пещерах сталактиты и сталагмиты (рис. 11, 2), корродируют (ржавеют) стальные изделия (рис. 11, 3), разрушаются под действием кислотных дождей дворцы и статуи (рис. 11, 4).
Рис. 11. Химические реакции, протекающие с огромными скоростями (1) и очень медленно (2—4)
Под скоростью химической реакции понимают изменение концентрации реагирующих веществ в единицу времени:
Vp = C1 — C2/t.
В свою очередь, под концентрацией понимают отношение количества вещества (как вы знаете, оно измеряется в молях) к объёму, которое оно занимает (в литрах). Отсюда нетрудно вывести единицу измерения скорости химической реакции — 1 моль/(л • с).
Изучает скорость химической реакции особый раздел химии, который называют химической кинетикой.
Знание её закономерностей позволяет управлять химической реакцией, заставляя её протекать быстрее или медленнее.
От каких же факторов зависит скорость химической реакции?
1. Природа реагирующих веществ. Обратимся к эксперименту.
Лабораторный опыт № 4
Зависимость скорости химической реакции от природы реагирующих веществ на примере взаимодействия кислот с металлами
Налейте в две пробирки по 1—2 мл соляной кислоты и поместите: в 1-ю — гранулу цинка, во 2-ю — кусочек железа такого же размера. Природа какого реагента оказывает влияние на скорость взаимодействия кислоты с металлом? Почему? Запишите уравнения реакций в молекулярной и ионной формах. Рассмотрите их с позиции окисления-восстановления.
Далее поместите в две другие пробирки по одинаковой грануле цинка и прилейте к ним растворы кислот одинаковой концентрации: в 1-ю — соляной кислоты, во 2-ю — уксусной. Природа какого реагента оказывает влияние на скорость взаимодействия кислоты с металлом? Почему? Запишите уравнения реакций в молекулярной и ионной формах. Рассмотрите их с позиции окисления-восстановления.
2. Концентрация реагирующих веществ. Обратимся к эксперименту.
Лабораторный опыт № 5
Зависимость скорости химической реакции от концентрации реагирующих веществ на примере взаимодействия цинка с соляной кислотой различной концентрации
Налейте в три пробирки соляную кислоту: в 1-ю пробирку 3 мл, во 2-ю — 2 мл, в 3-ю — 1 мл. Затем добавьте во 2-ю пробирку 1 мл воды, а в 3-ю — 2 мл. Следовательно, в пробирках одинаковые объёмы раствора кислоты, которые, однако, будут отличаться концентрацией. В какой из пробирок концентрация кислоты выше, а в какой — ниже? Поместите в каждую пробирку по грануле цинка. В какой из пробирок выделения водорода происходит интенсивнее? Почему?
Нетрудно сделать вывод: чем выше концентрация реагирующих веществ, тем выше и скорость взаимодействия между ними.
Концентрацию газообразных веществ для гомогенных производственных процессов повышают, увеличивая давление. Например, так поступают при производстве серной кислоты, аммиака, этилового спирта.
Фактор зависимости скорости химической реакции от концентрации реагирующих веществ учитывается не только на производстве, но и в других областях жизнедеятельности человека, например в медицине. Больным с заболеваниями лёгких, у которых скорость взаимодействия гемоглобина крови с кислородом воздуха низкая, облегчают дыхание с помощью кислородных подушек.
3. Площадь соприкосновения реагирующих веществ. Эксперимент, иллюстрирующий зависимость скорости химической реакции от этого фактора, может быть выполнен с помощью следующего опыта.
Лабораторный опыт № 6
Зависимость скорости химической реакции от площади соприкосновения реагирующих веществ
Налейте в две пробирки по 1 мл соляной кислоты и поместите: в 1-ю — гранулу цинка (или кусочек мрамора), во 2-ю — порошок цинка (или мраморную крошку). В какой из пробирок скорость выделения газа выше? Почему?
Для гетерогенных реакций: чем больше площадь соприкосновения реагирующих веществ, тем выше скорость реакции.
В этом вы могли убедиться на личном опыте. Чтобы разжечь костёр, вы под дрова подкладывали мелкие щепочки, а под них — скомканную бумагу, от которой и загорался весь костёр. Наоборот, тушение пожара водой заключается в уменьшении площади соприкосновения горящих предметов с воздухом.
На производстве этот фактор учитывают специально, используют так называемый кипящий слой. Твёрдое вещество для повышения скорости реакции измельчают почти до состояния пыли, а затем через него пропускают снизу второе вещество, как правило газообразное. Прохождение его через мелкораздробленное твёрдое вещество создаёт эффект кипения (отсюда и название метода). Кипящий слой используется, например, при производстве серной кислоты и нефтепродуктов.
Лабораторный опыт № 7
Моделирование «кипящего слоя»
Смоделируйте «кипящий слой». Для этого на кольце лабораторного штатива закрепите кусочек сетчатой ткани. Насыпьте на неё 1—2 столовые ложки манной крупы. Снизу осторожно продувайте воздух с помощью резиновой груши или насоса. Что наблюдаете?
4. Температура. Обратимся к эксперименту.
Лабораторный опыт № 8
Зависимость скорости химической реакции от температуры реагирующих веществ на примере взаимодействия оксида меди (II) с раствором серной кислоты различной температуры
В две пробирки с помощью шпателя насыпьте немного чёрного порошка оксида меди (II) и прилейте в каждую по 3—4 мл раствора серной кислоты. Одну пробирку поместите в стакан с горячей водой, другую нагрейте на пламени спиртовки (используйте пробиркодержатель). Что наблюдаете? Объясните результаты наблюдений. Запишите уравнение реакции в молекулярной и ионной формах.
Нетрудно сделать вывод: чем выше температура, тем больше скорость реакции.
Первый лауреат Нобелевской премии голландский химик Я. X. Вант-Гофф сформулировал правило:
при повышении температуры на каждые 10 °С скорость химической реакции возрастает в 2—4 раза (эта величина называется температурным коэффициентом).
На производстве используются, как правило, высокотемпературные химические процессы: при выплавке чугуна и стали, варке стекла и мыла, производстве бумаги и нефтепродуктов и т. д. (рис. 12).
Пятый фактор, от которого зависит скорость химической реакции, — катализаторы. С ним вы познакомитесь в следующем параграфе.
Новые слова и понятия
Химические реакции и их классификация.
Признаки классификации химических реакций.
Скорость химической реакции и факторы, от которых она зависит.
Задания для самостоятельной работы
Что такое химическая реакция? В чём суть химических процессов?
Дайте полную классификационную характеристику следующих химических процессов:
а) горению фосфора;
б) взаимодействию раствора серной кислоты с алюминием;
в) реакции нейтрализации;
г) образованию оксида азота (IV) из оксида азота (II) и кислорода.
На основе личного опыта приведите примеры химических реакций, протекающих с различной скоростью.
Что такое скорость химической реакции? От каких факторов она зависит?
Приведите примеры влияния различных факторов на биохимические и производственные химические процессы.
На основе личного опыта приведите примеры влияния различных факторов на химические реакции, протекающие в повседневной жизни.
Почему продукты питания хранят в холодильнике?
Химическую реакцию начали проводить при температуре 100 °С, затем подняли до 150 °С. Температурный коэффициент этой реакции равен 2. Во сколько раз возрастёт скорость химической реакции?
