Читать онлайн
учебники на ANSEVIK.RU

>>> Перейти на полную версию сайта >>>

Учебник для 11 класса

Естествознание

       

§ 16. Скорость химической реакции

  1. Вспомните, что такое катализаторы.
  2. Объясните, что такое ферменты и для чего они нужны живому организму.

Что такое скорость химической реакции. Известно, что одни химические реакции протекают за малые доли секунды, другие же — за минуты, часы, дни. Например, практически мгновенно протекают реакции, которые сопровождаются взрывным эффектом: горение пороха, воспламенение горючей смеси в двигателе внутреннего сгорания автомобиля. При сливании растворов хлорида бария и серной кислоты мгновенно образуется белый осадок сульфата бария:

ВаСl2 + H2SO4 = BaSO4↓ + 2HCl.

Наоборот, реакция ржавления железа (коррозия) идёт так медленно, что проследить за её результатами можно лишь по истечении длительного времени.

Одна и та же реакция может в одних условиях протекать быстро, а в других — медленно. Например, процесс окисления серебра или меди на воздухе тянется годами, а в присутствии озона проходит чрезвычайно быстро. Чтобы характеризовать быстроту течения химической реакции, пользуются понятием «скорость химической реакции», которая обозначается латинской буквой v.

Скорость химической реакции — это изменение концентрации одного из реагирующих веществ или одного из продуктов реакции в единицу времени.

Формула, по которой можно определить скорость реакции:

где С1 и C2 — концентрации реагирующих или образующихся веществ соответственно в момент времени t1 и t2.

Если скорость реакции характеризуют изменением концентрации исходных (реагирующих) веществ, то t2 > t1 a C2 < C1 (концентрация исходного вещества убывает по мере протекания реакции). Так как скорость реакции имеет положительное значение, перед дробью следует поставить знак «минус». При определении скорости реакции по возрастающей концентрации образующихся веществ величина дроби получается положительной.

Знание скорости химических реакций имеет очень большое практическое и научное значение. Например, в химической промышленности от скорости химической реакции зависят размеры и производительность аппаратуры, количество вырабатываемого продукта и в конечном итоге зарплата работников и себестоимость продукции.

Раздел химии, изучающий скорость химических реакций, называется химической кинетикой. Зная её законы, человек получает возможность управлять скоростью химических процессов.

Факторы, влияющие на скорость химической реакции. Данное выше определение и соответствующая ему формула скорости химической реакции справедливы для гомогенных реакций. Если реакция гетерогенная, то она может идти только на поверхности раздела реагирующих веществ. В этом случае скорость химической реакции будет определяться площадью поверхности соприкосновения веществ.

Зависимость скорости гетерогенной реакции от величины поверхности соприкосновения реагирующих веществ показана на рисунке 68. В химических стаканах налита соляная кислота равного объёма и одинаковой концентрации. На стёклах находится мрамор одинаковой массы: для первого опыта кусочек, для второго — порошок. Реакция во втором случае будет проходить очень бурно и гораздо быстрее, чем в первом случае, так как площадь поверхности частиц порошка значительно больше, чем площадь поверхности кусочка мрамора.

Рис. 68. Зависимость скорости химической реакции от площади соприкосновения реагирующих веществ

Скорость химических реакций зависит от природы реагирующих веществ. На рисунке 69 показано взаимодействие двух щелочных металлов — лития и калия с водой. Калий взаимодействует с водой очень бурно и настолько энергично, что даже воспламеняется.

Рис. 69. Зависимость скорости химической реакции от природы вещества: калий (а) взаимодействует с водой более энергично, чем литий (б)

Следующим важнейшим фактором, влияющим на скорость химической реакции, является концентрация реагирующих веществ.

Продемонстрируем это на опыте. Нальём в три пробирки раствор тиосульфата натрия. В первую пробирку — 3 мл, во вторую — 2 мл, в третью — 1 мл. Затем добавим во все пробирки воды столько, чтобы уровень растворов тиосульфата в них стал одинаковым, — 5 мл, т. е. в первую дольём 2 мл воды, во вторую — 3 мл, а в третью — 4 мл.

Понятно, что концентрация раствора тиосульфата в первой пробирке будет наибольшей, а в третьей — наименьшей. Теперь быстро добавим в каждую пробирку (начиная с третьей) по 2 мл раствора серной кислоты и проследим, в какой из них раньше всего выпадет осадок серы. Раньше всего он образуется там, где выше концентрация тиосульфата, т. е. в первой пробирке. Это и понятно: ведь для химического взаимодействия серной кислоты и тиосульфата необходимо, чтобы частички (ионы), из которых они состоят, столкнулись, чем больше число столкновений, тем быстрее протекает реакция. А число столкновений тем больше, чем больше концентрация реагирующих веществ, т. е. количества, или массы, этих веществ в единице объёма.

Ещё один важнейший фактор, от которого зависит скорость химической реакции, — температура. Эта зависимость определяется правилом Вант-Гоффа.

При изменении (повышении или понижении) температуры на каждые 10 °С скорость реакции соответственно изменяется (увеличивается или уменьшается) в 2—4 раза.

Голландский химик Я. Х. Вант-Гофф (1852—1911), сформулировавший это правило, стал первым лауреатом Нобелевской премии по химии, получив её в 1901 г.

Взаимодействия водорода и кислорода при комнатной температуре почти не происходит — так мала скорость реакции. При +500 °С эта реакция протекает всего за 50 мин, а при +700 °С она происходит почти мгновенно:

2 + О0 = 2Н2О.

Катализаторы. Скорость химической реакции зависит также от присутствия катализатора.

Обратимся к опыту. Нальём в пробирку немного 3%-го раствора пероксида водорода Н2О2 и подогреем его. Внесём в пробирку с пероксидом водорода тлеющую лучинку — она не вспыхнет, так как реакция разложения пероксида водорода протекает настолько медленно, что образующегося небольшого количества кислорода недостаточно для качественной реакции на кислород. Теперь насыплем в пробирку немного порошка оксида марганца (IV) MnO2 (рис. 70, а), начнётся бурное выделение пузырьков газа (рис. 70, б), тлеющая лучинка в пробирке ярко вспыхнет (рис. 70, в).

Рис. 70. Разложение пероксида водорода с использованием оксида марганца (IV)

Оксид марганца (IV) увеличивает скорость реакции разложения пероксида водорода во много раз, а сам остаётся по окончании реакции в таком же количестве, в каком был взят изначально.

Вещества, которые изменяют скорость химической реакции, оставаясь к концу её в первоначальном количестве, называются катализаторами.

Оксид марганца (IV) является катализатором химической реакции, которую мы продемонстрировали на опыте.

Процесс изменения скорости химических реакций с помощью катализатора называется катализом, а реакции, идущие с участием катализатора, — каталитическими. Слово «катализ» в переводе с греческого означает «разрушение», т. е. с помощью катализа происходит как бы разрушение длинного пути, который предстоит пройти веществам, вступившим в реакцию. При добавлении катализаторов в исходную смесь реагентов скорость реакции увеличивается в десятки и сотни раз, но в итоге реакции сами катализаторы остаются неизменными по форме, по цвету, по объёму и массе.

Обыкновенное вещество вода может творить чудеса, если выступает в роли катализатора. Например, при взаимодействии порошков алюминия с серой или алюминия с иодом.

Одним из первых исследователей катализа был русский химик Г. И. Гесс (1802—1850). В 1831 г. Гесс опубликовал статью, содержание которой достаточно полно отражено в её названии: «О свойстве весьма мелко раздробленной платины способствовать соединению кислорода с водородом и о плотности платины». Платина применяется химиками редко, так как она катализатор дорогой, но иногда просто незаменимый. Например, с помощью платинового катализатора американским и японским автомобилестроителям удалось добиться почти полного сгорания топлива в двигателях, что, в свою очередь, резко уменьшило содержание вредных примесей в выхлопных газах и сделало чище атмосферу таких больших городов, как Токио и Нью-Йорк.

Катализаторы широко используются в химической промышленности, так как позволяют сократить время химических процессов, уменьшить стоимость химической аппаратуры, сделать производство экологически более чистым и экономически выгодным.

Ферменты. Ещё в древние времена человек наблюдал действие катализаторов брожения при образовании вина и уксуса из виноградного сока или дрожжей при выпечке хлеба.

Биологические катализаторы белковой природы называются ферментами.

Ферменты, как вы знаете, ускоряют жизненно важные химические реакции в клетках организмов. Действие некоторых из них вы можете наблюдать на опыте. Опустите поочерёдно в пробирку с небольшим количеством пероксида водорода по кусочку сырой моркови, картофеля или мяса. Вы заметите бурное выделение кислорода. Это работает фермент каталаза, который содержится почти во всех растительных и животных клетках. Но если в раствор пероксида водорода опустить кусочек варёной моркови или мяса, то выделения кислорода не произойдёт, каталаза при варке разрушилась. Следует отметить и ещё одну особенность ферментов — они действуют в строгом интервале температур и в строго определённой среде. Например, фермент слюны птиалин действует на крахмал пищи лучше всего при температуре +35—40 °С в слабощелочной среде. В желудке птиалин уже не действует, так как там среда кислая. Здесь начинается действие уже другого фермента — пепсина, который расщепляет белки пищи.

Теперь вам должно быть понятно, почему в инструкциях по применению стиральных порошков, содержащих ферменты (их ещё называют энзимами), рекомендуется строго придерживаться указанного интервала температур.

Клетки живых организмов чётко соблюдают заданную им природой «инструкцию» по использованию ферментов. Под действием ферментов-катализаторов в клетках происходит распад молекул белков, жиров и углеводов, поступивших в организм с пищей, и синтез новых молекул, которые точно соответствуют потребностям данного организма. Не случайно великий русский физиолог И. П. Павлов (1849—1936) назвал ферменты «носителями жизни».

В заключение необходимо добавить, что помимо катализаторов, увеличивающих скорость химических реакций, есть вещества, которые, наоборот, эту скорость уменьшают. Они называются ингибиторами (от лат. inhibeo — сдерживать, останавливать). Значение ингибиторов так же велико, как и катализаторов. Например, коррозию металлов удаётся резко уменьшить именно с помощью ингибиторов.

Следующий параграф будет посвящён обратимым и необратимым химическим реакциям, химическому равновесию и общему закону его смещения в зависимости от внешних факторов.

Теперь вы знаете

  • определение и формулу скорости химической реакции
  • факторы, влияющие на скорость химической реакции
  • что такое катализаторы, ферменты

Теперь вы можете

  • определить скорость химической реакции по формуле
  • перечислить факторы, которые влияют на скорость химической реакции, и сформулировать правило Вант-Гоффа
  • дать сравнительную характеристику катализаторов и ингибиторов
  • объяснить, почему физиолог И. П. Павлов назвал ферменты «носителями жизни»

Выполните задания

  1. Сравните понятия «скорость движения» и «скорость химической реакции» и покажите, что между ними общего.
  2. Запишите формулу, по которой рассчитывается химическая реакция, и объясните, в чём заключается роль катализаторов.
  3. Назовите ферменты, которые вы знаете из курса биологии, опишите, какой из них за что отвечает в нашем организме.
  4. Дайте объяснение тому факту, что при обработке порезов и других ран пероксидом водорода (перекисью водорода) наблюдается бурное вспенивание препарата.
  5. Напишите синквейн о понятиях этого параграфа по своему выбору. Напомним, что синквейн — короткое литературное произведение, состоящее из пяти строк, которое пишется по определённому плану:
    • 1-я строка — одно слово: тема синквейна (существительное или местоимение);
    • 2-я строка — два слова: описание темы, её признаки и свойства (прилагательные или причастия, могут быть соединены союзами);
    • 3-я строка — три слова: описание характерных действий темы (глаголы, словосочетания);
    • 4-я строка — четыре-пять слов: фраза или цитата на данную тему (выражает личное отношение автора к данной теме);
    • 5-я строка — одно слово: суть темы, ассоциация, синоним к теме (существительное, описательный оборот).

Темы для рефератов

  1. Катализ в биологии.
  2. Г. И. Гесс — основатель термохимии.
  3. Ингибиторы и область их применения.
  4. Практическое использование ферментов в народном хозяйстве, в научных исследованиях и медицине.
  5. Энзимы и иммунитет человека.

Рейтинг@Mail.ru