РАЙОННА НАУКОВА КОНФЕРЕНЦІЯ МОЛОДИХ ДОСЛІДНИКІВ «КРОК У МАЙБУТНЄ»
Швидкість хімічної реакції
р. Заводоуковск, 2008
Введення
Навколо нас постійно відбуваються тисячі хімічних реакцій. Горить багаття і горить газ у конфорці газової плити, іржавіє залізо, молоко перетворюється в сир, на фотоплівці виникають зображення.
Відомо, що одні хімічні реакції протікають за малі частки секунди, інші ж за хвилини, години, дні. Деякі протікають так швидко, що за ними не встежиш. Ось ми запалюємо сірник. Чирк! Запалюється від тертя об коробку фосфор, що входить до складу сірникової голівки, миттєво з'являється полум'я. Хімічна реакція зайняла частки секунди. Дрова в багатті теж згорають дуже швидко. А перетворення деревини доісторичних велетенських дерев на кам'яне вугілля тривало мільйони років. Вибух суміші кисню з воднем відбувається практично миттєво, а перетворення графіту в алмаз в надрах Землі - дуже повільна реакція. З відомих на сьогоднішній день реакцій найшвидша протікає в 10 40 разів швидше, ніж сама повільна. При цьому не можна обмежуватися суто якісними реакціями, міркувати про «швидкі» і «повільних» реакціях.
Знання швидкостей хімічних реакцій має дуже велике практичне і наукове значення. Наприклад, в хімічній промисловості від швидкості хімічної реакції залежать розміри, продуктивність апаратів, якість вироблюваного продукту і в кінцевому підсумку зарплата працівників і собівартість продукції.
У фізиці швидкість пересування тіла дізнаються, вимірюючи відстань, за яку це тіло перемістилося у певний проміжок часу. Але хімічні речовини не завжди переміщаються в просторі. Часто вони просто витрачаються в певній кількості, переходячи в продукти реакції за деякий проміжок часу. А в хімії?
Згідно зі Стандартом освіти з хімії для основної школи тема «Швидкість хімічної реакції» вивчається ознайомчо, та й у старшій школі у зв'язку зі скороченням годин на вивчення хімії дана тема не буде детально розглянута. Тому я вирішила з'ясувати, що ж таке швидкість хімічної реакції і які чинники впливають на неї.
Мета: визначити поняття швидкості хімічної реакції та експериментально вивчити вплив деяких факторів на швидкість хімічної реакції.
Завдання.
1. Ознайомитися з різними джерелами літератури.
2. Дати поняття швидкості хімічної реакції.
3. Знайти та розробити методики, що дозволяють з'ясувати вплив на швидкість хімічної реакції:
· Каталізатора;
· Температури;
· Концентрації речовини;
· Площі зіткнення;
· Природи реагує речовини.
4. Провести практичну частину дослідження згідно з обраними методиками.
5. Проаналізувати отриманий результат і сформувати висновки.
Об'єкт дослідження: швидкість хімічної реакції.
Предмет дослідження: вплив каталізаторів, температури, концентрації речовини, площі дотику, природи реагує речовини і тиску.
Методи дослідження: аналіз літератури, узагальнення, порівняння, формулювання висновків, вимірювання, експеримент, спостереження.
Практична значимість: Розроблені методики дозволять зробити уроки хімії більш цікавими і «вийти» за межі шкільного курсу для розширення кругозору учнів.
Опис об'єкта дослідження
Спочатку давайте розберемося, що ж таке швидкість хімічної реакції. Коли кроликів в клітці замість свіжого сіна починають годувати морквою, ненажерливі тварини швидко справляються з величезною кількістю їжі. «Швидкість їжі» визначити легко: треба просто знати, скільки моркви поменшало в годівниці за певний проміжок часу, наприклад за годину. Правда і є інший шлях - зважити кролика перед годуванням і підрахувати збільшення ваги в одиницю часу. Але в хімії ми маємо справу з частками, а перерахувати частки - справа дуже трудомістка. Тому такий шлях для визначення швидкості хімічної реакції неприйнятний. З поняттям «швидкість хімічної реакції» ми зустрічалися в математиці й фізиці, визначити її можна як відношення пройденого тілом шляху до часу (υ = s / t).
Чи підходить нам ця формула для визначення швидкості хімічної реакції? Звичайно, немає. Адже виміряти пройдений шлях реакції не вдасться.
Швидкість - це зміна деякої величини в часі. Розглянемо реакцію утворення йодоводорода: H 2 + I 2 = 2HI і спробуємо визначити швидкість цієї реакції по витрачанню реагентів в одиницю часу. Наприклад, так: υ (H 2) = m (H 2) / Δ t, v (I 2) = m (I 2) / Δt, де υ - швидкість реакції, m - спад маси відповідного реагенту, Δ t - відрізок часу. Але υ (H 2) не дорівнює υ (I 2). Адже маси водню і йоду, прореагировавших в одиницю часу, не рівні. Реакція йде у мольному співвідношенні 1:1, а не в масовому!
Спробуємо по-іншому: υ (H 2) = n (H 2) / Δt, υ (I 2) = n (I 2) / Δt, узявши замість мас кількості речовин. Тепер υ (H 2) = υ (I 2).
Але якщо в першому випадку ми візьмемо спад числа молей в одиницю часу в 1 мл суміші, а в другому - в 1 л суміші, то швидкості знову не будуть рівні! Вони залежать від обсягу. Якщо проводити одну і ту ж реакцію у маленькій пробірці і у великій бочці, то в пробірці прореагує меншу кількість речовини - просто тому, що там менше реагенту.
А якщо привести ці вислови до одиниці об'єму? υ (H 2) = n (H 2) / V * Δt = Δc (H 2) / Δt, υ (I 2) = n (I 2) / V * Δt = Δc (I 2) / Δ t, де Δ c - зміни молярних концентрацій відповідних речовин. Тоді υ H 2 = υ I 2 = υ даної реакції! Таким чином, кінцеве визначення буде: швидкість хімічної реакції - це зміна молярної концентрації одного з беруть участь в реакції речовин в одиницю часу: v = c / t [моль / літр * сек].
Отже, щоб визначити, з якою швидкістю протікає хімічна реакція, потрібно знати: а) яка кількість речовини (моль) утворюється (для продукту реакції) або витрачається (для вихідної речовини), б) за який час відбувається цей процес, в) в якому обсязі протікає реакція.
Але дане визначення справедливо для гомогенних реакцій. Гомогенні реакції бувають такими:
ü по-перше, це реакції взаємодії газів з отриманням газоподібних продуктів, наприклад, реакція водню і киснем з отриманням водяної пари: 2Н 2 (р) + О 2 (г) = 2 Н 2 О (г).
ü по-друге, взаємодія речовин в розчині з утворенням продуктів, теж добре розчинних, наприклад взаємодія гідросульфату натрію з гідроксидом натрію і води:
NaHSO 4 + NaOH = Na 2 SO 4 + 2 H 2 O
Розділ хімії, що вивчає швидкість хімічної реакції, називають хімічної кінетикою.
Від чого ж залежить швидкість реакції?
· В першу чергу - від природи речовин: одні речовини реагують миттєво, інші - повільно.
· Потім - від концентрації реагентів: чим вона більша, тим частіше будуть зіштовхуватися частинки.
· По-третє, підвищення температури також буде прискорювати реакцію: чим вища температура, тим легше часткам утворювати активоване комплекс і подолати енергетичний бар'єр.
· Для гетерогенних реакцій найважливіший фактор - площа контакту реагентів (вона
безпосередньо залежить від ступеня подрібнення).
· Нарешті, у присутності речовин-каталізаторів теж досягається зростання швидкості реакції.
Розглянемо більш детально кожен з факторів.
Вплив концентрацій речовин на швидкість хімічної реакції
Щоб речовини прореагували, необхідно, щоб їх молекули зіткнулися. Очевидно, що ймовірність зіткнення молекул прямо пропорційна кількості молекул реагентів в одиниці об'єму, тобто молярним концентрацій реагентів.
У середині XIX ст. (1865 р. - М. М. Бекетов, 1867 р. - К. Гульдберг, П. Вааге) був сформульований основний постулат хімічної кінетики, званий також законом діючих мас: з Швидкісь хімічної реакції прямо пропорційна добутку концентрацій реагуючих речовин у ступенях, рівних коефіцієнтам перед формулами речовин у рівнянні реакції: υ = k [A] а * [B] b, для реакції aA + bB = cC + dD, де υ - швидкість хімічної реакції; [А] - концентрація речовини А; [В] - концентрація речовини В; k - константа швидкості реакції (коефіцієнт пропорційності); а і b - коефіцієнти в рівнянні реакції.
Якщо [А] = [В] = 1 моль / л, то швидкість хімічної реакції (υ) дорівнює константі (k). Константа швидкості реакції залежить від природи реагуючих речовин, температури, але не залежить від концентрації речовини.
Наприклад, напишемо кінетичне рівняння для реакції синтезу аміаку
N 2 (р) + 3 H2 (г) ↔ 2 NH 3 (г): υ = k [N 2] * [H 2] 3.
До закону діючих мас не входять концентрації твердих речовин, тому що реакції з твердими речовинами протікають на їх поверхні, де «концентрація» речовини постійна.
Вплив природи реагентів на швидкість хімічної реакції
Константа швидкості реакції залежить в першу чергу від природи реагуючих речовин. Калій швидше взаємодіє з водою, ніж натрій, а літій - ще повільніше натрію. Водень реагує з киснем дуже швидко (часто з вибухом), а азот з киснем - вкрай повільно і лише в жорстких умовах (електричний розряд, високі температури).
Під «природою реагуючих речовин» розуміють:
1. для речовин молекулярної будови - тип хімічних зв'язків у молекулах реагентів, міцність зв'язків. Щоб молекула прореагувала, зв'язок в ній необхідно розірвати.
2. для речовин немолекулярное будови (іонний або атомний кристал) - будова кристалічної решітки, її міцність.
3. для речовин, у яких «молекула» складається з одного атома (наприклад, метали, благородні гази) - будова електронної оболонки атома, міцність зв'язування зовнішніх електронів.
4. для молекул складної форми - ймовірність сприятливого для реакції взаємного розташування реагентів при зіткненні.
Вплив температури на швидкість хімічної реакції
При підвищенні температури швидкість хімічних реакцій звичайно зростає. Це пояснюється теорією активації: енергія необхідна для активування молекул, називається енергією активації (Е акт).
Молекули
Неактивні Активні
(Енергія молекул менше (Енергія молекул
енергії активації: більше енергії активації:
Е мовляв <Е акт) Е мовляв> Е акт)
З підвищенням температури збільшується число активних молекул, тому збільшується швидкість реакції.
Залежність швидкості хімічної реакції від температури визначається правилом Вант-Гоффа: при підвищенні температури на 10 о С швидкість більшості хімічних реакцій збільшується у 2-4 рази. Це правило математично виражається наступною формулою:
де γ - температурний коефіцієнт, який показує, у скільки разів збільшується швидкість реакції при підвищенні температури на 10 о С.
А + К = АК АК + В = АВ + К
А + В = АВ (АК - проміжна сполука).
У присутності каталізатора змінюється шлях, по якому відбувається сумарна реакція, тому змінюється її швидкість. Наприклад: 2SO 2 + O 2 = 2 SO 3 (повільно);
2SO 2 + O 2 = 2 SO 3 (присутності каталізатора NO - швидко).
Механізм: 2 NO + O 2 = 2 NO 2 (швидко)
NO 2 + SO 2 = SO 3 + NO (швидко). NO - каталізатор, NO 2 - проміжна сполука. (Додаток, малюнок 6)
Особливий випадок каталізу - аутокаталіз, або прискорення реакції одним з її продуктів. При цьому швидкість реакції не зменшується в міру витрати реагентів, а зростає. Так, реакція
Методика та результати дослідження
1. Залежність швидкості реакції від природи взаємодіючих речовин
Мета: перевірити вплив природи реагуючих речовин на швидкість хімічної реакції.
А. Обладнання: 0,5 М розчин тіосульфату натрію (79 р. / л), 0,5 М розчин сірчаної кислоти, 1 М розчин соляної кислоти, 0,5 М розчин ортофосфорної кислоти, дистильована вода, пробірки, чорний папір, годинник з секундною стрілкою.
Беремо тіосульфат натрію і три кислоти (сірчану, соляну і ортофосфорну):
Na 2 S 2 O 3 + H 2 SO 4 = Na 2 SO 4 + SO 2 + S + H 2 O
Na 2 S 2 O 3 + 2 HCl = 2 NaCl + SO 2 + S + H 2 O
3 Na 2 S 2 O 3 +2 H 3 рo 4 = 2 Na 3 рo 4 + 3 SO 2 + 3 S + 3 H 2 O
Наливаємо в три пробірки по 8 мл розчину тіосульфату натрію. У першу пробірку з розчином тіосульфату натрію наливаємо 8 мл сірчаної кислоти, швидко перемішуємо і засікаємо час у секундах від початку реакції до помутніння розчину. Щоб краще помітити закінчення реакції, з протилежного боку стінки пробірки приклеюємо смужку чорного паперу. Звіт часу закінчуємо в момент, коли ця смужка не буде проглядатися крізь помутнілий розчин.
Аналогічно проводимо досліди з іншими кислотами. Результати заносимо в таблицю (додаток 1, таблиця 1). Швидкість реакції визначаємо як величину, обернено пропорційну часу: υ = 1 / t. На підставі таблиці будуємо графік залежності швидкості реакції від природи реагуючих речовин (додаток 2, графік 1).
Висновок: таким чином, природа кислот впливає на швидкість хімічної реакції. А, так як сила кислот визначається концентрацією іонів водню, то швидкість реакції залежить і від концентрації реагуючих речовин.
Б. Розглянемо реакцію взаємодії різних металллов з соляною кислотою. Швидкість реакції будемо визначати за обсягом виділився водню, який збираємо методом витіснення води (додаток 3, малюнок 1).
У чотири пробірки помістимо по 0, 05 г . металів: магнію, цинку, заліза і міді. По черзі в кожну пробірку (а) наливаємо однакові обсяги соляної кислоти (1:2). Водень, який буде швидко Веделяются, надійде в пробірку (б). Відзначаємо час, за який пробірка заповнюється воднем. На підставі результатів (додаток 4, таблиця 2) будуємо графік залежності від природи реагуючих речовин (додаток 4, графік 2).
Висновок: не всі метали можуть взаємодіяти з кислотами шляхом виведення водню. Метали, що витісняють водень із розчинів кислот, розташовані в ряду М.М. Бекетова до водню, а метали, які водень не витісняють - після водню (у нашому випадку це мідь). Але і перша група металів розрізняються за ступенем активності: магній-цинк-залізо, тому й інтенсивність виділення водню різна.
Таким чином, швидкість хімічної реакції залежить від природи реагуючих речовин.
2. Залежність швидкості хімічної реакції від концентрації взаємодіючих речовин.
Мета. Встановити графічну залежність впливу концентрації на швидкість реакції.
Для проведення досвіду використовуємо ті ж розчини тіосульфату натрію і сірчаної кислоти, якими користувалися в першому досліді (А).
У пронумеровані пробірки наливаємо зазначені кількості мілілітрів розчину тіосульфату натрію і води. Вливаємо в першу пробірку 8 мл розчину сірчаної кислоти, швидко перемішуємо і помічаємо час від початку реакції до помутніння розчину (дивись досвід 1 А). Проводимо аналогічні досліди з іншими пробірками. Результати заносимо в таблицю (додаток 6, таблиця 3), на підставі яких будуємо графік залежності швидкості хімічної реакції від концентрації реагуючих речовин (додаток 7, графік 3). Аналогічний результат ми отримали, залишаючи постійної концентрацію тіосульфату натрію, але змінюючи концентрацію сірчаної кислоти.
Висновок: таким чином, швидкість хімічної реакції завісімт від концентрації реакнгірующіх речовин: чим вище концентрація, тим швидкість реакції більше.
3. Залежність швидкості хімічної реакції від температури.
Мета: перевірити, чи залежить швидкість хімічної реакції від температури.
Досвід проводимо з розчинами тіосульфату натрію і сірчаної кислоти (дивись досвід 1) [1], додатково готуємо хімічний стакан, термометр.
У чотири пробірки наливаємо 8 мл розчину тіосульфату натрію, в 4 інші - 8 мл розчину сірчаної кислоти. Всі пробірки поміщаємо в склянку з водою і вимірюємо температуру води. Через 5 хвилин виймаємо дві пробірки з розчинами тіосульфату натрію і сірчаної кислоти, зливаємо їх, перемішуємо і помічаємо час до помутніння розчину. Склянка з водою і пробірками нагріваємо на 10 о С і повторюємо досвід з наступними двома пробірками. Проводимо такі ж досліди з іншими пробірками, підвищуючи кожного разу температуру води на 10 о С. Отримані результати записуємо в таблицю (додаток 8, таблиця 4) і будуємо графік залежності швидкості реакції від температури (додаток 9, графік 4).
Висновок: даний експеримент дозволив зробити висновок, що швидкість хімічної реакції збільшується з підвищенням температури на кожні 10 о С в 2-4 рази, тобто довів справедливість закону Вант-Гоффа.
4. Вплив каталізатора на швидкість хімічної реакції.
Мета: перевірити, чи залежить швидкість хімічної реакції від каталізатора, і чи мають каталізатори специфічністю.
А. Для перевірки специфічності каталізатора ми використовували реакцію розкладання перекису водню: 2Н 2 О 2 = 2Н 2 О + Н 2. Брали 3% розчин, розкладання перекису водню йде дуже слабо, навіть опущена в пробірку тліюча лучинка не розпалюється. В якості каталізаторів ми брали діоксид кремнію SiO 2, діоксид марганцю MnO 2, перманганат калію KМnO 4, хлорид натрію NaCl. Тільки при додаванні порошку оксиду марганцю (IV) відбулося бурхливе виділення кисню, тліюча лучинка, опущена в пробірку, яскраво розгорілася.
Таким чином, каталізатори - це речовини, які прискорюють хімічну реакцію, і, найчастіше, для конкретної реакції потрібен «свій» каталізатор.
5. Кінетика каталітичного розкладання перекису водню [2].
Мета: з'ясувати залежність швидкості реакції від концентрації речовин, температури і каталізатора.
Розкладання дуже слабкого розчину пероксиду водню починається під впливом каталізатора. З плином реакції концентрація перекису водню зменшується, про що можна судити за кількістю виділяється кисню в одиницю часу. Досвід проводимо в приладі (додаток 10, рисунок 2): у пробірку поміщаємо 0,1 г порошку двоокису марганцю, приєднуємо її до гумовій трубці, в колбу наливаємо 40 мл 3-процентного розчину перекису водню, з'єднуємо з допомогою гумової трубки з пробіркою. Заповнюємо циліндр (бюретку) водою, опускаємо в кристалізатор, закріплюємо в затиску штатива вертикально, підводимо під нього газовідвідну трубку від колби Вюрца. Без каталізатора виділення кисню не спостерігаємо. Після додавання двоокису марганцю кожну хвилину протягом 10 хвилин відзначаємо і записуємо в таблицю обсяг виділився кисню (додаток 11, таблиця 5). На підставі даних будуємо графік залежності обсягів виділився кисню від часу (додаток 12, графік 5)
6. Вплив поверхні зіткнення реагуючих речовин на швидкість хімічної реакції.
Мета. З'ясувати, чи впливає поверхню зіткнення реагуючих речовин на швидкість гетерогенної хімічної реакції.
На терезах зважили однакову кількість ( 0,5 г ) Крейди (СаСО 3) у вигляді шматочка і порошку, помістили навішування у дві пробірки, у які налили однакову кількість соляної кислоти (1:2). Спостерігаємо виділення вуглекислого газу, при чому в першій пробірці (крейда у вигляді шматочка) реакція йде менш енергійно, ніж у другій (крейда у вигляді порошку) (додаток 13, фотографії 1,2): СаСО 3 + 2 HCl = CaCl 2 + CO 2 + H 2 O
Висновок. Чим більше поверхня зіткнення реагуючих речовин, тим швидше буде швидкість гетерогенної хімічної реакції.
Висновок
Отже, в ході цієї роботи ми визначили, що швидкість гомогенної реакції - це зміна молярної концентрації одного з беруть участь в реакції речовин в одиницю часу, а гетерогенної - це зміна кількості речовини в одиницю часу на одиницю поверхні, і експериментально довели, що на швидкість реакції впливають такі чинники: до аталізатори, температура, концентрація, площа зіткнення реагуючих речовин для гетерогенної реакції, природа реагуючих речовин.
Список використаної літератури
1. Алікберова Л. Цікава хімія: Книга для учнів, вчителів та батьків. - М.: АСТ-ПРЕСС, 1999. - С. 207-211
2. Афанасьєв М.А., Ахаганянц В.А., Тулякова Г.М., Корольов Д.П. Кількісні досліди з хімії. Посібник для вчителів. - М.: «Просвещение», 1972. - С. 76-85
3. Габрієлян О.С. Хімія. 11 клас. Базовий рівень: навчань, для загаль. установ. - М.: Дрофа, 2007. - С. 126-135
4. Габрієлян О.С. Хімія. 11 клас. Учеб. для загаль. установ. - М.: Дрофа, 2004. - С. 126-139
5. Іванова Р.Г. Хімія: Учеб. для 8-9 кл. загаль. установ. - М.: Просвещение, 2002. - С. 84-92
6. Кондратьєв В.М., Визначення констант швидкості газофазних реакцій, М., 1971;
7. Колдін Є., Швидкі реакції в розчині, пров. з англ., М., 1966;
8. Кузнєцова Л.М. Хімія: підручник для 8 кл. середньої общеобразов. шк. - К.: Титул, 2000. - С. 117-118
9. Стабалдіна С.Т., Лідін Р.А. Хімія: неоргані. хімія: Учеб. для 8-9 кл. загаль. установ. - М.: Просвещение, 2000
10. Уейт Н. Хімічна кінетика, пров. з англ. - М. Освіта, 1994.
11. Чернишов В.М., Єгоров А.С. Хімія. Посібник-репетитор для вступників у вузи. - Ростов-на-Дону: «Фенікс», 1996. - С. 136-144
12. http://www.vebtav.ru/texts/072.htm.
Швидкість хімічної реакції
р. Заводоуковск, 2008
Введення
Навколо нас постійно відбуваються тисячі хімічних реакцій. Горить багаття і горить газ у конфорці газової плити, іржавіє залізо, молоко перетворюється в сир, на фотоплівці виникають зображення.
Відомо, що одні хімічні реакції протікають за малі частки секунди, інші ж за хвилини, години, дні. Деякі протікають так швидко, що за ними не встежиш. Ось ми запалюємо сірник. Чирк! Запалюється від тертя об коробку фосфор, що входить до складу сірникової голівки, миттєво з'являється полум'я. Хімічна реакція зайняла частки секунди. Дрова в багатті теж згорають дуже швидко. А перетворення деревини доісторичних велетенських дерев на кам'яне вугілля тривало мільйони років. Вибух суміші кисню з воднем відбувається практично миттєво, а перетворення графіту в алмаз в надрах Землі - дуже повільна реакція. З відомих на сьогоднішній день реакцій найшвидша протікає в 10 40 разів швидше, ніж сама повільна. При цьому не можна обмежуватися суто якісними реакціями, міркувати про «швидкі» і «повільних» реакціях.
Знання швидкостей хімічних реакцій має дуже велике практичне і наукове значення. Наприклад, в хімічній промисловості від швидкості хімічної реакції залежать розміри, продуктивність апаратів, якість вироблюваного продукту і в кінцевому підсумку зарплата працівників і собівартість продукції.
У фізиці швидкість пересування тіла дізнаються, вимірюючи відстань, за яку це тіло перемістилося у певний проміжок часу. Але хімічні речовини не завжди переміщаються в просторі. Часто вони просто витрачаються в певній кількості, переходячи в продукти реакції за деякий проміжок часу. А в хімії?
Згідно зі Стандартом освіти з хімії для основної школи тема «Швидкість хімічної реакції» вивчається ознайомчо, та й у старшій школі у зв'язку зі скороченням годин на вивчення хімії дана тема не буде детально розглянута. Тому я вирішила з'ясувати, що ж таке швидкість хімічної реакції і які чинники впливають на неї.
Мета: визначити поняття швидкості хімічної реакції та експериментально вивчити вплив деяких факторів на швидкість хімічної реакції.
Завдання.
1. Ознайомитися з різними джерелами літератури.
2. Дати поняття швидкості хімічної реакції.
3. Знайти та розробити методики, що дозволяють з'ясувати вплив на швидкість хімічної реакції:
· Каталізатора;
· Температури;
· Концентрації речовини;
· Площі зіткнення;
· Природи реагує речовини.
4. Провести практичну частину дослідження згідно з обраними методиками.
5. Проаналізувати отриманий результат і сформувати висновки.
Об'єкт дослідження: швидкість хімічної реакції.
Предмет дослідження: вплив каталізаторів, температури, концентрації речовини, площі дотику, природи реагує речовини і тиску.
Методи дослідження: аналіз літератури, узагальнення, порівняння, формулювання висновків, вимірювання, експеримент, спостереження.
Практична значимість: Розроблені методики дозволять зробити уроки хімії більш цікавими і «вийти» за межі шкільного курсу для розширення кругозору учнів.
Опис об'єкта дослідження
Спочатку давайте розберемося, що ж таке швидкість хімічної реакції. Коли кроликів в клітці замість свіжого сіна починають годувати морквою, ненажерливі тварини швидко справляються з величезною кількістю їжі. «Швидкість їжі» визначити легко: треба просто знати, скільки моркви поменшало в годівниці за певний проміжок часу, наприклад за годину. Правда і є інший шлях - зважити кролика перед годуванням і підрахувати збільшення ваги в одиницю часу. Але в хімії ми маємо справу з частками, а перерахувати частки - справа дуже трудомістка. Тому такий шлях для визначення швидкості хімічної реакції неприйнятний. З поняттям «швидкість хімічної реакції» ми зустрічалися в математиці й фізиці, визначити її можна як відношення пройденого тілом шляху до часу (υ = s / t).
Чи підходить нам ця формула для визначення швидкості хімічної реакції? Звичайно, немає. Адже виміряти пройдений шлях реакції не вдасться.
Швидкість - це зміна деякої величини в часі. Розглянемо реакцію утворення йодоводорода: H 2 + I 2 = 2HI і спробуємо визначити швидкість цієї реакції по витрачанню реагентів в одиницю часу. Наприклад, так: υ (H 2) = m (H 2) / Δ t, v (I 2) = m (I 2) / Δt, де υ - швидкість реакції, m - спад маси відповідного реагенту, Δ t - відрізок часу. Але υ (H 2) не дорівнює υ (I 2). Адже маси водню і йоду, прореагировавших в одиницю часу, не рівні. Реакція йде у мольному співвідношенні 1:1, а не в масовому!
Спробуємо по-іншому: υ (H 2) = n (H 2) / Δt, υ (I 2) = n (I 2) / Δt, узявши замість мас кількості речовин. Тепер υ (H 2) = υ (I 2).
Але якщо в першому випадку ми візьмемо спад числа молей в одиницю часу в 1 мл суміші, а в другому - в 1 л суміші, то швидкості знову не будуть рівні! Вони залежать від обсягу. Якщо проводити одну і ту ж реакцію у маленькій пробірці і у великій бочці, то в пробірці прореагує меншу кількість речовини - просто тому, що там менше реагенту.
А якщо привести ці вислови до одиниці об'єму? υ (H 2) = n (H 2) / V * Δt = Δc (H 2) / Δt, υ (I 2) = n (I 2) / V * Δt = Δc (I 2) / Δ t, де Δ c - зміни молярних концентрацій відповідних речовин. Тоді υ H 2 = υ I 2 = υ даної реакції! Таким чином, кінцеве визначення буде: швидкість хімічної реакції - це зміна молярної концентрації одного з беруть участь в реакції речовин в одиницю часу: v = c / t [моль / літр * сек].
Отже, щоб визначити, з якою швидкістю протікає хімічна реакція, потрібно знати: а) яка кількість речовини (моль) утворюється (для продукту реакції) або витрачається (для вихідної речовини), б) за який час відбувається цей процес, в) в якому обсязі протікає реакція.
Але дане визначення справедливо для гомогенних реакцій. Гомогенні реакції бувають такими:
ü по-перше, це реакції взаємодії газів з отриманням газоподібних продуктів, наприклад, реакція водню і киснем з отриманням водяної пари: 2Н 2 (р) + О 2 (г) = 2 Н 2 О (г).
ü по-друге, взаємодія речовин в розчині з утворенням продуктів, теж добре розчинних, наприклад взаємодія гідросульфату натрію з гідроксидом натрію і води:
NaHSO 4 + NaOH = Na 2 SO 4 + 2 H 2 O
Зовсім інакше йдуть справи з гетерогенними реакціями - у тих випадках, коли реагуючі речовини відокремлені один від одного, «кордоном фаз». Наприклад, твердої речовини і газу: S + O 2 = SO 2; твердої речовини і рідини: Fe + 2HCl = FeCl 2 + H 2; двох змішуються, рідин: C 3 H 7 Br + KCN (водн.) = C 3 H 7 CN + KBr (водн.).
Швидкість гетерогенної реакції визначається як зміна кількості речовини в одиницю часу на одиницю поверхні:Розділ хімії, що вивчає швидкість хімічної реакції, називають хімічної кінетикою.
Від чого ж залежить швидкість реакції?
· В першу чергу - від природи речовин: одні речовини реагують миттєво, інші - повільно.
· Потім - від концентрації реагентів: чим вона більша, тим частіше будуть зіштовхуватися частинки.
· По-третє, підвищення температури також буде прискорювати реакцію: чим вища температура, тим легше часткам утворювати активоване комплекс і подолати енергетичний бар'єр.
· Для гетерогенних реакцій найважливіший фактор - площа контакту реагентів (вона
безпосередньо залежить від ступеня подрібнення).
· Нарешті, у присутності речовин-каталізаторів теж досягається зростання швидкості реакції.
Розглянемо більш детально кожен з факторів.
Вплив концентрацій речовин на швидкість хімічної реакції
Щоб речовини прореагували, необхідно, щоб їх молекули зіткнулися. Очевидно, що ймовірність зіткнення молекул прямо пропорційна кількості молекул реагентів в одиниці об'єму, тобто молярним концентрацій реагентів.
У середині XIX ст. (1865 р. - М. М. Бекетов, 1867 р. - К. Гульдберг, П. Вааге) був сформульований основний постулат хімічної кінетики, званий також законом діючих мас: з Швидкісь хімічної реакції прямо пропорційна добутку концентрацій реагуючих речовин у ступенях, рівних коефіцієнтам перед формулами речовин у рівнянні реакції: υ = k [A] а * [B] b, для реакції aA + bB = cC + dD, де υ - швидкість хімічної реакції; [А] - концентрація речовини А; [В] - концентрація речовини В; k - константа швидкості реакції (коефіцієнт пропорційності); а і b - коефіцієнти в рівнянні реакції.
Якщо [А] = [В] = 1 моль / л, то швидкість хімічної реакції (υ) дорівнює константі (k). Константа швидкості реакції залежить від природи реагуючих речовин, температури, але не залежить від концентрації речовини.
Наприклад, напишемо кінетичне рівняння для реакції синтезу аміаку
N 2 (р) + 3 H2 (г) ↔ 2 NH 3 (г): υ = k [N 2] * [H 2] 3.
До закону діючих мас не входять концентрації твердих речовин, тому що реакції з твердими речовинами протікають на їх поверхні, де «концентрація» речовини постійна.
Вплив поверхні дотику реагентів на швидкість хімічної реакції
Швидкість гетерогенної реакції прямо пропорційна площі поверхні зіткнення реагентів. Але в цьому визначенні є нюанси. Тверді речовини, що беруть участь в гетерогенної реакції, для збільшення швидкості взаємодії подрібнюють, щоб збільшити площу поверхні частинок. Наприклад, вугілля для приготування пороху розтирають в порошок. Рідина для реакції з газом розпилюють в найдрібніші крапельки: так, дизельне паливо (суміш вуглеводнів) впорскують у камеру, де воно зустрічається з повітрям, через спеціальний пристрій, що забезпечує розпилення.Вплив природи реагентів на швидкість хімічної реакції
Константа швидкості реакції залежить в першу чергу від природи реагуючих речовин. Калій швидше взаємодіє з водою, ніж натрій, а літій - ще повільніше натрію. Водень реагує з киснем дуже швидко (часто з вибухом), а азот з киснем - вкрай повільно і лише в жорстких умовах (електричний розряд, високі температури).
Під «природою реагуючих речовин» розуміють:
1. для речовин молекулярної будови - тип хімічних зв'язків у молекулах реагентів, міцність зв'язків. Щоб молекула прореагувала, зв'язок в ній необхідно розірвати.
2. для речовин немолекулярное будови (іонний або атомний кристал) - будова кристалічної решітки, її міцність.
3. для речовин, у яких «молекула» складається з одного атома (наприклад, метали, благородні гази) - будова електронної оболонки атома, міцність зв'язування зовнішніх електронів.
4. для молекул складної форми - ймовірність сприятливого для реакції взаємного розташування реагентів при зіткненні.
При підвищенні температури швидкість хімічних реакцій звичайно зростає. Це пояснюється теорією активації: енергія необхідна для активування молекул, називається енергією активації (Е акт).
Молекули
Неактивні Активні
(Енергія молекул менше (Енергія молекул
енергії активації: більше енергії активації:
Е мовляв <Е акт) Е мовляв> Е акт)
З підвищенням температури збільшується число активних молекул, тому збільшується швидкість реакції.
Залежність швидкості хімічної реакції від температури визначається правилом Вант-Гоффа: при підвищенні температури на 10 о С швидкість більшості хімічних реакцій збільшується у 2-4 рази. Це правило математично виражається наступною формулою:
де γ - температурний коефіцієнт, який показує, у скільки разів збільшується швидкість реакції при підвищенні температури на 10 о С.
Каталіз та інгібування
Є речовини, які в ліяют на швидкість хімічної реакції, не будучи при цьому реагентами. Вони беруть до реакції найбезпосереднішу участь, але в результаті реакції залишаються незмінними. Такі речовини називаються каталізаторами, якщо вони прискорюють реакцію, та інгібіторами, якщо уповільнюють її. Механізм дії каталізаторів пояснюється утворенням проміжних сполук. Наприклад, механізм дії каталізатора К в реакції А + В = АВ можна схематично показати так:А + В = АВ (АК - проміжна сполука).
У присутності каталізатора змінюється шлях, по якому відбувається сумарна реакція, тому змінюється її швидкість. Наприклад: 2SO 2 + O 2 = 2 SO 3 (повільно);
Механізм: 2 NO + O 2 = 2 NO 2 (швидко)
NO 2 + SO 2 = SO 3 + NO (швидко). NO - каталізатор, NO 2 - проміжна сполука. (Додаток, малюнок 6)
Особливий випадок каталізу - аутокаталіз, або прискорення реакції одним з її продуктів. При цьому швидкість реакції не зменшується в міру витрати реагентів, а зростає. Так, реакція
2KMnO 4 + 5K 2 SO 3 + 3H 2 SO 4 = 2MnSO 4 + 6K 2 SO 4 + 3H 2 O
прискорюється у міру накопичення іонів Mn 2 +, що утворюються при відновленні перманганату.Методика та результати дослідження
1. Залежність швидкості реакції від природи взаємодіючих речовин
Мета: перевірити вплив природи реагуючих речовин на швидкість хімічної реакції.
А. Обладнання:
Беремо тіосульфат натрію і три кислоти (сірчану, соляну і ортофосфорну):
Na 2 S 2 O 3 + H 2 SO 4 = Na 2 SO 4 + SO 2 + S + H 2 O
Na 2 S 2 O 3 + 2 HCl = 2 NaCl + SO 2 + S + H 2 O
3 Na 2 S 2 O 3 +2 H 3 рo 4 = 2 Na 3 рo 4 + 3 SO 2 + 3 S + 3 H 2 O
Наливаємо в три пробірки по 8 мл розчину тіосульфату натрію. У першу пробірку з розчином тіосульфату натрію наливаємо 8 мл сірчаної кислоти, швидко перемішуємо і засікаємо час у секундах від початку реакції до помутніння розчину. Щоб краще помітити закінчення реакції, з протилежного боку стінки пробірки приклеюємо смужку чорного паперу. Звіт часу закінчуємо в момент, коли ця смужка не буде проглядатися крізь помутнілий розчин.
Аналогічно проводимо досліди з іншими кислотами. Результати заносимо в таблицю (додаток 1, таблиця 1). Швидкість реакції визначаємо як величину, обернено пропорційну часу: υ = 1 / t. На підставі таблиці будуємо графік залежності швидкості реакції від природи реагуючих речовин (додаток 2, графік 1).
Висновок: таким чином, природа кислот впливає на швидкість хімічної реакції. А, так як сила кислот визначається концентрацією іонів водню, то швидкість реакції залежить і від концентрації реагуючих речовин.
Б. Розглянемо реакцію взаємодії різних металллов з соляною кислотою. Швидкість реакції будемо визначати за обсягом виділився водню, який збираємо методом витіснення води (додаток 3, малюнок 1).
У чотири пробірки помістимо по 0,
Висновок: не всі метали можуть взаємодіяти з кислотами шляхом виведення водню. Метали, що витісняють водень із розчинів кислот, розташовані в ряду М.М. Бекетова до водню, а метали, які водень не витісняють - після водню (у нашому випадку це мідь). Але і перша група металів розрізняються за ступенем активності: магній-цинк-залізо, тому й інтенсивність виділення водню різна.
Таким чином, швидкість хімічної реакції залежить від природи реагуючих речовин.
2. Залежність швидкості хімічної реакції від концентрації взаємодіючих речовин.
Мета. Встановити графічну залежність впливу концентрації на швидкість реакції.
Для проведення досвіду використовуємо ті ж розчини тіосульфату натрію і сірчаної кислоти, якими користувалися в першому досліді (А).
У пронумеровані пробірки наливаємо зазначені кількості мілілітрів розчину тіосульфату натрію і води. Вливаємо в першу пробірку 8 мл розчину сірчаної кислоти, швидко перемішуємо і помічаємо час від початку реакції до помутніння розчину (дивись досвід 1 А). Проводимо аналогічні досліди з іншими пробірками. Результати заносимо в таблицю (додаток 6, таблиця 3), на підставі яких будуємо графік залежності швидкості хімічної реакції від концентрації реагуючих речовин (додаток 7, графік 3). Аналогічний результат ми отримали, залишаючи постійної концентрацію тіосульфату натрію, але змінюючи концентрацію сірчаної кислоти.
Висновок: таким чином, швидкість хімічної реакції завісімт від концентрації реакнгірующіх речовин: чим вище концентрація, тим швидкість реакції більше.
3. Залежність швидкості хімічної реакції від температури.
Мета: перевірити, чи залежить швидкість хімічної реакції від температури.
Досвід проводимо з розчинами тіосульфату натрію і сірчаної кислоти (дивись досвід 1) [1], додатково готуємо хімічний стакан, термометр.
У чотири пробірки наливаємо 8 мл розчину тіосульфату натрію, в 4 інші - 8 мл розчину сірчаної кислоти. Всі пробірки поміщаємо в склянку з водою і вимірюємо температуру води. Через 5 хвилин виймаємо дві пробірки з розчинами тіосульфату натрію і сірчаної кислоти, зливаємо їх, перемішуємо і помічаємо час до помутніння розчину. Склянка з водою і пробірками нагріваємо на 10 о С і повторюємо досвід з наступними двома пробірками. Проводимо такі ж досліди з іншими пробірками, підвищуючи кожного разу температуру води на 10 о С. Отримані результати записуємо в таблицю (додаток 8, таблиця 4) і будуємо графік залежності швидкості реакції від температури (додаток 9, графік 4).
Висновок: даний експеримент дозволив зробити висновок, що швидкість хімічної реакції збільшується з підвищенням температури на кожні 10 о С в 2-4 рази, тобто довів справедливість закону Вант-Гоффа.
4. Вплив каталізатора на швидкість хімічної реакції.
Мета: перевірити, чи залежить швидкість хімічної реакції від каталізатора, і чи мають каталізатори специфічністю.
А. Для перевірки специфічності каталізатора ми використовували реакцію розкладання перекису водню: 2Н 2 О 2 = 2Н 2 О + Н 2. Брали 3% розчин, розкладання перекису водню йде дуже слабо, навіть опущена в пробірку тліюча лучинка не розпалюється. В якості каталізаторів ми брали діоксид кремнію SiO 2, діоксид марганцю MnO 2, перманганат калію KМnO 4, хлорид натрію NaCl. Тільки при додаванні порошку оксиду марганцю (IV) відбулося бурхливе виділення кисню, тліюча лучинка, опущена в пробірку, яскраво розгорілася.
Таким чином, каталізатори - це речовини, які прискорюють хімічну реакцію, і, найчастіше, для конкретної реакції потрібен «свій» каталізатор.
5. Кінетика каталітичного розкладання перекису водню [2].
Мета: з'ясувати залежність швидкості реакції від концентрації речовин, температури і каталізатора.
Розкладання дуже слабкого розчину пероксиду водню починається під впливом каталізатора. З плином реакції концентрація перекису водню зменшується, про що можна судити за кількістю виділяється кисню в одиницю часу. Досвід проводимо в приладі (додаток 10, рисунок 2): у пробірку поміщаємо
6. Вплив поверхні зіткнення реагуючих речовин на швидкість хімічної реакції.
Мета. З'ясувати, чи впливає поверхню зіткнення реагуючих речовин на швидкість гетерогенної хімічної реакції.
На терезах зважили однакову кількість (
Висновок. Чим більше поверхня зіткнення реагуючих речовин, тим швидше буде швидкість гетерогенної хімічної реакції.
Висновок
Отже, в ході цієї роботи ми визначили, що швидкість гомогенної реакції - це зміна молярної концентрації одного з беруть участь в реакції речовин в одиницю часу, а гетерогенної - це зміна кількості речовини в одиницю часу на одиницю поверхні, і експериментально довели, що на швидкість реакції впливають такі чинники: до аталізатори, температура, концентрація, площа зіткнення реагуючих речовин для гетерогенної реакції, природа реагуючих речовин.
Список використаної літератури
1. Алікберова Л. Цікава хімія: Книга для учнів, вчителів та батьків. - М.: АСТ-ПРЕСС, 1999. - С. 207-211
2. Афанасьєв М.А., Ахаганянц В.А., Тулякова Г.М., Корольов Д.П. Кількісні досліди з хімії. Посібник для вчителів. - М.: «Просвещение», 1972. - С. 76-85
3. Габрієлян О.С. Хімія. 11 клас. Базовий рівень: навчань, для загаль. установ. - М.: Дрофа, 2007. - С. 126-135
4. Габрієлян О.С. Хімія. 11 клас. Учеб. для загаль. установ. - М.: Дрофа, 2004. - С. 126-139
5. Іванова Р.Г. Хімія: Учеб. для 8-9 кл. загаль. установ. - М.: Просвещение, 2002. - С. 84-92
6. Кондратьєв В.М., Визначення констант швидкості газофазних реакцій, М., 1971;
7. Колдін Є., Швидкі реакції в розчині, пров. з англ., М., 1966;
8. Кузнєцова Л.М. Хімія: підручник для 8 кл. середньої общеобразов. шк. - К.: Титул, 2000. - С. 117-118
9. Стабалдіна С.Т., Лідін Р.А. Хімія: неоргані. хімія: Учеб. для 8-9 кл. загаль. установ. - М.: Просвещение, 2000
10. Уейт Н. Хімічна кінетика, пров. з англ. - М. Освіта, 1994.
11. Чернишов В.М., Єгоров А.С. Хімія. Посібник-репетитор для вступників у вузи. - Ростов-на-Дону: «Фенікс», 1996. - С. 136-144
12. http://www.vebtav.ru/texts/072.htm.
[1] Розчин тіосульфату натрію довго зберігати не можна, так як він поступово каламутніє. Тому для кожної серії дослідів готуємо свіжий розчин.
[2] Під кінетикою хімічної реакції розуміють залежність швидкості даної реакції від концентрації речовин, температури та інших факторів.