СКОРОСТЬ ХИМИЧЕСКОЙ РЕАКЦИИ

§ 16. СКОРОСТЬ ХИМИЧЕСКОЙ РЕАКЦИИ

     Известно, что одни химические реакции протекают за доли секунды, другие же – за минуты, часы, дни. Практически мгновенно протекают реакции, которые сопровождаются взрывным эффектом: горение пороха, воспламенение горючей смеси в двигателе внутреннего сгорания автомобиля. При сливании растворов хлорида бария и серной кислоты мгновенно образуется белый осадок сульфата бария:
                                                              ВаCl2 + H2SO4 = BaSO4↓ + 2HCl.
     Наоборот, реакция ржавления железа (коррозия) идет так медленно, что проследить за ее результатами можно лишь по истечении длительного времени. Одна и та же реакция может в одних условиях протекать быстро, а в других – медленно. Например, процесс окисления серебра или меди на воздухе тянется годами, а в присутствии озона проходит чрезвычайно быстро.
     Чтобы характеризовать быстроту течения химической реакции, пользуются понятием скорость химической реакции, которая обозначается латинской буквой v.

     Формула, по которой можно найти скорость реакции:

где с1 и c2 – концентрации одного из реагирующих или образующихся веществ в моменты времени t1 и t2. Если скорость реакции характеризуют изменением концентрации исходного вещества, то t2 > t1, a с2 < c1 (концентрация исходных веществ убывает по мере протекания реакции). Поскольку скорость реакции имеет положительное значение, перед дробью следует поставить знак минус. При определении скорости реакции по возрастающей концентрации образующихся веществ величина дроби Δc/Δt получается положительной, перед дробью следует поставить знак плюс.

     Знание скоростей химических реакций имеет очень большое практическое и научное значение. Например, в химической промышленности от скорости химической реакции зависят размеры и производительность аппаратуры, количество вырабатываемого продукта и, в конечном итоге, зарплата работников и себестоимость продукции.

     Раздел химии, изучающий скорость химических реакций, называется химической кинетикой. Зная ее законы, человек получает возможность управлять скоростью химических процессов.
     Данное выше определение и соответствующая ему формула скорости химической реакции справедливы для гомогенных реакций.
     Если реакция гетерогенная, то она может идти только на поверхности раздела реагирующих веществ. В этом случае скорость химической реакции будет определяться площадью поверхности соприкосновения веществ.
     Зависимость скорости гетерогенной реакции от величины поверхности соприкосновения реагирующих веществ показана на рис. 11. В химических стаканах налиты одинаковые объемы соляной кислоты одинаковой концентрации. На часовых стеклах находится мрамор одинаковой массы: для первого опыта кусочек, для второго – порошок.

Рис. 11. Зависимость скорости химической реакции
от площади соприкосновения реагирующих веществ

     Скорость химических реакций зависит от природы реагирующих веществ.
На рис. 12 показано взаимодействие двух щелочных металлов – лития и калия с водой. Калий взаимодействует с водой очень бурно и настолько энергично, что даже воспламеняется.

Рис. 12. Зависимость скорости химической реакции
от природы веществ: калий (а) взаимодействует с водой
более энергично, чем литий (б)

     Следующим важнейшим фактором, влияющим на скорость химической реакции, является концентрация реагирующих веществ.
     Проделаем опыт, показывающий это влияние. Нальем в три пробирки раствор тиосульфата натрия. В первую пробирку – 3 мл, во вторую – 2 мл, и в третью – 1 мл. Затем прильем во все пробирки воды так, чтобы уровень растворов тиосульфата в них стал одинаковым – 5 мл: то есть в первую пробирку прильем 2 мл воды, во вторую – 3 мл, а в третью – 4 мл.
     Понятно, что наибольшей концентрация раствора тиосульфата будет в первой пробирке, а наименьшей - в третьей. Теперь быстро прильем в каждую пробирку (начиная с третьей) по 2 мл раствора серной кислоты и проследим за выпадением осадка серы. Раньше всего он образуется там, где выше концентрация тиосульфата, т.е. в первой пробирке. Это и понятно. Ведь для химического взаимодействия серной кислоты и тиосульфата необходимо, чтобы частички (ионы), из которых они состоят, столкнулись. Чем больше число столкновений, тем быстрее протекает реакция. А число столкновений тем больше, чем больше концентрация реагирующих веществ.
   Зависимость скорости химической реакции от температуры определяется правилом Вант-Гоффа (1884).
     При изменении (повышении или понижении) температуры на каждые 10 °С скорость реакции соответственно изменяется (увеличивается или уменьшается) в 2–4 раза.
Я.Вант-Гоффу первому в истории науки (1901) была вручена Нобелевская премия по химии. Он впервые изложил теорию пространственного расположения атомов в молекулах органических соединений, лежащую в основе современной стереохимии, создал или значительно расширил: химическую кинетику, термодинамику химических реакций, теорию разбавленных растворов и учение о равновесиях в водно-солевых системах.
     Установленные Вант-Гоффом закономерности, экспериментальные методы исследования и примененные им аналитические, термодинамические и геометрические принципы сыграли большую роль в дальнейшем развитии химии.
     Скорость химической реакции зависит также от присутствия катализатора.

Якоб Хендрик Вант-Гофф
(1852–1911) – голландский
химик, иностранный член-
корреспондент Петербург-
ской АН с 1895 г.

     Обратимся к уже знакомому вам опыту (см. рис. 4). Прильем в пробирку немного 3%-го раствора пероксида водорода Н2О2 и подогреем его. Внесем в пробирку с пероксидом водорода тлеющую лучинку – она не вспыхнет, потому что реакция разложения пероксида водорода протекает так медленно, что образующегося небольшого количества кислорода недостаточно, что-бы произошла эта качественная реакция на кислород.
     Теперь внесем в пробирку немного порошка оксида марганца(IV) МnO2; заметим, что началось бурное выделение пузырьков газа, а внесенная в пробирку тлеющая лучинка ярко вспыхнула. Оксид марганца(IV) увеличивает скорость реакции разложения пероксида водорода во много раз. Сам же он по окончании реакции остается в таком же количестве, в каком был в ее начале.
     Вещества, которые изменяют скорость химической реакции, оставаясь к концу ее неизменными, называются катализаторами.
     Оксид марганца(IV) является катализатором в проделанной нами реакции.
     Процесс изменения скорости химических реакций с помощью катализатора называется катализом, а реакции, идущие с участием катализатора, – каталитическими. При добавлении катализаторов в исходную смесь реагентов скорость реакции увеличивается в десятки и сотни раз, но в итоге реакции сами катализаторы остаются неизменными по форме, цвету, объему и массе.
     Обыкновенное вещество вода может творить необыкновенные чудеса, если выступает в роли катализатора, например взаимодействия порошка алюминия с серой или с йодом (рис. 13).

Рис. 13. Вода
катализирует ре-
акцию алюминия
с йодом

      Одним из первых исследователей катализа был русский химик Г.И.Гесс, опубликовавший в 1831 г. статью, содержание которой достаточно полно отражено в ее названии: «О свойстве весьма мелко раздробленной платины способствовать соединению кислорода с водородом и о плотности платины». Платина применяется химиками в наиболее ответственных случаях, являясь катализатором дорогим, но часто просто незаменимым. Например, с помощью платинового катализатора американским и японским автомобилестроителям удалось добиться почти полного сгорания топлива в двигателях, что, в свою очередь, резко уменьшило содержание вредных примесей в выхлопных газах исделало чище атмосферу таких больших городов, как Токио или Нью-Йорк.
     Слово katálysis в переводе с греческого означает «разрушение», т.е. с помощью катализа происходит как бы разрушение длинного пути, который предстояло бы иначе пройти веществам, вступившим в реакцию.
     Катализаторы широко используются в химической промышленности, т.к. позволяют повысить производительность химических процессов, уменьшить стоимость химической аппаратуры, сделать производство экологически более чистым и экономически выгодным.
     Человек наблюдал действие катализаторов при образовании вина и уксуса из виноградного сока или при выпечке хлеба еще в древние времена.

     Биологические катализаторы белковой природы называются ферментами.

     Действие некоторых ферментов можно наблюдать на опыте, если опустить в пробирки с небольшим количеством пероксида водорода по кусочку сырой моркови, картофеля или мяса. Произойдет бурное выделение кислорода. Это «работает» фермент каталаза, который содержится почти во всех растительных и животных клетках. Однако, если в раствор пероксида водорода опускать по кусочку вареной моркови или мяса, то выделения кислорода не происходит: при варке каталаза разрушилась.
     Следует отметить и еще одну особенность ферментов – они действуют в строгом интервале температур и в строго определенной среде. Например, фермент слюны – птиалин, с которым вы познакомитесь при изучении темы «Пищеварение в ротовой полости» на уроках анатомии, действует на крахмал пищи лучше всего при температуре 35–40 °С в слабощелочной среде. В желудке птиалин уже не «работает», т.к. там среда кислая и начинается действие уже другого фермента – пепсина, расщепляющего белки пищи.
     Теперь вам должно быть понятно, почему в инструкциях по применению стиральных порошков, содержащих ферменты (их еще называют энзимами), рекомендуется строго придерживаться указанного интервала температур.
     Клетки живых организмов четко соблюдают заданную им природой «инструкцию» по использованию ферментов. Под действием этих природных катализаторов в клетках происходит распад молекул белков, жиров и углеводов, поступивших с пищей, и синтез новых молекул, которые точно соответствуют потребностям данного организма. Вот почему великий русский физиолог И.П.Павлов назвал ферменты носителями жизни.
      Полезно также знать, что помимо катализаторов, увеличивающих скорости химических реакций, есть вещества, которые, наоборот, их уменьшают. Они называются ингибиторами (от греч. inhibeo – сдерживать, останавливать). Значение ингибиторов так же велико, как и катализаторов. Например, коррозию металлов удается резко уменьшить именно с помощью ингибиторов.
     Итак, мы выяснили, что скорость химической реакции зависит от следующих факторов: от природы реагирующих веществ, концентрации, температуры, площади соприкосновения реагирующих веществ (для гетерогенных реакций) и катализатора.

? 1. Что называется скоростью химической реакции? От каких факторов она зависит?
2. Сравните понятия «скорость движения» и «скорость химической реакции». Что между ними общего?
3. Сформулируйте правило Вант-Гоффа.

4.Напишите 5 факторов влияющих на скорость химических реакций.
5. Что такое катализаторы? На какие группы их можно разделить? Где наиболее эффективно можно использовать ингибиторы?
6. Почему при обработке порезов и других ран пероксидом водорода наблюдается бурное вспенивание препарата?
7. Почему продукты питания хранят в холодильниках?