Чем фейеверк отличается от пламени свечи?
Химические реакции вокруг и внутри нас протекают с очень разной скоростью. Некоторые из них молниеносны, а некоторые – крайне медленны. Мы на собственном опыте знаем, что огни фейерверков вспыхивают и гаснут за несколько секунд, а свечи горят в течение нескольких часов. Благодаря этому мы можем наслаждаться и красочными салютами, и уютными вечерами при свечах. Скорость реакций, протекающих в живых организмах, как правило, невелика. Так, окисление питательных вещетсв под воздействием кислорода в человеческом организме происходит намного медленнее, чем горение свечи.
Скорость химической реакции
В повседневной жизни мы привыкли ассоциировать скорость, в первую очередь, со скоростью движения на дорогах, например со скоростью движения автомобиля. Скоростью могут быть описаны и другие происходящие во времени изменения, в том числе и химические реакции. Скорость процессов и явлений всегда характеризуется изменением в единицу времени. Например, скорость автомобиля, движущегося из Тарту в Таллинн, определяется количеством километров, пройденных за единицу времени (километров в час). Скорость химической реакции также определяется изменением во времени: чем быстрее реакция, тем большее количество исходных материалов вступает в реакцию в единицу времени и тем большее количество продукта образуется.
Скорость химических реакций может быть очень различной. Очень медленные реакции могут протекать в течение нескольких тысяч или даже миллионов лет, например разнообразные геологические процессы в земной коре.
Существуют и такие реакции, которые протекают со сверхскоростью, за десятые доли секунды. Это, в первую очередь, взрывные реакции, такие как взрыв некоторых газов. Очень быстро протекают и ионные реакции в растворах, например, реакция нейтрализации.
Многие из реакций, в том числе и взаимодействие металлов с растворами кислот, протекают с умеренной скоростью, что позволяет следить за ходом реакции.
Скорость химической реакции определяется изменением количества исходного вещества или продукта реакции за единицу времени в единице объема.
- Взрыв пороха
- Растворение известняка при образовании карстовых пещер
- Ржавление железа
- Реакция щелочного металла с кислотой
- Фотосинтез
- Взаимодействие NaOH и H2SO4
Факторы, влияющие на скорость реакции
В большинстве случаев человек заинтересован в ускорении той или иной химической реакции. В промышленности, например, ускорение реакции имеет огромное значение и позволяет увеличить объем выпускаемой за единицу времени продукции. Однако существуют реакции (например, ржавление железа), скорость которых пытаются замедлить.
Свойства реагирующих веществ
Скорость химической реакции, в первую очередь, зависит от того, какие вещества в ней участвуют, то есть от свойств реагирующих веществ. Сравнивая, например, реакцию различных металлов с кислотой, можно заметить, что чем активнее металл, тем быстрее протекает реакция (скорость реакции легко оценить по количеству выделяющегося водорода).
Температура
Одним из наиболее важных факторов, влияющих на скорость реакции, является температура. При ее повышении скорость всех реакций увеличивается, потому как энергия исходного материала растет, частицы взаимодействующих веществ движутся быстрее, и их столкновение становится более сильным.
Концентрация реагирующих веществ
Чем больше содержание реагирующих веществ в растворе (или газовой смеси), тем чаще частицы сталкиваются друг с другом, и тем быстрее протекает реакция.
Сравним скорость реакции цинка с разбавленным и концентрированным растворами соляной кислоты. Чем концентрированнее кислота, тем больше ионов водорода сталкивается с металлом в единицу времени, из-за чего скорость реакции увеличивается.
Перемешивание и измельчение твердых частиц исходного вещества
При перемешивании скорость протекания реакции неcколько увеличивается, поскольку частицы более равномерно распределяются по всему объему раствора, а столкновения между частицами учащаются. Измельчение твердых частиц исходного вещества приводит к увеличению площади соприкосновения частиц, что также позволяет увеличить скорость реакции.
Опыты. Исследование скорости реакции
Опыт 1. Влияние температуры на скорость реакции
Задача. Исследуй способность магния взаимодействовать с водой при комнатной температуре и при нагревании. Щелочную среду, образующуюся в результате реакции, можно определить с помощью фенолфталеина (раствор приобретает розовато-красную окраску).
Оборудование: кусочки магния, сосуд с водой, пробирка, нагревательный прибор.
Опыт 2. Влияние температуры на скорость взаимодействия металла и кислоты
Задача. Сравни скорость взаимодействия цинка с кислотой при комнатной температуре и при нагревании. Объясни зависимость скорости реакции от температуры.
Оборудование: кусочки цинка, раствор кислоты, пробирка, нагреватель.
Опыт 3. Влияние концентрации раствора на скорость реакции
Задача. Сравни скорость реакции цинка с раствором кислоты (HCl или H2SO4) разной концентрации. Обоснуй различие в скоростях реакций.
Оборудование: кусочки цинка, раствор(ы) кислоты. В случае необходимости можно самим приготовить растворы кислоты, добавляя к находящейся в сосуде воде концентрированную кислоту. (Вспомни технику безопасности при разбавлении кислот!)
Пояснение. В приведенном выше опыте скорость реакции можно измерить и точнее. Для этого нужно собрать выделяющийся в реакции водород в заполненную водой перевернутую пробирку. Объем водорода, скопившегося в пробирке за единицу времени, пропорционален скорости реакции. Результаты опыта можно нанести на график, отметив на горизонтальной оси время, прошедшее с начала опыта, а на вертикальной оси – объем газа, выделившийся за это время.
Опыт 4. Влияние измельчения исходного вещества на скорость реакции
Задача. Сравни скорость взаимодействия кусочка металла и измельченного металла с раствором кислоты. Также можно сравнивать скорость взаимодействия с раствором кислоты большого куска мрамора и измельченного мрамора. Объясни разницу скоростей реакций при использовании кусочков металла и при использовании измельченного металла.
Оборудование: кусочки металла, порошок металла или металлические гранулы, стружка (например, цинк, железо, алюминий и т. д.) или же кусок мела и порошок мела, раствор кислоты, пробирки и колбы.
Выводы
- Скорость химической реакции определяется изменением количества исходного вещества или продукта реакции за единицу времени (в расчете на единицу объема).
- Реакция ускоряется
- a) при повышении температуры,
- б) при увеличении концентрации реагирующих веществ,
- в) при перемешивании реагирующих веществ,
- г) при увеличении поверхности соприкосновения реагирующих веществ (при измельчении твердого вещества).
Вопросы и задания
- Чем определяется скорость химической реакции?
- Как характер реагирующих веществ влияет на скорость реакции (в случае реакций одного типа)?
- Как повышение температуры влияет на скорость реакции?
- Приведи бытовые примеры того, как скорость химической реакции зависит от температуры.
- Объясни влияние перемешивания на скорость реакции.
- Объясни влияние измельченности вещества на скорость реакции.
- Какие условия реакции следует выбрать, чтобы реакция протекала как можно медленнее?
