Середня швидкість хімічної реакції

1. Поняття про хімічну кінетику

Реакції можуть проходити з різною швидкістю.

Миттєво відбуваються реакції, які супроводжуються вибухом, наприклад, взаємодія водню з киснем. 

Швидко, але не миттєво горить залізо в хлорі.

З іншого боку, існує велика кількість реакцій, що протікають протягом більш тривалого часу: декількох годин або років. Прикладом таких реакцій є корозія металів, руйнування під дією кислотних дощів пам’ятників і архітектурних споруд з мармуру та вапняку тощо.

При виборі реакцій для використання їх у промисловості одним з вирішальних параметрів є їхня швидкість, оскільки вона обумовлює продуктивність і ефективність виробництва.

• Розділ хімії, що вивчає швидкість хімічних процесів і вплив на них різних чинників, називається хімічною кінетикою.

Вплив природи реагентів на швидкість хімічної реакції

Щоб речовини вступили в реакцію зв’язки між частинками необхідно розірвати. Тому швидкість хімічної реакції залежить від

• типу і міцності хімічних зв’язків в молекулах реагентів, що мають молекулярну будову
• будови і міцності кристалічної ґратки речовин немолекулярної будови (іонних або атомних кристалів)
• будови електронної оболонки атома, міцності зв’язування зовнішніх електронів в атомах металів, благородних газів.

Вплив природи реагентів на швидкість реакції можна побачити під час дослідження  взаємодії металів з хлоридною кислотою, спостерігаючи за виділенням бульбашок водню: цинк реагує швидше заліза, а мідь не реагує зовсім (відео 1). В цьому випадку швидкість хімічної реакції залежить від електродного потенціалу металу.

У цинку стандартний електродний потенціал менший ніж у заліза, тому цинк легше окиснюється. У міді електродний потенціал більший за електродний потенціал водню, тому мідь не відновлює водень з кислот.

Інший приклад – взаємодія металу, наприклад, цинку з сильною кислотою і слабкою. Сила кислот залежить від міцності зв’язку між атомом Гідрогену і елементом кислотного залишку.

2. Класифікація хімічних реакцій за наявністю межі поділу фаз

Для визначення швидкості хімічної реакції треба врахувати, що реакції бувають гомогенні і гетерогенні.

• Гомогенними називають реакції, які відбуваються в усьому об’ємі системи, що складається з однієї фази. 

Гомогенні реакції рівномірно протікають у всьому об’ємі газової суміші (наприклад суміші водню з киснем), або рідкого розчину декількох речовин в одному розчиннику, наприклад, натрій карбонату і сульфатної кислоти у воді, реакція нейтралізації тощо.

• Гетерогенні – реакції, що відбуваються в системах, які складаються більш ніж з однієї фази.

Гетерогенні реакції проходять тільки на поверхні поділу фаз: там, де речовини, що реагують, можуть контактувати.  Наприклад, на поверхні твердої речовини, яка взаємодіє з рідиною чи газом, або на поверхні рідини, що взаємодіє з газуватою речовиною. Гетерогенними є і реакції між двома рідинами, якщо ці рідини не змішуються між собою, та реакції між речовинами у твердому стані. Прикладами гетерогенних реакцій можуть бути горіння твердих речовин, взаємодія металів з кислотами, вуглекислого газу з основними оксидами й кристалічними лугами та інші.

3. Середня швидкість хімічної реакції

• Середня швидкість гомогенної реакції визначається зміною кількості речовини реагенту або продукту реакції в одиниці об'єму суміші  за одиницю часу.

v = ±Δn/(V·Δt),

де Δn – зміна  кількості речовини (n₂-n₁), моль;

V – об'єм суміші, л;

Δt – відрізок часу (t₂-t₁), с;

v – швидкість хімічної реакції,  моль/(л·с).

Якщо реакція відбувається в сталому об'ємі, то швидкість реакції можна виразити через зміну молярної концентрації речовин (С=n/V):

v = ± ΔС/Δt

ΔС – зміна концентрації речовини (С₂-С₁), моль/л;

Швидкість реакції можна вимірювати за зміною концентрації як реагентів, так і продуктів реакції. З часом концентрації реагентів зменшуються, отже, С₂-С₁ <0, а оскільки швидкість реакції завжди позитивна, то перед дробом слід поставити знак «-». Якщо швидкість реакції обчислювати за зміною продукту реакції, концентрація якого поступово збільшується, тому С₂-С₁ >0, перед дробом слід поставити знак «+».

Швидкість реакції можна вимірювати за зміною концентрації будь-якого з реагентів або продуктів, але чисельне значення швидкості залежить від цього вибору, наприклад, розглянемо реакцію взаємодії азоту з воднем:

N₂ + 3H₂ =2NH₃.

Якщо під час цієї реакції прореагує 1 моль азоту і  3 моль водню, то утвориться  2 моль амоніаку.

Залежність концентрації будь-якого учасника реакції від часу можна представити у вигляді графіків (мал. 1).

Отже, швидкість, яку виміряно за зменшенням водню, не дорівнює швидкості, яку виміряно за зменшенням азоту, або за збільшенням амоніаку.

Значення швидкості витрачання N₂, Н₂, та утворення  NН₃ різні, але пов’язані між собою співвідношенням 1: 3: 2, які дорівнюють співвідношенню кількості речовин за рівнянням реакції.

• Середньою швидкістю  хімічної реакції називається відношення швидкості утворення продукту реакції, або швидкості витрачання вихідної речовини, до відповідного стехіометричного коефіцієнта.

• Швидкість гетерогенних реакцій вимірюється кількістю речовини, що вступає в реакцію або, що утворюється за одиницю часу, на одиниці поверхні:

v = ±Δn/(S·Δt).

4. Залежність швидкості гетерогенної реакції від площі поверхні контакту реагентів

Наприклад, вугілля для приготування пороху розтирають в порошок. Рідину для реакції з газом розпилюють на дрібні крапельки: так, бензин за допомогою спеціального пристрою, що забезпечує розпилення, вприскують у карбюратор, де паливо змішується з повітрям.

Щоб розпалити багаття, під дрова підкладають дрібні скіпочки або хвою, а під них – зім’ятий папір, збільшуючи площу поверхні речовин, що легко спалахують, від яких і займається все багаття. Навпаки, гасіння пожежі водою полягає в зменшенні площі зіткнення палаючих предметів з повітрям.

На виробництві використовують так званий киплячий шар. Тверду речовину для підвищення швидкості реакції подрібнюють майже до стану пилу, а потім через нього пропускають знизу іншу речовину, як правило газоподібну.