§ 21. Факторы, влияющие на скорость химических реакций

Знание скоростей химических реакций и закономерностей их протекания имеет большое научное и практическое значение. Например, в химической промышленности от скорости реакций зависят конструкция, размеры и производительность аппаратуры и даже безопасность производства.

Как было отмечено в предыдущем параграфе, скорость химической реакции определяется природой реагирующих веществ. Но скорость можно увеличить или уменьшить, изменяя условия протекания реакции.

К факторам, существенно влияющим на скорость химических реакций, относятся концентрация реагентов, температура, наличие и природа катализатора, площадь поверхности соприкосновения реагентов.

Концентрация реагирующих веществ

Скорость реакции пропорциональна числу столкновений, которые претерпевают частицы реагирующих веществ. Чем выше концентрации исходных веществ в реакционной смеси (растворе), тем чаще их частицы сталкиваются между собой, что и приводит к увеличению скорости реакции.

Температура

Скорость большинства химических реакций сильно зависит от температуры. Эту зависимость в 1884 году установил голландский химик Я. Х. Вант-Гофф — первый лауреат Нобелевской премии по химии. Он сформулировал правило, названное впоследствии его именем.

При повышении температуры на каждые 10 °С скорость большинства химических реакций увеличивается в 2–4 раза.

Математическое выражение зависимости скорости реакции от температуры имеет вид: υ₂ = υ₁ ∙ γ^Δt/10, где:

• υ₂ — скорость реакции при более высокой температуре t₂;
• υ₁ — скорость реакции при более низкой температуре t₁;
• Δt — разность температур t₂ и t₁;
• γ — коэффициент Вант-Гоффа, который показывает, во сколько раз увеличивается скорость реакции при повышении температуры на каждые 10 °С.

Так, если γ = 3, а при 20 °С реакция длится около 10 часов, то при 100 °С она пройдёт примерно за 6 секунд. Для большинства практически значимых реакций γ имеет значения от 2 до 4.

Изучая, как изменяются свойства полимеров, лекарств, масел, смазок и многих других материалов в процессе хранения, их выдерживают некоторое время при повышенных температурах. Это значительно ускоряет химические реакции распада, гидролиза, окисления веществ и другие естественные процессы, протекание которых в итоге приводит к непригодности материалов и изделий из них. Такой способ тестирования называют ускоренным старением и используют для предварительной оценки полезного срока службы изделий или срока их годности (хранения).

Выдерживание бумаги при 100 °С в течение 24 часов соответствует сроку её хранения в течение 6–8 лет при комнатной температуре. Этот приём необходим для определения продолжительности использования книг и документов.

Уменьшение температуры хранения пищевых продуктов замедляет химические процессы их порчи: окисления, разложения и др. Так, срок годности сливочного масла при температурах хранения +3, –6 и –16 °С составляет соответственно 35, 60 и 120 суток.

Катализаторы

Проведение химических реакций в присутствии катализаторов является одним из основных способов увеличения скорости превращений веществ.

Катализ — это процесс ускорения химической реакции под действием катализатора.

Напомним, что катализаторы ускоряют химические реакции, но не входят в состав конечных продуктов. Количество катализатора, в отличие от других реагентов, практически не изменяется после реакции. Химические реакции в присутствии катализатора протекают быстрее, поскольку он обеспечивает альтернативный путь превращения.

Рассмотрим действие катализатора на примере реакции:

А₂ + Б₂ = 2АБ.

Без катализатора эта реакция протекает медленно. Катализатор К быстро реагирует с одним из исходных веществ, например А₂, и образует реакционноспособное промежуточное соединение А₂K:

А₂ + K = А₂K (быстрая реакция).

Промежуточное соединение A₂K активно взаимодействует с другим реагентом — Б₂, превращаясь в продукт реакции АБ. Катализатор K высвобождается без изменения:

А₂K + Б₂ = 2АБ + K (быстрая реакция).

Взаимодействие реагентов A₂ и Б₂ по многостадийному каталитическому пути в целом протекает гораздо быстрее, чем без катализатора.

Катализатор многократно вступает в химическое взаимодействие с участниками превращения, но свой химический состав восстанавливает. Катализатор не включается в продукты реакции.

Например, реакция этерификации между карбоновой кислотой и спиртом протекает значительно быстрее в присутствии сильной минеральной кислоты:

Для окисления оксида серы(IV) SO₂ в оксид серы(VI) SO₃ кислородом воздуха используют катализатор V₂O₅:

Скорость этой реакции в присутствии катализатора увеличивается примерно в 10 000 раз.

Площадь поверхности соприкосновения реагирующих веществ

На скорость гетерогенных реакций сильное влияние оказывает величина площади поверхности соприкосновения реагентов. Проведём два эксперимента и убедимся в этом. Для этого в две пробирки нальём разбавленную соляную кислоту равных объёмов. В первую пробирку опустим кусочек мрамора (CaCO₃), а во вторую — мраморную крошку (СaCO₃) той же массы. Видно, что более интенсивное выделение газа происходит в пробирке с крошкой, и реакция с ней протекает быстрее, чем с кусочком мрамора.

Из повседневного опыта нам известно, что деревянные стружки и щепки сгорают быстрее, чем полено из того же дерева и той же массы. Это объясняется тем, что у стружек общая площадь горящей поверхности намного больше, чем у полена.

Таким образом, бо́льшая площадь поверхности соприкосновения реагентов обеспечивает бо́льшую вероятность контакта взаимодействующих частиц и увеличение скорости гетерогенных реакций. Предельным случаем «дробления» реагентов является их растворение и использование в виде растворов.

Вопросы, задания, задачи

1. Укажите расположение магния, цинка, железа и меди в ряду активности металлов. Как это отражается на скорости их реакции с растворами кислот?

2. Почему для протекания химической реакции, как правило, недостаточно простого столкновения частиц реагентов? Какие процессы предшествуют образованию новых связей в продуктах реакции?

3. Что такое энергия активации реакции? Почему молекулы реагентов, имеющие запас энергии меньше, чем Е_а, не вступают в химическую реакцию?

4. Предложите пути увеличения скорости реакции:

2Al(OH)₃ = Al₂O₃ + 3H₂O – Q.

5. Почему скорость большинства реакций возрастает при повышении температуры?

6. Почему многие лекарства хранят в холодильнике?

7. Какие вещества называются катализаторами? Приведите примеры известных вам реакций, протекающих в присутствии катализаторов.

8. Перечислите все факторы, увеличивающие скорость реакции синтеза аммиака:

9. В закрытом сосуде постоянного объёма протекает химическая реакция: А_(г) + Б_(г) = В_(г). До начала реакции молярная концентрация A составляла 5 моль/дм³. Скорость реакции по веществу А равна 0,06 моль/(дм³ ∙ с). Рассчитайте концентрацию вещества A через 20 с после начала реакции.

10. В химический реактор объёмом 50 дм³ ввели газообразное вещество А количеством 20 моль и газообразное вещество Б количеством 60 моль, между которыми произошла реакция А_(г) + 2Б_(г) = В_(г). Через 3 минуты концентрация вещества А уменьшилась наполовину. Определите скорость расходования вещества Б.

§ 21.1

*Самоконтроль

1. Скорость химических реакций зависит от:

• а) поверхности соприкосновения веществ;
• б) температуры;
• в) количества вещества;
• г) молярной концентрации вещества.

2. Взаимодействие гранул цинка с соляной кислотой будет ускоряться при:

• а) увеличении концентрации кислоты;
• б) измельчении цинковых гранул;
• в) охлаждении реакционной смеси;
• г) разбавлении кислоты.

3. Без катализатора протекают реакции:

• а) NaOH + HCl = NaCl + H₂O;
• б) BaCl₂ + H₂SO₄ = BaSO₄↓+ HCl;
• в) C₂H₄ + H₂ = C₂H₆;
• г) AgNO₃ + NaCl = AgCl↓ + NaNO₃.

4. В таблице приведены значения энергии активации для реакции разложения пероксида водорода 2H₂O₂ = 2H₂O + O₂↑ без и в присутствии катализатора:

Скорость разложения пероксида водорода будет наибольшей:

• а) на платиновом катализаторе;
• б) приведённые данные не позволяют сделать такой вывод;
• в) при ферментативном разложении в присутствии каталазы;
• г) в отсутствие катализаторов.

5. При увеличении температуры на каждые 10 °С скорость некоторой реакции возрастает вдвое. Температура реакционной смеси изменилась от 20 °С до 60 °С. Скорость реакции при этом возросла в:

• а) 8 раз;
• б) 16 раз;
• в) 64 раза;
• г) 128 раз.