În știința chimică este o zonă specială care studiază viteza și mecanismul de diferite reacții - cinetica chimică.
Deși teoria chimică poate explica multe, teoretic prezice rata de orice reacție, până când este imposibil. Ea a studiat experimental în laborator, și apoi să dezvolte metode de a schimba această rată. Există mai multe reacții, care sunt importante pentru industrie, care sunt prea lente, trebuie să fie în măsură să le accelereze. Alte reacții, pe de altă parte, trebuie să încetinească, deoarece acestea sunt dăunătoare.
În, cinetică scurt chimice - știință experimentală. Valabilitatea legilor sale poate fi verificată prin punerea câteva experimente simple.
Pentru a începe, asigurați-vă că rata de aceeași reacție poate fi, într-adevăr schimbat, și destul de semnificativ. (Cu toate acestea, acest lucru nu poate fi asumată pe baza experienței chimice și a vieții, de exemplu, produsele din frig se deterioreze mai lent decât căldură, deoarece la temperaturi diferite reacții biochimice aceleași proceda la rate diferite).
Pentru a verifica repeta experiența șefului „ceasului chimic“. dar de data aceasta a modifica concentrațiile de substanțe nu (știți deja acest lucru), și temperatura. Dacă atât soluția de pornire - iodat de potasiu și sulfatul de sodiu, cu acid sulfuric - se toarnă în apă cu gheață, timpul până când culoarea albastră va avea loc considerabil mai mare decât în cazul utilizării apei calde. Rețineți că numai în pata de apă foarte fierbinte nu apare deloc ca un compus colorat cu amidon de iod instabil.
Deci, v-ați găsit de experiență: cu cât concentrația și temperatura, cu atât mai repede reacția. Dar unele reacții la prima vedere par a fi o excepție de la regula. Aici este un exemplu.
Se toarnă într-un tub de testare la o înălțime de 12 cm de acid acetic și aruncat în ea mai multe bucăți de zinc. Zincul este necesar pentru pre-curățat prin imersare timp de douăzeci de secunde într-o soluție de acid clorhidric și clătire cu apă.
Acidul acetic este slab, iar zincul se dizolvă foarte încet în ea - bulele de hidrogen sunt greu de distins. Cum să accelereze răspunsul? Se încălzește soluția. Așa e. Este posibil altfel? Vom proceda după cum urmează: se adaugă treptat devin apă curată, amestecand bine de fiecare dată într-un tub de testare. urmați cu atenție bulele. Este uimitor: acidul a fost diluat de două ori, de trei ori, și reacția în loc de a încetini, merge mai repede și mai repede!
Dacă ați pus această experiență la clasă cana, înlocuiți de zinc mică bucată de așchii de magneziu și nu procesează. Cu acid acetic diluat magneziu reacționează mai puternic decât zincul.
Această „excepție“ de la regula este de înțeles dacă este bine să studiu. Experiența noastră cu acid acetic este explicată după cum urmează. Rata la care zincul și magneziul reacționează cu acidul depinde de concentrația de ioni de hidrogen în soluție. Acești ioni sunt formate prin dizolvarea în apă orice acid. Dar când puțină apă, un acid acetic slab este în soluție aproape exclusiv sub formă de molecule nedisociate. Ca mai multe molecule de apă de diluție descompus în ioni de acid acetic, iar reacția are loc mai rapid. Dar, dacă adăugați prea multă apă, reacția încetinește din nou, pentru un alt motiv: din cauza puternică diluarea concentrației de ioni de hidrogen va scădea din nou. Cel mai rapid reacționează cu zinc de acid acetic 15%.
Desigur, am discutat această experiență nu este de dragul de doar arată care sunt transformări chimice neobișnuite. Ne-ar dori să atragă atenția asupra următoarelor: cu siguranță ar trebui să știe cum se va controla viteza de reacție.
Fiecare reacție începe cu faptul că moleculele de substanță se ciocnesc unele cu altele. Să vedem cum începe reacția.
Ia tub de sticlă nu foarte larg în câteva zeci de centimetri în lungime și ridica ei două prize. Pe partea interioară orientată a tubului, se introduce un dop atât pe o baghetă de sticlă mică și le vânt pe o bucată de vată. O piesă se umezi câteva picături de acid clorhidric concentrat, iar cealaltă - o soluție concentrată de amoniac. În același timp, introduceți ștecherul într-un tub cu un tampon de bumbac la ambele capete. După câteva minute - în funcție de lungimea tubului - în ea, mai aproape de lâna cu acid clorhidric, apare inel alb de clorură de amoniu NH4Cl.
De obicei, amestecul este agitat la procesul desfășurat reacții chimice mai rapid. Noi nu am făcut în mod deliberat și nu a încercat să ajute chiar și moleculele întâlni - ei înșiși mutat. O astfel de mișcare independentă de molecule într-un mediu dat se numește difuzie. Vaporizat cu lână, moleculele de ambele substanțe au fost testate în miliarde de coliziuni cu molecule de aer pe secundă și cu altele. Deși viteza moleculelor este foarte mare, este de sute de metri pe secundă, la 0 ° C și presiune normală, drumul liber, adică. E. Distanța care reușește să treacă de la o moleculă la alta coliziune este pentru aceste substanțe numai aproximativ 0,0001 mm . De aceea, amoniacul și acidul clorhidric (din acid clorhidric), astfel mutat încet în tub. La fel se răspândește încet în jurul camerei cu un aer odorizant staționar.
Dar de ce nu un inel alb a apărut în mijlocul tubului? Deoarece moleculele de amoniac mai puțin se deplasează prin aer mai repede. Dacă aerul este pompat din tub, moleculele de amoniac și fracțiunile de acid clorhidric întâlni de secundă - drumul liber de molecule pentru a crește în mod semnificativ.
De la gaz pentru a muta lichide. Ele difuzie continuă de mai lent. Verifică-l pe experiența.
Pe o placă de sticlă în apropierea picurare câteva picături netede și curate de trei lichide: în mijloc - apa de pe fiecare parte a acestuia - sodă și soluții de acid clorhidric. Fluid înainte de test nu trebuie să fie în contact. Apoi, foarte atent, evitând amestecarea stick de a conecta soluții. În cazul în care dioxidul de carbon emis, dar nu se va întâmpla imediat. Când începe să se aloce gaz, bulele vor fi amplasate de-a lungul frontierelor sale de separare acidă regiune și soda difuzie.
În loc de sodă și acid poate lua oricare două substanțe solubile în apă, care, atunci când sunt amestecate da un precipitat sau colorat. Cu toate acestea, în aceste experimente, este dificil să se evite fluxurile de lichid, denaturând imaginea, asa ca cel mai bine este de a experimenta în soluții ingrosate. Și ele pot fi îngroșat gelatina.
Se prepară o soluție de 4% din gelatină coborându-l în apă caldă (nu fierbe!). Se toarnă soluția fierbinte într-un tub de testare și, când se răcește, tuburi Center rapid, într-o singură mișcare, introduceți cristale forcepsul de permanganat de potasiu, sulfat de cupru sau de alte substanțe viu colorate și solubil în apă. Pensetă îndepărtați imediat mișcarea atentă, dar rapidă. În câteva ore, puteți viziona o imagine foarte frumoasă de difuzie. Solut este distribuit în toate direcțiile în același ritm, formând o sferă colorată.
Cu soluția îngroșată poate fi pus o altă experiență. Se toarnă soluția de gelatină fierbinte în două eprubete și se adaugă la o soluție ușor alcalină, și o alta - fenolftaleinei. Când tuburile se intaresc, pensete intra rapid în centrul primului tub în centrul celei de a doua piesă de tablete fenolftaleină - o bucată de sodă calcinată. În ambele cazuri, va fi Crimson. Dar, rețineți: al doilea tub de colorat se raspandeste mult mai repede. ionii hidroxid formați în timpul disocierea alcaline, molecule organice mult mai ușoare și mai puțin complexe fenolftaleina, și, prin urmare, se deplasează mai repede în soluție.
Ne întoarcem acum la un nivel bun. În reacțiile dintre ele (sau între un solid cu un lichid sau gaz) molecule pot întâlni numai la suprafață. Cu cât este mai interfață, cu atât mai repede reacția. Sigur. aer de fier nu arde. Cu toate acestea, acest lucru este valabil numai pentru obiectele de fier. De exemplu, suprafața de contact cu aerul de unghii este mic, reacția de oxidare are loc prea încet. pilitură de fier reacționează cu oxigenul mai rapid: rece înainte de a porni în rugină și flacără se pot aprinde. Cele mai mici boabe, de asemenea, pot rupe, în general, fără încălzire. O astfel de fier numit piroforice. Nu poate fi planificat chiar și mici fișierul astfel încât să se obțină prin mijloace chimice, de exemplu, descompunerea oxalat de sare - oxalat de fier.
Se toarnă încet și cu precauție afară conținutul tubului la foaia de metal sau azbest: pulbere se va aprinde scântei luminoase. Experiența în special aspectuos într-o cameră întunecată.
Important: fier piroforice nu pot fi stocate, aceasta poate provoca un incendiu! La sfârșitul experienței de pulbere necesară calcinat în aer sau tratat cu un acid care nu rămâne particule nearse - ele pot deveni autoinflamabil.
În continuare vom examina efectul dimensiunii suprafeței solide la viteza reacției sale cu lichid. Ia două bucăți identice de cretă și unul dintre ei pisa într-o pulbere. Se pune ambele tuburi dintr-un eșantion și se toarnă cantități egale de acid clorhidric. zdrobit creta fin, cum ar fi de așteptat, se dizolvă mult mai repede. O altă bucată de cretă pus într-un tub de testare cu acid sulfuric. Focar a fost reacția energică dispare în curând, și apoi oprit complet. De ce nu? După ce tot acidul sulfuric este mai slab decât acidul clorhidric.
Atunci când reacția se formează clorură de calciu cretă CaCl2 cu acid clorhidric, care este ușor solubil în apă și nu interferează cu fluxul de creta la suprafața noilor porțiuni de acid. Prin reacția cu acid sulfuric se obține sulfat de calciu CaSO4. dar este foarte slab solubil în apă, rămâne pe suprafața Cretacicului și închide-l. Pentru reacția a continuat, este necesar din timp în timp pentru a curăța suprafața Cretacic sau pre-transforma in pulbere. Cunoașterea acestor detalii ale procesului este foarte important pentru tehnologia chimică.
Și încă o experiență. Se amestecă într-un mojar două substanțe solide care dau produse vopsite reacție. Azotatul de plumb și iodură de potasiu, sulfatul de fier și sare roșii din sânge, etc. și amestecul pistil pisa. Treptat ca frecarea, amestecul începe să fie vopsite, ca interacțiunile de suprafață substanțe în creștere. Dacă se toarnă în amestecul de puțină apă, apoi afișată imediat o culoare intensă - deoarece moleculele se deplaseze mai ușor în soluție.
În concluzie, experimentele asupra cineticii furniza experimentului cantitativ; singurul instrument care este necesar, - un cronometru sau ceas cu secundar.
Se prepară 0,5 L dintr-o soluție 3% de acid sulfuric apos (turnare de acid în apă!) Și aceeași soluție 12% de tiosulfat de sodiu. Înainte de dizolvarea Tiosulfat se adaugă câteva picături de amoniac.
În două balon cilindrice (pahare, stivă) cu 100 ml aplică etichete 50; 25; 12,5 și 37,5 ml secvențial divid înălțimea în jumătate. Se etichetează balonul și se toarnă la etichetele de sus au fost preparate (50 ml), soluții.
sticlă subțire comună cu 200 sau 250 ml de hârtie loc întunecat și se toarnă în soluție de tiosulfat, și apoi - acidul. Acum notează timpul și se agită amestecul timp de una până la două secunde. Pentru a nu sparge sticla, este mai bine să utilizați un băț de lemn. Odată ce soluția începe să se tulbure rândul său, înregistrează timpul scurs de la începutul reacției. Experiența convenabil de a efectua împreună, o uitam de ceas, o altă soluție a fost golit și indică turbiditatea.
Se spală de sticlă și de a trage o experiență mai multe de trei ori; soluție de tiosulfat turnat într-un pahar cu al treilea (37,5), al doilea (25) și prima (12,5 ml) etichetează fiecare apă reumplere timp pentru divizia superioară. Cantitatea de acid în toate experimentele rămâne constantă, iar volumul total al amestecului de reacție este întotdeauna de 100 ml.
Acum, trage un grafic al modului în care viteza de reacție depinde de concentrația de tiosulfat. Concentrația este convenabil exprimată în unități arbitrare: 1, 2, 3 și 4. Pune-le pe axa x. Dar cum să calculeze viteza de reacție?
În mod similar, nu se poate face, dacă numai pentru că timpul de nor, definim ochi, într-o anumită măsură subiectivă. Mai mult turbiditate indică doar faptul că cele mai mici particule de sulf, care sunt eliberate în timpul reacției a ajuns la o astfel de dimensiune încât să poată fi văzute. Și totuși, pentru lipsa de ceva mai bun, vom lua începutul nor pentru sfârșitul reacției (care, de altfel, nu este foarte departe de adevar). Facem o presupunere în continuare: viteza de reacție este invers proporțională cu durata acesteia. Dacă reacția a fost de 10 secunde, apoi presupunem că rata este egal cu 0,1. Pune viteza de pe ordonată.
Patru experimente a renunțat la patru puncte, a cincea - originea. Toate cele cinci puncte vor fi situate la aproximativ pe aceeași linie. Ecuația sa se scrie după cum urmează:
unde v- este viteza de reacție între paranteze pătrate - adoptat în cinetica chimică a desemnării concentrației, iar K- rată constantă, care este ușor de găsit din grafic.
Dar viteza de reacție va depinde de concentrația și acidul sulfuric. Lăsând neschimbată cantitatea de acid sulfuric diluat și tiosulfat, verificați modul în care viteza de reacție. Destul de ciudat, aceasta nu se schimba!
Astfel de cazuri nu sunt mai puțin frecvente. Din experiența noastră, reacția este dificilă, iar produsul său - sulf nu este eliberat imediat după ciocnirile directe ale moleculelor de acid și tiosulfat. În general, reacțiile, în cazul în care produsele sunt obținute dintr-o dată, nu atât de mult.
Secvența complexă de reacții o anumită etapă are loc mai lent decât restul. În cazul nostru - acesta din urmă, în care sa format sulf. Era viteza ei, noi, de fapt, și a fost măsurat.
O. Holguin. „Experimente fără explozii“
M. "Chemistry" 1986