9.1. Скорость химической реакции

ВВЕДЕНИЕ

Термин скорость реакции означает скорость, с которой образуются продукты, либо скорость, с которой расходуются реагенты при протекании химической реакции. Скорости различных реакций могут очень сильно отличаться друг от друга. В некоторых реакциях образование продуктов и расходование реагентов происходят так быстро, что эти реакции могут рассматриваться практически как мгновенные. Примером таких реакций являются взрывы. Как только начнется такая реакция, она сразу же завершается. Мгновенно протекают также многие ионные реакции. Примером подобных мгновенных реакций является следующая реакция нейтрализации;

Однако в других случаях реакции протекают столь медленно, что для их завершения требуются месяцы или даже годы. Для завершения реакции ферментации виноградного сока, в результате которой образуется вино, требуется несколько месяцев. А после этого при хранении вина может понадобиться еще несколько лет для протекания

сложных химических процессов, благодаря которым вино приобретает свой полный вкусовой букет.

Скорость каждой конкретной реакции может изменяться в зависимости от ряда факторов. Наиболее важными из них являются концентрация или давление реагентов температура, наличие катализатора и доступность реагентов. Проиллюстриоовать влияние этих факторов на скорость протекания реакции можно нагляднее всего не примере реакции между водородом и кислородом. При наличии достаточного количества кислорода или воздуха водород быстро сгорает, образуя воду:

Однако, если поступление воздуха ограничено, реакция может протекать со взрывом

Большинство преподавателей химии хорошо знают об опасности взрыв; водорода при его получении из цинка и соляной кислоты. Летящие осколки стекла при таком взрыве могут стать причиной серьезных ранений, особенно для глаз. Тем не менее такие же самопроизвольные взрывы водорода, только гораздо меньшей силы, часто используются в лабораторных условиях для проведения пробы «хлопком) на полное удаление водорода из какой-либо химической установки.

Интересно, что, если смесь водорода и кислорода не поджигать, реакция между ними будет протекать столь медленно, что визуально ее совершенно невозможно обнаружить. Следовательно, одна и та же реакция в зависимости от условий может иметь взрывной характер или же протекать бесконечно медленно.

В ходе реакции ее скорость меняется. Скорость большинства реакций максимальна вначале и постепенно уменьшается, приближаясь к нулевой. Это можно продемонстрировать, если добавить разбавленную соляную кислоту к карбонату кальция. Сразу же по добавлении кислоты реакционная смесь бурно вскипает из-за быстрого образования диоксида углерода. По мере замедления реакции выделение пузырьков все уменьшается.

Как экспериментально определить скорость реакции?

Скорость описанной выше реакции между кислотой и карбонатом кальция можно было бы определить, подсчитывая число пузырьков диоксида углерода, которое выделяется за одну минуту. Однако такой подсчет невозможно выполнить вначале, когда реакция протекает очень бурно. Но даже и в более поздние моменты реакции такой способ оказался бы очень неточным из-за неодинакового размера пузырьков газа.

Изменение скорости этой реакции по мере ее протекания можно продемонстрировать более точно с помощью установки, схематически изображенной на рис. 9.1.

Рис. 9.1. Лабораторная установка для исследования скорости реакции между разбавленной соляной кислотой и мраморной крошкой.

Таблица 9.1. Объем собранного диоксида углерода выделяющегося в реакции между мраморной крошкой и разбавленной кислотой, по измерениям через пром жутки времени в 15 с

Разбавленную соляную кислоту наливают в коническую колбу, где насыпана мраморная крошка. Реакция протекает по уравнению

Выделяющийся диоксид углерода собирают с помощью газовой пипетки (газово! шприца). За изменением скорости реакции можно проследить, измеряя объем делившегося диоксида углерода через равные промежутки времени по мере протекаю реакции. В табл. 9.1 приведены типичные результаты подобного эксперимента. Если этим результатам построить график, получится кривая скорости реакции (рис. 9.1 Кривая скорости реакции показывает изменение со временем количества образующегося продукта либо используемого реагента.

Угол наклона касательной к кривой скорости реакции в какой-либо точке кривой показывает, насколько быстро протекает реакция в соответствующий момент времени. Чем круче угол наклона касательной к кривой скорости, тем быстр протекает реакция. На рис. 9.2 показан угол наклона касательной к кривой скорост соответствующий начальной скорости реакции. Поскольку реакция протекает быстр всего в первый момент, наклон касательной к кривой скорости, соответствуют! начальной скорости реакции, максимален. Постепенно, по мере протекания реакци

Рис. 9.2. Кривая скорости реакци между разбавленной соляной кислото и мраморной крошкой, -касательна в начальный момент реакции; тельная в момент реакции спустя 40 после начала; -затухание реакции.

наклон касательной к кривой в каждой следующей ее точке становится все меньше. Наконец, когда реакция приостанавливается, кривая скорости становится горизонтальной. Тангенс угла наклона горизонтальной кривой, как и угол ее наклона к оси времени, становится равен нулю.

Определение скорости реакции по кривой скорости

В общем случае скорость образования продукта реакции определяется выражением

В нашем примере проводится измерение объема образующегося диоксида углерода. Это позволяет записать

В математической форме это выражение приобретает вид

Скорость, вычисленная с помощью этого выражения, представляет собой среднюю скорость реакции за период времени Мгновенная скорость реакции в какой-либо конкретный момент времени определяется выражением

Мгновенная скорость реакции геометрически определяется тангенсом угла наклона касательной к кривой скорости в соответствующий момент времени.

Пример

Пользуясь кривой скорости реакции, показанной на рис. 9.2, вычислим скорость реакции через 40 с после ее начала.

Решение

На графике показана касательная к кривой скорости в точке, соответствующей 40 с от момента начала реакции. Несложное геометрическое построение, выполненное на графике, показывает, что

Тангенс угла наклона

Следовательно, скорость образования через 40 с после начала реакции равна

О влиянии площади поверхности твердого вещества на скорость реакции

На примере реакции между кислотой и мраморной крошкой можно также исследовать влияние площади поверхности твердого вещества на скорость реакции. В табл. 9.2 показаны результаты, полученные в одном из таких исследований.

В этом эксперименте варьировался только один фактор, способный влиять на скорость реакции, - площадь поверхности твердого вещества. Крупная мраморная

Таблица 9.2. Экспериментальные данные, полученные для реакции между мраморной крошкой и разбавленной кислотой

крошка имеет меньшую площадь поверхности по сравнению с мелкой мраморной крошкой такой же массы. Результаты, приведенные в таблице, показывают, что мраморная крошка с большей площадью поверхности реагирует быстрее, чем крошка с меньшей площадью поверхности. Дело в том, что реакции между твердыми и жидкими веществами протекают на поверхности твердого вещества. Следовательно, увеличение площади поверхности твердого вещества в результате повышения его степени измельчения увеличивает доступ реагирующих частиц жидкости к частицам твердого вещества. По этой причине все химикаты обычно используются в виде порошков, а не в виде крупных кусков.