Изучение влияния отдельных факторов на скорость химических реакций

XXVIII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке

Личный портфель

Изучение влияния отдельных факторов на скорость химических реакций

Тихомиров П.К. 1
1МБОУ "Школа №64"
Полежаева Э.Д. 1
1МБОУ "Школа №64"
Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF

Введение

Вокруг нас постоянно происходят тысячи химических реакций. Горит костер и горит газ в конфорке газовой плиты, ржавеет железо, молоко превращается в творог, на фотопленке возникают изображения. Известно, что одни химические реакции протекают за малые доли секунды, другие же за минуты, часы, дни.

Медленно, месяцами образуется ржавчина на железных предметах, налёт на медных и бронзовых изделиях, медленно гниёт листва. Превращение доисторических огромных деревьев в каменный уголь длилось миллионы лет.

Кроме того, одна и та же реакция может быстро протекать при определённых условиях, например, при повышенных температурах реакция протекает быстрее, чем при охлаждении; разница в скорости одной и той же реакции может быть очень большой.

Учение о скоростях и механизмах химических реакций называется химической кинетикой. Одна из основных задач химической кинетики - управление скоростью реакции и применение полученных знаний в повседневной жизни, как в быту, например, чтобы ускорить приготовление пищи (при измельчении; нагревании и под давлением в скороварке), так и на производстве. Важно знать, насколько быстро протекает та или иная реакция, чтобы иметь возможность контролировать её ход. Например, при производстве конкретных веществ количество производимого продукта зависит от скорости реакции, от размеров и производительности оборудования, сконструированного с учётом условий протекания данной реакции.

Перечисленного выше достаточно, чтобы заинтересоваться изучением данной темы и поэтому


Объект исследования — скорость химических реакций.

Предмет исследования — влияние температуры, катализатора, природы и площади соприкосновения реагирующих веществ на скорость реакции.

Цель работы: изучение отдельных факторов, влияющих на скорость химических реакций.

Задачи:

  • Изучить теоретический материал, касающийся данной темы;

  • Дать понятие скорости химической реакции;

  • Выяснить, от чего она зависит;

  • Провести экспериментальное исследование влияния на скорость реакции различных факторов (природы и площади соприкосновения реагирующих веществ, температуры и катализатора).

В процессе работы мы использовали следующие методы: анализ; обобщение; наблюдение и эксперимент.

Глава 1 Обзор литературы

1.1 Понятие о скорости химических реакций

Исследование закономерностей протекания химических реакций во времени составляет содержание химической кинетики. Под кинетикой в широком смысле слова понимают учение о скоростях различных процессов – химических реакций, растворения, кристаллизации, парообразования и т.д. Химическая кинетика связана и с изучением механизма реакций.

Скоростью химической реакции называется количество вещества, вступающего в реакцию (либо образующегося при реакции) за единицу времени в единице объёма системы.

Гомогенные реакции – это реакции, в которых вещества образуют однородную систему, реакции идут во всём объёме системы. К таким реакциям относятся реакции между газами, между жидкими веществами.

Скорость гомогенной реакции (υ гомог.) определяется как изменение количества вещества в единицу времени в единице объёма:

υ (гомог. ) = ∆n / V *∆t,

где ∆ n — изменение числа молей одного вещества (чаще всего исходного, но может быть и продукта реакции); ∆ t — интервал времени (с, мин.); V — объем газа или раствора (л).

Поскольку отношение количества вещества к объёму представляет собой молярную концентрацию С, то υ (гомог. ) = ∆ С / ∆ t

Таким образом, скорость гомогенной реакции определяется как изменение концентрации одного из веществ в единицу времени, если объём системы не меняется.

Гетерогенные реакции – это реакции, в которых реагенты находятся в разных фазах, реакции идут на поверхности раздела фаз. Они протекают между твердыми веществами и газами, твердыми веществами и жидкостями.

Скорость гетерогенной реакции определяется как изменение количества вещества в единицу времени на единице поверхности:

υ (гомог. ) = ∆n / S*∆t,

где S — площадь поверхности соприкосновения веществ (м2,см2)[7].

Если при какой-либо протекающей реакции экспериментально измерять концентрацию исходного вещества в разные моменты времени, то графически можно отобразить её изменение с помощью кинетической кривой для этого реагента.[6].

Скорость реакции не является постоянной величиной. Можно указать лишь некоторую среднюю скорость данной реакции в определённом интервале времени.

Скорость гетерогенных реакций, зависит при прочих равных условиях, от площади поверхности соприкосновения реагирующих веществ. Известно, что растертый в порошок мел гораздо быстрее растворяется в соляной кислоте, чем равный по массе кусочек мела.

Увеличение скорости реакции объясняется, в первую очередь, увеличением поверхности соприкосновения исходных веществ, а также рядом других причин, например, разрушением структуры правильной кристаллической решетки. Это приводит к тому, что частицы на поверхности образующихся микрокристаллов значительно реакционноспособнее, чем те же частицы на гладкой поверхности.

1.2 Зависимость скорости химических реакций от различных факторов

Скорость химической реакции зависит от многих факторов. На скорость химических реакций влияют: природа и концентрация реагирующих веществ, давление (в реакциях с участием газов), температура, действие катализаторов, степень измельчения (в реакциях с участием твёрдых веществ), потенциал электродов (в электрохимических реакциях) и др.

1.2.1 Влияние температуры на скорость химических реакций

При повышении температуры в большинстве случаев скорость химической реакции значительно возрастает. Например, осуществить синтез воды при 200С даже на 15 % практически невозможно (на это потребовалось бы 54 миллиарда лет), но при 5000С для этого необходимо всего 50 минут, а при 7000С реакция происходит мгновенно.

В 1884 г. голландский химик Я. Х. Вант-Гофф сформулировал правило: при повышении температуры на каждые 10°С  к скорость гомогенной реакции увеличивается в 2–4 раза.

υt2=υt1 γ t2-t1/10

где υt1 и υt2 — скорости реакции соответственно при конечной t2 и начальной t1 температурах, а γ — температурный коэффициент скорости реакции, который показывает, во сколько раз увеличивается скорость реакции с повышением температуры на каждые 10°С.

Опытные данные свидетельствуют о справедливости приближённого правила Я.Х. Вант-Гоффа[5].

1.2.2 Зависимость скорости реакции от природы реагирующих веществ

Так, чем активнее металл, тем он быстрее окисляется (взаимодействует с кислородом воздуха) и более бурно взаимодействует с водой. Калий может самовоспламеняться на воздухе, в то время как цинк при нормальных условиях окисляется чрезвычайно медленно. Калий реагирует с водой бурно даже при нормальных условиях (со взрывом), а цинк необходимо для этого нагреть. Аналогично, с соляной кислотой металлы реагируют с различными скоростями: чем активнее металл, тем выше скорость реакции.

Реакции протекают в направлении разрушения менее прочных связей и образования веществ с более прочными связями. Поэтому знание типа химических связей и строения молекул реагирующих веществ необходимо для того, чтобы предсказать, с какой скоростью будет протекать реакция. Например, для разрыва связей в молекулах с ковалентными неполярными связями  и  требуются высокие энергии, и скорость взаимодействия между этими веществами мала. Для разрыва связей в сильнополярных молекулах  и  требуется меньше энергии, и скорость реакции с их участием значительно выше[ 4].

1.2.3 Действие катализаторов

Изменение скорости химической реакции с помощью катализатора называют катализом. Катализатор – это вещество, которое изменяет скорость реакции, само оставаясь химически неизменным. Например, добавление в качестве катализатора небольшого количества оксида марганца (IV)МnО2 к пероксиду водорода Н2О2 вызывает его бурное разложение:

2Н2О2 = 2Н2О+ О2

Катализаторы имеют большое практическое значение, позволяя быстро, без затраты энергии получать в больших количествахсамые разнообразные вещества. Катализаторы широко используют в различных отраслях промышленности и на транспорте (например, каталитические преобразователи, превращающие оксиды азота выхлопных газов автомобиля в безвредный азот).

Различают гомогенный катализ, при котором и катализатор, и реагирующие вещества находятся в одном агрегатном состоянии (фазе) и гетерогенный катализ, при котором катализатор и реагирующие вещества находятся в разных фазах.

Если на поверхности катализатора адсорбируются другие вещества (их называют каталитическими ядами), то поверхность становитсянеработоспособной, требуется регенерация (тщательное очищение) катализатора.

Очень эффективно работают биологические катализаторы — ферменты. По химической природе это белки. Благодаря им в живых организмах при невысокой температуре с большой скоростью протекают сложные химические реакции. Ферменты отличаются особой специфичностью, каждый из них ускоряет только свою реакцию, идущую в нужное время и в нужном месте с выходом, близким к 100%.

Есть и такие реакции, которые приходится специально замедлять. Например, ржавление металлических деталей автомобилей. С целью предотвращения коррозии металлов применяют так называемые отрицательные катализаторы - ингибиторы. Они реагируют с активными частицами с образованием малоактивных соединений. В результате реакция резко замедляется и затем прекращается. Добавление ингибиторов предотвращает нежелательные процессы, например, ингибиторы стабилизируют растворы пероксида водорода, стабилизируют взаимодействие соляной кислоты с оксидами и металлами, чтобы была возможность её транспортировки в стальной таре.«Замедлять» приходится и процессы разложения и порчи пищевых продуктов, кожи, тканей, пластмасс. Для этого применяют ингибиторы химических реакций, называемые консервантами или стабилизаторами.[4].

1.2.4 Зависимость скорости реакции от площади соприкосновения реагирующих веществ

Для гетерогенных реакций справедлива зависимость: чем больше степень измельчённости реагирующих веществ, тем скорость реакции выше. Добиться измельчения веществ можно растиранием в порошок твёрдых веществ или распылением жидкостей. Так, реакция соляной кислоты с мраморной крошкой протекает быстрее, чем с кусочком мрамора. Чем меньше размер поверхности твердых веществ, тем больше площадь соприкосновения реагирующих веществ, тем больше скорость реакции [5].

Увеличение площади поверхности веществ достигается: измельчением вещества; растворением вещества; подачей веществ противотоком. В отличие от гетерогенных реакций, гомогенные реакции между ионами в растворах электролитов протекают практически мгновенно.

Глава 2 Методика исследования и результаты

экспериментальной работы

2.1 Материалы

Объект данного исследования: отдельные факторы влияющие на скорость химических реакций

2.2 Методы

2.2.1 Зависимость скорости химической реакции от температуры

Цель: изучить зависимость скорости реакции от температуры.

Оборудование: пробирки под номерами № 1,2,3, 5% раствор соляной кислоты, цинк, химический стакан, снег, спиртовка, держатель, штатив.

Ход опыта:

  • В три пробирки прилить по 5 мл 5% раствора соляной кислоты;

  • В каждую из пробирок поместить гранулу цинка;

  • Поместить пробирку №1 в стакан со льдом, вторую пробирку поставить в штатив и оставить при комнатной температуре, а содержимое пробирки №3, осторожно, нагреть в пламени спиртовки.

 

2.2.2 Зависимость скорости химической реакции от площади поверхности соприкосновения веществ

Цель: изучить зависимость скорости реакции от площади соприкосновения веществ.

2.2.2.1 Взаимодействие раствора соляной кислоты с карбонатом кальция (яичной скорлупой)

Оборудование: чашки Петри, 5-ти % раствор соляной кислот, яичная скорлупа, фарфоровая чашка и пестик.

Ход опыта:

  • В три чашки Петри поместили кусочки яичной скорлупы массой 0,5 г(крупные, менее крупные) и 0,5 г порошка яичной скорлупы(измельчили в фарфоровой ступке);

  • Затем в них добавили по 3 мл 5-ти % раствора соляной кислоты.

2.2.2.2 Разложение пероксида водорода в присутствии биологических

катализаторов (ферментов)

Оборудование: морковь, картофель, нож, терка, чашки Петри, весы, разновесы, 3 % - ного раствора пероксида водорода..

Ход опыта:

  • Нарезали морковь и картофель массой 5 г на крупные кусочки;

  • Поместили в чашку Петри и прилили 3 мл 3 % - ного раствора пероксида водорода;

  • Натёрли морковь и картофель массой 5 г на мелкой тёрке;

  • Поместили в чашку Петри и прилили 3 мл 3 % - ного раствора перекиси водорода.

2.2.2.3 Взаимодействие раствора соляной кислоты с железом

Оборудование: железный гвоздь, порошок восстановленного железа, пробирки, 5 % - ный раствора соляной кислоты, весы, разновесы..

Ход опыта:

  • В одну пробирку поместили железный гвоздь , а в другую порошок железа такой же массой( 650 мг);

  • Затем в них добавили по 3 мл 5-ти % раствора соляной кислоты.

2.2.3 Зависимость скорости химической реакции от природы реагирующих веществ

Цель: изучить зависимость скорости реакции от природы реагирующих веществ.

Оборудование: металлы: порошок магния , порошок железа, пробирки, 5 % - ный раствора соляной кислоты, весы, разновесы..

Ход опыта:

  • В две пробирки поместили выбранные нами металлы ( массой 0,65 г);

  • Затем в них добавили по 3 мл 5-ти % раствора соляной кислоты.

2.2.4 Зависимость скорости химической реакции от катализатора

Цель: сравнить скорость взаимодействия 3% раствора перекиси водорода с сырыми и вареными овощами: картофелем, морковью и свеклой.

Оборудование: 3-х % раствор H2O2, сырые и вареные овощи, чашки Петри (6 штук).

Ход опыта:

  • В чашки Петри добавили сырой и варёный картофель;

  • В каждую из них добавили по 3 мл 3% р-ра H2O2 ;

  • Опыт повторили со свеклой и морковью.

Глава 3 Результаты и их обсуждение

3.1 Зависимость скорости реакции от температуры

Результат. При взаимодействии цинка с кислотой, протекающей в пробирке, находящейся в снегу, пузырьков водорода выделяется меньше, чем в пробирке находящейся в атмосфере класса; значит, при низких температурах скорость реакции меньше. В пробирке, которую нагрели в пламени спиртовки, реакция идет гораздо активнее, пузырьков водорода выделяется больше, чем при комнатной температуре и во льду. Таким образом, наименьшая скорость химической реакции наблюдалась в условиях низкой температуры.

Zn +2HCl = ZnCl2 + H2 ↑

 

Рис.1Определение влияния температуры на скорость реакции

Вывод:При повышении температуры скорость реакции увеличивается.

3. 2 Зависимость скорости химической реакции от площади поверхности соприкосновения веществ

3.2.1 Взаимодействие раствора соляной кислоты с карбонатом кальция (яичной скорлупой)

Результат. Мелкораздробленная скорлупа реагирует гораздо быстрее, чем более крупные кусочки.

CaCO3 + 2HCl = CaCl2 + CO2↑ + H2О

Рис. 2 Результат взаимодействия яичной скорлупы с соляной кислотой

Вывод: при измельчении яичной скорлупы увеличивается площадь соприкосновения реагирующих веществ, реакция происходит с большей скоростью.

3.2.2 Разложение пероксида водорода в присутствии биологических катализаторов (ферментов)

Результат. Пероксид водорода как бы кипит, выделяются пузырьки газообразного кислорода. Реакция с натёртой морковью идёт быстрее, чем с крупными кусочками.

2H2O2 = 2H2O + O2 ↑

Рис.3 Результат взаимодействия моркови с пероксидом

Вывод:Чем меньше размер поверхности твердых веществ, тем больше площадь соприкосновения реагирующих веществ, тем больше скорость реакции

3.2.3 Взаимодействие раствора соляной кислоты с железом

Результат.При взаимодействии железа с соляной кислотой реакция в пробирке №1 идет более интенсивно, так как в ней находится порошкообразное железо, а во второй пробирке, где находится железный гвоздь реакция идет очень медленно.

Fe +2HCl = FeCl2 + H2 ↑

Рис.4Результат взаимодействия железа с соляной кислотой

Вывод:при увеличении площади поверхности соприкосновения реагирующих веществ (при измельчении твёрдого вещества) скорость реакции увеличивается.

3.3 Зависимость скорости химической реакции от природы реагирующих веществ

Результат. При взаимодействии порошка магния и восстановленного железа с соляной кислотой реакция в пробирке №2 идет более интенсивно, так как в ней находится порошкообразный магний, а в пробирке №1, где находится порошок железа реакция идет медленнее.

Fe +2HCl = FeCl2 + H2 ↑

Mg +2HCl = MgCl2 + H2 ↑

Рис.5Результат взаимодействия порошкообразных металлов разной активности

с соляной кислотой

Вывод:Металл обладающий большей активностью (смотрим его положение в вытеснительном ряду( ряд Бекетова)), в нашем случае это магний, реагирует с соляной кислотой более интенсивно, чем железо (металл находится правее — он менее активен).

3.4 Влияние катализатора на скорость реакции

Результат. В чашках Петри с варёными овощами не наблюдаем выделение газа, пероксид водорода не разлагается, химическая реакция не идёт. В чашках Петри со свежими овощами происходит бурная реакция, особенно в чашке с картофелем, пероксид водорода разлагается с выделением газа кислорода.

Рис.6Результат взаимодействия овощейс пероксидом

Вывод:Биологические катализаторы – ферменты - имеют белковую природу и при варке овощей происходит их разрушение. В живых клетках фермент каталаза не теряет своих свойств.Поэтому в чашках Петри, где находились сырые овощи мы наблюдали протекание реакции и выделение кислорода, а в чашках, где находились вареные реакция не происходит.

Заключение и выводы к работе

Целью данного исследования было изучение отдельных факторов, влияющих на скорость химических реакций. Был проведён анализ литературных источников, систематизированы сведения о факторах от которых зависит скорость реакций, подобрана методика, позволяющая провести исследование и сформулированы следующие выводы:

Скорость химической реакции зависит от следующих факторов:

При одинаковых условиях на скорость химической реакции оказывает влияние природа реагирующих веществ;

При увеличении температуры скорость большинства реакций повышается;

Катализатор — это вещество, которое ускоряет химическую реакцию, но сам в состав продуктов не входит;

При варке овощей биологические катализаторы разрушаются;

При увеличении площади соприкосновения реагирующих веществ скорость реакции увеличивается.

Человек может управлять скоростью протекания реакций, изменяя условия, т. е. воздействуя на реагенты разными факторами.

В заключение хочется сказать, что изучение химии не только увлекательно и полезно, но и необходимо, так как роль химии в жизни человека огромна. Знания о скоростях протекания химических реакций очень важны, потому что на основе их можно сделать вывод о свойствах соединений, от скорости реакции зависят технологии получения нужных для человека веществ, скоростью химических реакций можно управлять.

Список используемых источников и литературы

1.Аликберова Л.Ю. Занимательная химия.М.: АСТ- ПРЕСС, 1999 г. 560 с.

2. Апресов С. Зрелищные опыты с перекисью водорода в домашних условиях: увлекательная химия в нескольких фотографиях. Статья в журнале Techinsider URL:https://www.techinsider.ru/diy/14366-izverzhenie-pustoty/ (Дата обращения 8.12. 2025 г.)

3. Бахтиярова Ю.В., Миннулин Р.Р., Галкин И.В. Основы химического эксперимента и занимательные опыты по химии Учебное пособие. URL: https://kpfu.ru/staff_files/F1535700824/Osnovy.him..eksperimenta..Zanimatelnye.opyty.po.himii.pdf (Дата обращения 9 декабря 2025 г.)

4. Скорость химических реакций https://skysmart.ru/articles/chemistry/skorost-reakcii

5. Экзамер. Сайт. Статья: Скорость реакции, ее зависимость от различных факторов. https://examer.ru/ege_po_himii/teoriya/skorost_reakcii_ee_zavisimost (Дата обращения 2.12.2025 г.)

6. Энциклопедия для детей. Том 17.Химия/глав. ред. В.А.Володин/ - М.:Аванта+, 2003г.

7. https://skysmart.ru/articles/chemistry/skorost-reakcii Скорость химической реакции

Приложение

Рис.7-8 Изучение влияния температуры на скорость реакции

Рис. 9 Изучение влияния активности металлов на скорость реакции

Рис. 10-11 Изучение влияния катализатора

Рис.12 Изучение площади соприкосновения реагирующих веществ

 
Просмотров работы: 0