Реакції гомогенні і гетерогенні. Фактори, що впливають на швидкість хімічної реакції

Кінетичні рівняння, розглянуті в попередньому параграфі, справедливі тільки для гомогенних реакцій, тобто для таких реакцій, які йдуть в якій-небудь одній фазі – газової або рідкої. Наприклад, це можуть бути реакції між двома газами, або реакції, що протікають при зливанні розчинів:

NO2 (г) + CO (г) = NO (г) + CO2 (г);

NaOH (р -р) + HCl (р -р) = NaCl (р -р) + H2O.

Але існує і безліч інших реакцій, що відбуваються на межах розділу фаз – між газоподібним речовиною і розчином, між розчином і твердою речовиною, між твердим і газоподібним речовинами. Такі реакції називаються гетерогенними. В якості типового прикладу гетерогенної реакції розглянемо лабораторний метод отримання водню з металевого цинку і розведеної сірчаної кислоти:

Zn (тв) + H2SO4 (р -р) = H2 (г) + ZnSO4 (р -р)

Цинк у вигляді гранул (шматочки металу неправильної форми і різної величини) поміщають в розбавлений розчин сірчаної кислоти і збирають виділяється газоподібний водень. У пробірці з однієї великої гранулою реакція йде помітно повільніше (рис. 1-10). При однаковій масі цинку в пробірках кількість виділився водню в обох дослідах буде однаковим, але в пробірці з дрібними гранулами реакція закінчиться швидше. Причина в тому, що реакція між цинком і розчином сірчаної кислоти йде тільки на поверхні контакту гранул з розчином (межа розділу фаз), а загальна поверхня у декількох дрібних гранул більше, ніж у однієї великої гранули тієї ж маси. Цинк у вигляді порошку для цієї реакції використовувати просто небезпечно – реакція починає йти настільки швидко, що суміш вихлюпується з пробірки.

Для такої гетерогенної реакції вже не можна записати кінетичне рівняння виду:

v = k [Zn] [H2SO4] (1)

Один з членів цього рівняння – «молярна концентрація цинку» – не має сенсу, оскільки цинк знаходиться в твердій фазі. З досвіду ми бачимо, що на швидкість гетерогенної реакції впливає ступінь роздробленості твердої речовини. У принципі, цей фактор може враховуватися (чисто експериментально) константою швидкості реакції – тоді для реакцій з однією великою або кількома дрібними гранулами чисельні значення k будуть різними, а кінетичне рівняння реакції в загальному випадку прийме вигляд:

v = k [H2SO4] (2)

** Але й таке рівняння не зможе досить добре описувати швидкість нашої реакції. По-перше, в ході реакції гранули поступово зменшуються в розмірах, площа їх поверхні змінюється і константа швидкості реакції k вже не може враховувати цю зміну. Якщо використовувати гранули з дуже чистого цинку, то до них «прилипає» утворюється водень (як це не дивно) і площа контакту реагентів змінюється непередбачувано. По-друге, на поверхні розділу фаз концентрація сірчаної кислоти зовсім не така, як у верхніх шарах розчину. У зоні реакції активно утворюється розчин солі ZnSO4, який витісняє розчин сірчаної кислоти з поверхні гранул.

Отже, ми бачимо, що в загальному випадку швидкість гетерогенної реакції залежить від:

  • а) швидкості підведення реагентів до межі розділу фаз;
  • б) швидкості реакції на поверхні розділу фаз, яка залежить від площі цієї поверхні;
  • в) швидкості відводу продуктів реакції від межі розділу фаз.

Стадії (а) і (в) називаються дифузійними, (див. словник термінів) а стадія (б) – кінетичної. Та стадія, яка протікає найбільш повільно, називається лімітуючої – саме вона визначає швидкість реакції в цілому.

Універсального вирази для швидкості гетерогенних реакцій не існує, оскільки кожна зі стадій (а- в) за певних умов може бути лімітуючої. Але в деяких випадках, коли дифузійні стадії завідомо не є лімітуючими через активне перемішування реагентів, а площа поверхні розділу фаз змінюється повільно, можна експериментально отримати кінетичні рівняння типу (2), задовільно описують протікання гетерогенних реакцій. Це має важливе значення для хімічного виробництва, де більшість використовуваних реакцій – гетерогенні.

Коли на іспиті абітурієнта просять перерахувати чинники, що впливають на швидкість хімічної реакції, то зазвичай очікують такої відповіді:

  • – Природа реагуючих речовин,
  • – Концентрація реагентів,
  • – Температура,
  • – Наявність каталізатора.

** Насправді цей перелік ширше: ми вже знаємо, що на швидкість гетерогенних реакцій сильний вплив робить площа поверхні розділу фаз і дифузія. Однак корисно узагальнити перераховані вище чотири фактори, розуміючи при цьому, що вони мають відношення головним чином до гомогенних реакцій.

Під впливом природи реагуючих речовин зазвичай мають на увазі ту просту обставину, що різні речовини реагують по -різному. Це тривіальне спостереження можна зробити більш цінним, якщо аналізувати приклади різної реакційної здатності подібних за будовою речовин в однотипних реакціях. Наприклад, реакція газоподібного йодистого водню з киснем при кімнатній температурі йде з помітною швидкістю:

4 HI + O2 = 2 H2O + 2 I2

Аналогічна реакція газоподібних HCl і O2 з утворенням хлору і води при кімнатній температурі йде дуже повільно. Обидві реакції – окислювально -відновні і для їх перебігу атом галогену в молекулах HCl або HI повинен передати електрон кисню (переконаєтеся в цьому, розставивши ступеня окислення над атомами в рівнянні реакції). Йод в молекулі HI – більш відповідний донор електрона, тому що його валентна оболонка знаходиться значно далі від ядра, ніж у атома хлору в молекулі HCl. Таким чином, знання електронної будови атомів і молекул реагуючих речовин часто дозволяє якісно оцінити відносні швидкості деяких реакцій. Також під природою реагуючих речовин іноді можуть мати на увазі ступінь їх роздробленості в гетерогенних реакціях.

Вплив концентрації реагентів на швидкість реакцій ми вже досить докладно обговорили – кінетичні рівняння кількісно враховують цей фактор.

Що стосується впливу температури, то цей фактор діє однаково як на швидкість реакції v, так і на константу швидкості k – обидві ці величини швидко зростають з підвищенням температури. Корисно розглянути вплив температури саме на константу швидкості – в цьому випадку наше завдання не ускладнюють постійно мінливі в ході реакції концентрації реагуючих речовин.

Посилання на основну публікацію