Тема 2. ХІМІЧНІ РЕАКЦІЇ

§ 20. Швидкість хімічної реакції

Лабораторний дослід № 10 (с. 124)

Тема: Вплив концентрації і температури на швидкість реакції цинку з хлоридною кислотою

Обладнання: штатив із пробірками, склянка з гарячою водою, шпатель, пальник.

Реактиви: хлоридна кислота НСl з масовими частками 5 % та 15 %, цинк Zn.

Звіт з роботи:

2. На поверхні гранули цинку починають утворюватися бульбашки прозорого газу - водню. Цинк поступово розчиняється у хлоридній кислоті. Рівняння реакції:

Швидкість реакції більша у пробірці з 15% розчином хлоридної кислоти. Пояснення: збільшення концентрації реагенту означає зростання кількості його частинок (атомів, молекул, іонів) у реакційній суміші. Кількість зіткнень частинок цієї речовини із частинками іншого реагенту збільшується, і швидкість реакції зростає.

3. За нагрівання швидкість реакції збільшується - водень в пробірці починає виділятися більш інтенсивно. Пояснення: при нагріванні рідини збільшується швидкість руху молекул, а твердої речовини — інтенсивність коливань частинок у ній. Унаслідок цього кількість зіткнень частинок реагентів зростає, а це призводить до збільшення швидкості реакції.

4. Висновок: швидкість хімічної реакції зростає зі збільшенням концентрації реагентів і температури.

Контрольні запитання (с. 125)

223. Швидкість реакції - це фізична величина, що дорівнює відношенню зміни кількості утвореної або витраченої речовини Δn до проміжку часу Δt:

Каталізатор - речовина, що бере участь у реакції та змінює її швидкість, але сама в реакції не витрачається. Інгібітор - каталізатор, що гальмує реакцію.

224. Швидкість реакції залежить:

- від природи реагентів (чим хімічно активніші речовини, тим швидше вони вступають у ті чи інші взаємодії):

- від концентрації реагентів (чим більша концентрація кисню, тим швидше відбувається реакція);

- від ступеня подрібнення речовин (чим дрібніша речовина, тим більша площа поверхні контакту, а отже, й вища швидкість реакції);

- від температури (за нагрівання на кожні 10 °С швидкість більшості реакцій підвищується приблизно в три рази);

- від наявності каталізатора (зазвичай, каталізатори збільшують швидкість реакцій).

225. Протягом часу, за який відбувається реакція (30 секунд), число молекул реагенту зменшується (з 50 до 0), а число молекул продукту реакції зростає (з 0 до 50).

226. За низької температури швидкість реакції розкладання речовин, з яких складаються продукти харчування, є меншою. Продукти в холодильнику можна зберігати триваліший час, ніж за кімнатної температури.

227. Тому що під час реакції концентрація вихідних речовин зменшується (реагенти витрачаються), а продуктів — збільшується (за рахунок їх утворення).

228. Завдяки біологічним каталізаторам - ферментам. Приклади дії ферментів:

- амілаза - розщеплює крохмаль до мальтози (за pH = 6,7-7);

- мальтаза — розщеплює мальтозу до глюкози (за pH = 6,7-7);

- пепсин - розщеплює білки до пептидів (за pH 1,9);

- ліпаза - розщеплює жири до гліцерину і жирних кислот (за pH = 7);

- трипсин - розщеплює білки та пептиди до амінокислот (за pH 7,8-8);

- нуклеаза - розщеплює нуклеїнові кислоти до нуклеотидів (за pH = 7).

229. Деякі, на перший погляд, «безпечні* речовини (цукор, борошно, деревина тощо) у разі подрібнення й розпилення в повітрі можуть вибухати, оскільки в цьому випадку значно збільшується їх поверхня стикання з киснем повітря.

Завдання для засвоєння матеріалу (с. 125)

230. Швидкість зменшиться, адже концентрація водню і кисню відносного загального об’єму суміші стане меншою.

231. а) у друзок більша поверхня стикання з киснем повітря; б) через відчинені вікна надходитиме кисень повітря, що є одним з реагентів в реакції горіння; в) у подрібнених пігулок більша поверхня стикання з речовинами, що потрібно абсорбувати; г) таким чином збільшують концентрація кисню — однієї з речовин, що бере участь у реакції горіння; д) за температури 180‘С хімічні процеси проходять набагато швидше, ніж за 120 °С; е) висока температура спричиняє денатурацію білків мікроорганізмів (і - відповідно - їхню загибель), що можуть спричинити захворювання або отруєння; є) у вакуумних пакетах вміст кисню повітря зменшено, отже пригальмовуються процеси окиснення харчових продуктів; ж) швидкість хімічних реакцій (в тому числі тих, що відбуваються при псуванні їжі) за високої температури - більша; з) мідь є менш активним металом, ніж залізо і повільніше вступає в хімічні реакції, в тому числі ті, що відбуваються під час корозії.

232. На початку реакції концентрація реагентів — найбільша.

233. В колбі із цинком. Оскільки цинк є більш активним металом (в ряду активності він міститься ліворуч від заліза).

234. а) іржавіння заліза (залізо є більш активним металом, ніж мідь); б) горіння паперу (більша поверхня стикання); в) випарювання бензину (молекули бензину є неполярними, сила взаємодії між ними менша, ніж між полярними молекулами води).

235. Замість ### - 12 місяців, замість @@@ - 10 місяців, оскільки за температури -18 °С процеси псування морозива відбуватимуться швидше, ніж за -24 °С. За температури +20 °С морозиво зберігати не можна.

236. Розраховуємо швидкості реакції для обох випадків:

Швидкість вища у першому випадку.

237. За 15 діб кількість гідроген пероксиду зменшилася на 0,15 моль. Розраховуємо швидкість розкладання гідроген пероксиду:

Складаємо рівняння реакції розкладання гідроген пероксиду:

Розраховуємо кількість речовини гідроген пероксиду у вихідному розчині:

5 л ∙ 0,3 моль / л = 1,5 моль

За рівнянням реакції співвідношення кількості речовини гідроген пероксиду і кисню складає 2 : 1. Отже під час реакції повного розкладання виділилося б кисню. Але за умовою за цей час розклалася тільки половина кількості гідроген пероксиду. Отже, кисню виділилося Обчислюємо його об’єм:

238. Складаємо рівняння для реакції в першій колбі:

Визначаємо кількість речовин газуватого продукту реакції — карбон(ІV) оксиду:

Складаємо рівняння для реакції в другій колбі:

Визначаємо кількість речовини продукту реакції - гідроген йодиду:

Реакція швидше відбувається у першому випадку, адже за той самий час утворюється більша кількість речовини.

239. Обчислюємо швидкість реакції:

240. Принцип обрання речовин:

- реагенти, що активно вступають в реакцію один з одним;

- легкість спостережень;

- легкість вимірювання кількості реагентів та продуктів реакції.

а) етапи проведення експерименту:

- перед початком експерименту зважують цинк;

- під час реакції візуально спостерігають за зменшенням шматочка цинку у пробірці та виділенням газуватого водню (припинення виділення водню та повне розчинення цинку будуть ознаками закінчення реакції);

- фіксують час, за який відбулася реакція;

- вимірюють об’єм газу, що виділився;

- обчислюють кількості речовин;

- проводять розрахунки швидкості реакції.

б) етапи проведення експерименту:

- перед початком експерименту зважують сірку;

- під час реакції візуально спостерігають за зменшенням грудки сірки (горіння за зникнення грудки сірки будуть ознаками закінчення реакції);

- фіксують час, за який відбулася реакція;

- вимірюють об’єм газу, що виділився;

- обчислюють кількості речовин;

- проводять розрахунки швидкості реакції.

241. а) приготування їжі (підвищення температури - в певних межах);

б) псування продуктів харчування (зниження температури, заморожування);

в) хімічні процеси в батарейках та акумуляторах (використання в межах оптимальної температури).

242. Можна виміряти швидкість утворення певних речовин за різної концентрації реагентів. Це можна зробити, дослідивши швидкість взаємодії розчину калій йодиду з розчином гідроген пероксиду у присутності крохмалю. В три пробірки, що містять розчин калій йоду з крохмалем, налийте розчин гідроген пероксиду: в першу пробірку з вихідною концентрацією (3%), в другу — розбавлений удвічі, в третю — розбавлений в чотири рази. За допомогою годинника або секундоміра зафіксуйте, що у другій пробірці реакція відбувається у два рази повільніше, ніж у першій. А у третій — в чотири рази. Доходимо висновку: швидкість реакції прямо пропорційна концентрації реагентів. Отримані дані можна оформити у вигляді графіку за координатами: час —концентрація.

243. Схожість понять «швидкість руху» з фізики та «швидкість хімічної реакції» з хімії:

- обидва поняття є похідними деякою величини (відстані переміщення чи концентрації речовин) за проміжок часу: моль/с, г/л, км/год, м/с тощо;

- під час хімічних реакцій також відбувається рух - часток речовини (йонів та молекул);

- кількісна оцінка виміру.

Практична робота № 3 (с. 127)

Тема: Вплив різних чинників на швидкість хімічних реакцій

Обладнання: штатив із пробірками, пальник, шпатель.

Реактиви: хлоридна кислота НСl (5 %), цинк Zn гранульований та порошкоподібний, зразки заліза Fe та міді Сu, розчин гідроген пероксиду Н₂O₂ (5 %), манган оксид МnO₂, скіпка для доведення наявності кисню.

Звіт з роботи:

1. У пробірці з порошком цинку (пробірка № 2) реакція відбувається більш інтенсивно, ніж у пробірці з гранулою цинку (пробірка № 1). Рівняння реакції:

Пояснення: у реакції беруть участь атоми Цинку і катіони Гідрогену. Взаємодіяти з іонами Н^- можуть лише ті атоми Цинку, що перебувають на поверхні металу. Загальна площа поверхні усіх часток цинкового порошку значно перевищує площу поверхні гранули металу. Тому порошок цинку швидше взаємодіє з кислотою.

2. У пробірці із зразком заліза (пробірка № 3) бульбашки водню виділятимуться, а у пробірці із зразком міді (пробірка № 4) - ні.

Пояснення: мідь є малоактивним металом, міститься в ряду активності металів праворуч від водню і не витісняє водень з кислот.

Рівняння реакції:

3. Реакція розкладання гідроген пероксиду на кисень та воду відбувається постійно, але дуже повільно. За кімнатної температури виділення газу непомітне. За нагрівання - в пробірці утворюються бульбашки кисню, оскільки реакція відбувається швидше. Рівняння реакції:

Пояснення: при нагріванні рідини збільшується швидкість руху молекул (а за нагрівання твердої речовини - інтенсивність коливань частинок у ній). Унаслідок цього швидкість реакції збільшується.

4. За додавання манган(ІV) оксиду в пробірку № 6 розкладання гідроген пероксиду на кисень та воду відбувається дуже швидко — швидше навіть за реакцію з нагріванням в пробірці № 5. Рівняння реакції - таке саме як у попередньому досліді.

Пояснення: манган(ІV) оксид виконує роль каталізатора в цій реакції.

Висновок:

1. Швидкість реакції зростає:

— зі збільшенням концентрації реагентів;

— за збільшенням площі поверхні контакту реагентів;

— за збільшенням температури;

— у присутності каталізаторів.

Також швидкість реакції залежить від природи реагентів: більш активні метали реагують з кислотою інтенсивніше, ніж метали з низькою активністю.

2. При нагріванні рідини збільшується швидкість руху молекул, а твердої речовини - інтенсивність коливань частинок у ній. Унаслідок цього кількість зіткнень частинок реагентів зростає, а це призводить до збільшення швидкості реакції.

Чим краще подрібнені речовини, тим більша швидкість реакції між ними: зі збільшенням площі поверхні стикання, частинки реагентів частіше зіштовхуються одна з одною, а отже швидкість реакції зростає.

3. За збільшення концентрації реагенту відбувається зростання кількості його частинок (атомів, молекул, іонів) у реакційній суміші. Кількість зіткнень частинок цієї речовини із частинками іншого реагенту збільшується, і швидкість реакції зростає.

Механізми збільшення швидкості реакції за збільшення концентрації та за подрібнення реагентів є схожими.