Увага, швидкість!

У хімічній науці є особлива область, яка вивчає швидкості і механізми різних реакцій, - хімічна кінетика.

Хоча хімічна теорія може пояснити багато, передбачити теоретично швидкість будь-якої реакції поки не можна. Її вивчають експериментально, в лабораторії, і потім розробляють способи, як цю швидкість змінити. Є чимало реакцій, важливих для промисловості, які йдуть занадто повільно, потрібно вміти їх прискорювати. Інші реакції, навпаки, доводиться гальмувати, тому що вони шкідливі.

Словом, хімічна кінетика - експериментальна наука. У справедливості її законів можна переконатися, поставивши кілька нескладних дослідів.

Для початку переконався в тому, що швидкість однієї і тієї ж реакції дійсно може змінюватися, і досить значно. (Втім, це можна припустити на підставі не хімічні, а життєвого досвіду; наприклад, продукти на морозі псуються повільніше, ніж на спеці, тому що при різних температурах одні й ті ж біохімічні реакції йдуть з різними швидкостями.)

Для перевірки повторіть досвід з глави «Хімічні годинник». але змінюйте на цей раз не концентрації речовин (це вам вже знайомо), а температуру. Якщо обидва вихідних розчину - сульфату натрію і йодату калію з сірчаною кислотою - виливати в воду з льодом, то часу до появи синього забарвлення пройде помітно більше, ніж при використанні теплої води. Зауважте тільки, що в дуже гарячій воді забарвлення не з'являється зовсім, так як забарвлене з'єднання йоду з крохмалем нестійкий.

Отже, ви з'ясували на досвіді: чим вище концентрація і температура, тим швидше йде реакція. Але деякі реакції на перший погляд здаються винятком з правила. Ось приклад.

Налийте в пробірку на висоту 1-2 см оцтової кислоти і киньте в неї кілька шматочків цинку. Цинк треба попередньо очистити, зануривши його секунд на двадцять в розчин соляної кислоти і промивши водою.

Оцтова кислота слабка, і цинк розчиняється в ній дуже повільно - бульбашки водню ледве виділяються. Як прискорити реакцію? Нагріти розчин. Правильно. А чи не можна інакше? Зробимо так: потроху станемо додавати в пробірку чисту воду, кожного разу добре перемішуючи. Уважно стежте за бульбашками. Дивна річ: кислота вже розбавлена ​​вдвічі, втричі, а реакція замість того щоб сповільнюватися, йде все швидше!

Якщо ви ставите цей досвід на заняттях гуртка, то замініть цинк маленьким шматочком магнієвої стружки і нічим її не опрацьовується. З розведеної оцтової кислотою магній реагує ще енергійніше, ніж цинк.

Таке «виключення» з правила стає зрозумілим, якщо його добре вивчити. Наш досвід з оцтовою кислотою пояснюється наступним чином. Швидкість, з якою цинк або магній взаємодіють з кислотою, залежить від концентрації іонів водню в розчині. Ці іони утворюються при розчиненні у воді будь-якої кислоти. Але коли води мало, слабка оцтова кислота знаходиться в розчині майже виключно у вигляді недіссоціірованних молекул. У міру розведення водою все більше молекул оцтової кислоти розпадається на іони, і реакція йде швидше. Але якщо додати занадто багато води, то реакція знову сповільниться, вже з іншої причини: через сильний розведення концентрація іонів водню знову зменшиться. Швидше за все реагує з цинком 15% оцтова кислота.

Звичайно, ми розібрали цей досвід аж ніяк не заради того, щоб просто показати, якими незвичайними бувають хімічні перетворення. Ми хотіли звернути вашу увагу ось на що: для управління швидкістю реакції обов'язково треба знати, як вона йде.

Будь-яка реакція починається з того, що молекули речовин стикаються один з одним. Подивимося, як починається реакція.

Візьміть не надто широку скляну трубку завдовжки в кілька десятків сантиметрів і підберіть до неї дві пробки. З внутрішньої сторони, зверненої до трубки, вставте в обидві пробки по невеликому скляному стержні і намотайте на них по шматочку вати. Один шматочок змочіть декількома краплями концентрованої соляної кислоти, інший - концентрованим розчином аміаку. Одночасно вставте пробки з ватками в трубку з обох кінців. Через кілька хвилин - залежно від довжини трубки - в ній, ближче до ватці з соляною кислотою, з'явиться біле кільце хлориду амонію NH4 Cl.

Зазвичай при хімічних реакціях суміш перемішують, щоб процес йшов швидше. Ми навмисне цього не зробили і не намагалися навіть допомогти молекулам зустрітися - вони рухалися самі. Таке самостійне пересування молекул в тому чи іншому середовищі називають дифузією. Випаровуючись з вати, молекули обох речовин відчували мільярди зіткнень в секунду з молекулами повітря і один з одним. І хоча швидкість молекул дуже велика, вона обчислюється сотнями метрів в секунду, при 0 ° С і нормальному тиску вільний пробіг, т. Е. Відстань, яке встигає пройти молекула від одного зіткнення до іншого, становить для цих речовин всього близько 0,0001 мм . Тому-то аміак і хлористий водень (з соляної кислоти) так повільно рухалися в трубці. Настільки ж повільно поширюється по кімнаті з нерухомим повітрям пахуче речовина.

Але чому біле кільце з'явилося не посередині трубки? Тому, що молекули аміаку менше, вони просуваються через повітря швидше. Якщо ж з трубки відкачати повітря, то молекули аміаку і хлористого водню зустрінуться через частки секунди - довжина вільного пробігу молекул значно збільшиться.

Від газів перейдемо до рідин. У них дифузія йде ще повільніше. Перевіримо це на досвіді.

На гладку і чисту скляну пластинку капніть поруч по кілька крапель трьох рідин: в середині - води, з боків від неї - розчинів соди і соляної кислоти. Рідини до початку досліду не повинні стикатися. Потім дуже обережно, уникаючи перемішування, паличкою з'єднайте розчини. Повинен виділятися діоксид вуглецю, але це відбудеться не відразу. А коли газ почне виділятися, то бульбашки його розташуються уздовж кордону, що розділяє області дифузії кислоти і соди.

Замість соди і кислоти можна взяти два будь-яких розчинних у воді речовини, які при змішуванні фарбуються або дають осад. Втім, в таких дослідах важко уникнути потоків рідини, що спотворюють картину, тому краще ставити досліди в загущених розчинах. А загущать їх можна желатиною.

Приготуйте 4% -ний розчин желатину, опустивши її в гарячу воду (не кип'ятити!). Гарячий розчин налийте в пробірку і, коли він охолоне, в центр пробірки швидко, одним рухом, введіть пінцетом кристалик перманганату калію, мідного купоросу або іншого яскраво пофарбованого і розчинної у воді речовини. Пінцет відразу ж вийміть обережним, але швидким рухом. Протягом декількох годин можна спостерігати дуже красиву картину дифузії. Розчиняється речовина поширюється в усіх напрямках з однаковою швидкістю, утворюючи забарвлену сферу.

З загущених розчином можна поставити ще один досвід. Налийте гарячий желатиновий розчин в дві пробірки і додайте в одну трохи розчину лугу, а в іншу - фенолфталеїну. Коли вміст пробірок застигне, пінцетом швидко введіть в центр першої пробірки шматочок таблетки фенолфталеїну, в центр другий - грудку кальцинованої соди. В обох випадках з'явиться малинова забарвлення. Але зауважте: у другій пробірці забарвлення поширюється набагато швидше. Іони гідроксиду, що утворилися при дисоціації лугу, набагато менше і легше складної органічної молекули фенолфталеїну, і тому вони рухаються в розчині швидше.

Перейдемо тепер до твердих речовин. У реакціях між ними (або між твердою речовиною з рідиною або газом) молекули можуть стикатися тільки на поверхні. Чим більше поверхня розділу, тим швидше йде реакція. Переконаємося в цьому. Залізо на повітрі не горить. Однак це справедливо тільки для залізних предметів. Наприклад, у цвяхів поверхню контакту з повітрям невелика, реакція окислення йде занадто повільно. Залізні тирсу реагують з киснем набагато швидше: на холоду раніше перетворюються в іржу, а в полум'ї можуть і спалахнути. Найдрібніші ж крупинки здатні спалахнути взагалі без нагрівання. Таке залізо називають пірофорним. Його неможливо настругати навіть найдрібнішим напилком, так що отримують його хімічним шляхом, наприклад, розкладаючи сіль щавлевої кислоти - оксалат заліза.

Потроху і дуже обережно висипайте вміст пробірки на металевий або азбестовий лист: порошок буде спалахувати яскравими іскрами. Особливо ефектний досвід в затемненому приміщенні.

Важливе попередження: ПІРОФОРНА залізо не можна зберігати, це може призвести до пожежі! Після закінчення досвіду порошок обов'язково прожарити на повітрі або обробіть кислотою, щоб не залишилося незгорілих частинок - вони можуть самозапалившись.

Далі досліджуємо, як впливає розмір поверхні твердого речовини на швидкість його реакції з рідиною. Візьміть два однакових шматочка крейди і один з них розітріть в порошок. Помістіть обидва зразки в пробірки і залийте однаковими обсягами соляної кислоти. Мелкораздробленного крейда, як і слід було очікувати, розчиниться набагато швидше. Ще один шматочок крейди помістіть в пробірку з сірчаною кислотою. Розпочата було енергійна реакція незабаром затихає, а потім і зовсім припиняється. Від чого ж? Адже сірчана кислота не слабкіше соляної.

При реакції крейди з соляною кислотою утворюється хлорид кальцію СаСl2 який легко розчиняється у воді і не заважає притоку до поверхні крейди нових порцій кислоти. При взаємодії з сірчаною кислотою виходить сульфат кальцію CaSO4. а він дуже погано розчиняється у воді, залишається на поверхні крейди і закриває її. Щоб реакція пішла далі, треба час від часу очищати поверхню крейди або заздалегідь перетворити його в порошок. Знання таких подробиць процесу дуже важливо для хімічної технології.

І ще один досвід. Змішайте в ступці два твердих речовини, що дають пофарбовані продукти реакції: нітрат свинцю і йодид калію, залізний купорос і червону кров'яну сіль, і т. Д і розітріть суміш товкачиком. Поступово, у міру розтирання, суміш почне забарвлюватися, так як поверхня взаємодії речовин все збільшується. Якщо ж налити на суміш трохи води, то відразу з'явиться інтенсивне забарвлення - адже в розчині молекули пересуваються значно легше.

І на закінчення дослідів по кінетиці поставимо кількісний експеримент; єдиний інструмент, який знадобиться, - це секундомір або годинник із секундною стрілкою.

Приготуйте 0,5 л 3% -ного розчину сірчаної кислоти (лити кислоту у воду!) І стільки ж 12% -ного розчину тіосульфату натрію. Перед розчиненням тиосульфата додайте у воду кілька крапель нашатирного спирту.

На дві циліндричні склянки (стакани, стопки) місткістю 100 мл нанесіть мітки на рівні 50; 25; 12,5 і 37,5 мл, послідовно розділяючи висоту навпіл. Помітьте склянки і налийте в них до верхніх позначок (50 мл) приготовлені розчини.

Звичайний тонкий стакан місткістю 200 або 250 мл поставте на темну папір і вилийте в нього розчин тіосульфату, а потім - кислоти. Відразу зауважте час і перемішуйте суміш протягом однієї-двох секунд. Щоб не розбити склянку, краще користуватися дерев'яною паличкою. Як тільки розчин почне мутнеть, запишіть час, що минув з початку реакції. Досвід зручно проводити удвох: один стежить за годинником, інший зливає розчини і сигналізує про помутніння.

Вимийте стакан і проведіть досвід ще тричі; розчин тіосульфату наливайте в склянку до третьої (37,5), другий (25) і першої (12,5 мл) міток, доливаючи кожен раз воду до верхнього ділення. Кількість кислоти в усіх дослідах залишається постійним, і загальний обсяг реагує суміші завжди дорівнює 100 мл.

Тепер накресліть графік: як залежить швидкість реакції від концентрації тіосульфату. Концентрацію зручно виразити в довільних одиницях: 1, 2, 3 і 4. Відкладіть їх на осі абсцис. Але як підрахувати швидкість реакції?

Точно це зробити не можна хоча б тому, що момент помутніння ми визначаємо на око, певною мірою суб'єктивно. До того ж помутніння показує тільки, що дрібні частки сірки, які виділяються в ході реакції, досягли такого розміру, що їх можна помітити. І все ж, за відсутністю кращого, приймемо початок помутніння за закінчення реакції (що, до речі, не дуже далеко від істини). Зробимо ще одне припущення: швидкість реакції обернено пропорційна її тривалості. Якщо реакція йшла 10 секунд, то будемо вважати, що швидкість дорівнює 0,1. Відкладіть швидкості на осі ординат.

Чотири досвіду дали чотири точки, п'ята - початок координат. Всі п'ять точок розташуються приблизно на одній прямій. Її рівняння записується так:

де v- це швидкість реакції, квадратні дужки - прийняте в хімічній кінетиці позначення концентрації, а k- константа швидкості, яку легко знайти з графіка.

Але швидкість реакції повинна залежати і від концентрації сірчаної кислоти. Залишаючи кількість тіосульфату незмінним і розбавляючи сірчану кислоту, перевірте, як змінюється швидкість реакції. Як не дивно, вона не змінюється!

Такі випадки не рідкість. У нашому досвіді йде складна реакція, і її продукт - сірка виділяється не відразу при безпосередніх зіткненнях молекул тіосульфату і кислоти. І взагалі реакцій, де продукти виходять відразу, не так вже й багато.

У складних послідовних реакціях якась стадія протікає повільніше інших. У нашому випадку - остання, в якій і утворюється сірка. Саме її швидкість ми, по суті справи, і вимірювали.

О. Ольгин. "Досліди без вибухів"
М. "Хімія", 1986