Реакция жылдамдығы
Оқулық: Оспанова М.Қ., Аухадиева Қ.С., Белоусова Т.Г. Химия: 9-сынып, 1-бөлім. — Алматы: Мектеп, 2019. Мәтін — оқулық тақырыптары бойынша өз сөзімізбен жазылған конспект. Жақшадағы бет — параграфтың басталатын беті.
§14. Химиялық реакция жылдамдығы (9-сынып 1-бөлім, 56-б.)
Химиялық реакциялар әртүрлі жылдамдықпен жүреді: жарылыс, күміс хлоридінің тұнбаға түсуі секунд ішінде өтеді; темірдің тот басуы, тағамның бұзылуы күндер мен айларға созылады; тау жыныстарының үгітілуі мыңдаған жылдар жүреді.
Біртекті (гомогенді) жүйе — реагенттер бір фазада (газдар қоспасы, ерітінді). Әртекті (гетерогенді) жүйе — реагенттер әртүрлі фазада (қатты зат + ерітінді, қатты зат + газ); реакция тек фазалардың шекарасында жүреді.
Біртекті реакцияның жылдамдығы — уақыт бірлігінде көлем бірлігіндегі реагенттің немесе өнімнің зат мөлшерінің (концентрациясының) өзгерісі: v = ΔC / Δt, өлшем бірлігі моль/(л·с).
Мысал: реагенттің концентрациясы 20 секундта 0,5 моль/л-ден 0,3 моль/л-ге дейін төмендеді. v = (0,5 − 0,3) / 20 = 0,01 моль/(л·с).
Әртекті реакцияның жылдамдығы фазалардың жанасу бетінің аудан бірлігіне есептеледі: v = Δn / (S · Δt).
Іс жүзінде жылдамдықты газ бөлінуінің, тұнба түзілуінің немесе түс өзгеруінің тездігімен бақылайды.
Реакция жүру үшін бөлшектер соқтығысуы керек, бірақ кез келген соқтығысу реакцияға әкелмейді: тек жеткілікті энергиясы бар (белсенді) бөлшектердің соқтығысуы ғана тиімді. Бөлшектер реакцияға түсуі үшін қажет ең аз қосымша энергия — активтендіру энергиясы (Ea). Ea неғұрлым аз болса, реакция соғұрлым жылдам жүреді.
§15. Реакция жылдамдығына әсер ететін факторлар (9-сынып 1-бөлім, 58-б.)
-
Әрекеттесуші заттардың табиғаты. Мысалы, бірдей жағдайда калий сумен натрийден жылдам әрекеттеседі; магний тұз қышқылымен мырыштан, мырыш темірден жылдам әрекеттеседі.
-
Концентрация. Концентрация артқанда көлем бірлігіндегі бөлшектер саны, демек соқтығысулар саны өседі, жылдамдық артады. Әрекеттесуші массалар заңы (К. Гульдберг, П. Вааге): тұрақты температурада реакция жылдамдығы әрекеттесуші заттар концентрацияларының (теңдеудегі коэффициенттерге тең дәрежедегі) көбейтіндісіне тура пропорционал. aA + bB → … үшін v = k·[A]ᵃ·[B]ᵇ, k — жылдамдық константасы. Қатты заттардың концентрациясы өрнекке енгізілмейді. Мысал: 2NO + O₂ → 2NO₂, v = k·[NO]²·[O₂]. NO концентрациясын 2 есе арттырса, жылдамдық 4 есе өседі.
-
Температура. Вант-Гофф ережесі: температураны әр 10 °C-қа көтергенде реакция жылдамдығы 2–4 есе артады: v₂ = v₁ · γ^((t₂ − t₁)/10), γ — температуралық коэффициент. Мысал: γ = 2, температура 20 °C-тан 50 °C-қа көтерілді. v₂/v₁ = 2³ = 8 есе. Себебі: қыздырғанда белсенді бөлшектердің үлесі күрт өседі.
-
Жанасу бетінің ауданы (әртекті реакциялар үшін). Затты ұнтақтағанда беті ұлғайып, реакция жылдамдайды: темір ұнтағы қышқылмен шегеден жылдам әрекеттеседі; ұн шаңы, көмір шаңы ауамен жарылғыш қоспа түзеді.
-
Газдар үшін қысым: қысымды арттыру газдардың концентрациясын арттырады.
-
Катализаторлар (өршіткілер) мен ингибиторлар (тежегіштер) — келесі параграфта.
§16. Өршіткілер (катализаторлар). Тежегіштер (ингибиторлар) (9-сынып 1-бөлім, 60-б.)
Өршіткі (катализатор) — реакцияны жылдамдататын, бірақ реакция соңында өзгеріссіз қалатын зат. Катализатордың қатысуымен жүретін реакцияларды каталитикалық, ал құбылысты катализ деп атайды. Катализатор активтендіру энергиясы төмен жаңа реакция жолын ұсынады.
Мысалдар: 2H₂O₂ → 2H₂O + O₂ (MnO₂ немесе каталаза ферменті); 2SO₂ + O₂ ⇄ 2SO₃ (V₂O₅, күкірт қышқылы өндірісі); N₂ + 3H₂ ⇄ 2NH₃ (кеуекті темір, аммиак синтезі); 2KClO₃ → 2KCl + 3O₂ (MnO₂).
Катализ түрлері: біртекті катализ — катализатор мен реагенттер бір фазада (ерітіндідегі иондар); әртекті катализ — катализатор қатты зат, реагенттер газ немесе сұйық (V₂O₅, Pt, Ni). Автомобильдердің каталитикалық бейтараптандырғыштары (Pt, Pd, Rh) улы CO мен азот оксидтерін зиянсыз газдарға айналдырады.
Ферменттер (биокатализаторлар) — тірі ағзадағы белоктық катализаторлар; олар өте тиімді әрі таңдамалы: сілекейдегі амилаза крахмалды, асқазандағы пепсин белоктарды ыдыратады, каталаза сутек пероксидін ыдыратады.
Тежегіш (ингибитор) — реакцияны баяулататын зат. Металдарды жемірілуден қорғауға, тағам мен майлардың бұзылуын баяулатуға (антиоксиданттар, консерванттар), полимерлердің ескіруін тежеуге қолданылады.
Промоторлар — катализатордың белсенділігін арттыратын қоспалар; каталитикалық улар — керісінше, катализаторды істен шығаратын заттар.
№6 зертханалық жұмыс. Реакция жылдамдығына температура, концентрация және бөлшектер өлшемінің әсері (9-сынып 1-бөлім, 62-б.)
1-тәжірибе (температура): күкірт қышқылы ерітіндісі бар екі сынауыққа мырыш немесе алюминий түйірлері салынады, біреуі қыздырылады. Қыздырылған сынауықта сутек әлдеқайда қарқынды бөлінеді.
2-тәжірибе (концентрация): бірдей мырыш түйірлеріне 5%-дық және 10%-дық тұз қышқылы құйылады. 10%-дық ерітіндіде газ тез бөлінеді.
3-тәжірибе (жанасу беті): бір сынауыққа темір түйірі, екіншісіне темір ұнтағы салынып, бірдей тұз қышқылы қосылады. Ұнтақпен реакция тезірек жүреді.
Әр тәжірибеде реакция теңдеуі жазылып (Zn + H₂SO₄ → ZnSO₄ + H₂↑; Fe + 2HCl → FeCl₂ + H₂↑), бақыланған фактордың әсері түсіндіріледі. Қосымша, сутек пероксидіне MnO₂ қосу катализатордың әсерін көрсетеді.
№3 практикалық жұмыс. Реакция жылдамдығына өршіткінің әсері (9-сынып 1-бөлім, 62-б.)
Үш үлкен цилиндрге құйылады: 1) мыс(II) сульфатының ерітіндісі; 2) аммоний гидроксидінің ерітіндісі; 3) осы екі ерітіндінің қоспасы (бұнда көк түсті мыс аммиакаты кешені түзіледі). Үшеуіне де бірдей көлемде сутек пероксиді қосылады.
Бақылау: оттек көпіршіктерінің бөліну жылдамдығы цилиндрлерде әртүрлі — мыс тұзы мен аммиак қоспасы бар цилиндрде пероксид ең қарқынды айырылады. Қорытынды: сутек пероксидінің айырылуын (2H₂O₂ → 2H₂O + O₂↑) мыс қосылыстары, әсіресе мыстың аммиакты кешені, катализдейді; катализатордың табиғаты оның белсенділігін анықтайды.