Тема 3. Енергетика хімічних реакцій. Хімічна кінетика. Окисно-відновні процеси

матеріал 7

Залежність швидкості реакції від природи реагуючих речовин та тиску (для газуватих систем). Поняття каталізу хімічної реакції

Матеріал

Для вчителя

Для учня

Завантажити матеріал (PDF)

Урок 40. Залежність швидкості реакції від природи реагуючих речовин та тиску (для газуватих систем). Поняття каталізу хімічної реакції

Очікувані результати навчання

виявляє самостійно або у співпраці з іншими невизначеність/протиріччя в інформації щодо ознак/будови/ властивостей об’єктів природи, умов виникнення, прояву і перебігу природних явищ [12 ПРО 1.1.1-1 П]
створює самостійно або у співпраці з іншими математичні/реальні, віртуальні моделі об’єктів і явищ [12 ПРО 1.4.1-2 П]
аналізує за наданими критеріями самостійно або у співпраці з іншими математичні/реальні/ віртуальні моделі об’єктів і явищ [12 ПРО 1.4.1-3 П]
аналізує, систематизує, оцінює самостійно або у співпраці з іншими опрацьовану інформацію [12 ПРО 2.1.1-5 П]
пов’язує самостійно або у співпраці з іншими інформацію природничого змісту, представлену в різних формах, із реальними об’єктами і явищами [12 ПРО 2.2.2-1 П]
визначає самостійно або у співпраці з іншими властивості об’єктів, істотні ознаки явищ і процесів, необхідні для розв’язання життєвої/навчальної проблеми [12 ПРО 3.1.1-2 П]
визначає самостійно або у співпраці з іншими ознаки класифікації об’єктів і явищ [12 ПРО 3.2.1-1 П]
інтерпретує самостійно або у співпраці з іншими наукові факти [12 ПРО 4.1.1-3 П]

Мета уроку: сформувати уявлення про вплив природи реагуючих речовин і тиску на швидкість хімічної реакції, ознайомити з поняттям каталізу, навчити порівнювати реакції за швидкістю та прогнозувати вплив різних чинників

Очікувані результати для вчителя:

учні пояснюють вплив природи реагуючих речовин на швидкість хімічної реакції
учні прогнозують вплив тиску на швидкість хімічної реакції у газовій фазі
учні розуміють та пояснюють дію каталізатору на перебіг хімічної реакції
учнів наводять приклади каталітичних реакцій із повсякденного життя

Очікувані результати для учнівства:

пояснюють вплив природи реагуючих речовин на швидкість хімічної реакції,
прогнозують вплив тиску на швидкість хімічної реакції у газовій фазі,
наводять приклади каталітичних реакцій із повсякденного життя

Ключові слова

швидкість хімічної реакції
хімічна активність
тиск
каталізатор

План уроку

Мотивація (6 хв.).
Вплив природи реагуючих речовин на швидкість реакції (7 хв.).
Вплив тиску на швидкість реакції (7 хв.).
Залежність швидкості реакції від наявності каталізатора (10 хв.)
Практикуємось (12 хв.).
Рефлексія (3 хв.).

1. Мотивація

Дружня порада для вчителя

Тривалість: 6 хв.

Вивчаючи хімічні властивості різноманітних сполук і спостерігаючи за процесами в природі, ви, напевно, звернули увагу на те, що різні перетворення відбуваюбться протягом різного часу. Одним із важливих чинників, від яких залежить швидкість реакції, є жприрода реактантів: чим хімічно активнішими є речовини, тим швидше вони вступаюбть у ті або інші реакції.

У 1865 році професор кафедри хімії Харківського університету Микола Бекетов захистив докторську дисертацію (перекл. з рос. «Дослідження над явищами витіснення одних металів іншими»), яка лягла в основу відомого сьогодні кожному школяру, так званого, ряду активності металів.

Дослідимо реакції розчинення зразків двох металів – магнію та цинку – у розчині хлоридної кислоти.

Демонстраційни дослід 1.

Перелік обладнання та реактивів:

Пробірка 2 од.
Хлоридна кислота, 10 %-ий розчин 10 мл
Зразки металів (магній, цинк) 1 г
Штатив для пробірок 1 од.

Хід дослідження:

У дві пробірки помістіть по 5,0 мл 10 %-ого розчину хлоридної кислоти.
Опустіть у кожну із пробірок по 1,0 г зразку металу – магнію та цинку відповідно. Складіть рівняння реакцій у молекулярній та йонній формах:

______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Спостерігайте за початком перебігу реакції. Укажіть метал, для якого розчинення у хлоридній кислоті відбувається активніше:___________________________________
Дайте відповіді на питання:
- Чому, на вашу думку, швидкість реакції різна, хоча умови однакові?
- Чи відповідають результати спостереження за швидкістю перебігу реакцій металів із хлоридною кислотою їхньому положенню в ряду активності металів?
- Чи зміниться швидкість реакції при нагріванні реакційної суміші?
- Запропонуйте спосіб / реакцію, за допомогою якої можна наглядно продемонструвати різну активність досліджуваних металів. Складіть відповідне рівняння реакцї у молекулярній та йонній формі:

____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

2. Вплив природи реагуючих речовин на швидкість реакції.

Дружня порада для вчителя

Тривалість: до 7 хв.

Як же пояснити таку різну швидкість перебігу однакового типу реакцій? Відповідно до отриманих вище йонних рівнянь, що описують перебіг розчинення металів у хлоридній кислоті, атоми металу віддають електрони гідратованим катіонам Гідрогену:

Відновні властивості металів визначаються, у тому числі, електронною будовою їхніх атомів: радіус атома Магнію (s-елемент) більший за радіус атома Цинку (d-елемент), а тому відновні властивості – здатність віддавати електрони – для атома Магнію виражені сильніші.

Висновок про різну активність металів можна зробити також і відповідно до положення хімічних елементів у періодичній таблиці. Неважко спрогнозувати, наприклад, високу активність лужних металів – літію, натрію, калію тощо – порівняно із іншими металами. Так, натрій дуже активно, майже миттєво реагує із водою, у той час як мідь у воді не розчиняється.

Завдання 1. Складіть термохімічне рівняння реакції натрію з водою, якщо при розчиненні 0,1 моль натрію у воді виділяється 18,4 кДж теплоти.

3. Вплив тиску на швидкість реакції

Дружня порада для вчителя

Тривалість: 7 хв.

Як ми уже зазначали раніше, умовою взаємодії двох речовин є зіткнення частинок цих речовин одна з одною. Зі збільшенням кількості частинок у певному об’ємі простору зростає імовірність їхніх зіткнень, а отже, зростає кількість частинок, що взаємодіють за одиницю часу.

Уміст кількості частинок досліджуваної речовини у певному об’ємі реакційної суміші прийняти виражати концентрацією:

Отже,

Якщо реактантом є речовина, яка за умов перебігу реакції перебуває у газуватому стані, то швидкість реакції залежить від тиску. У стиснутому газі перебуває більше молекул в певному об’ємі реакційного середовища, ніж у розрідженому. А тому реакції за участю газів зі збільшенням тиску прискорюються.

Завдання 2. Прочитайте та доповніть текст, підкреслюючи правильне слово / словосполучення, що пояснює вплив тиску на швидкість хімічної реакції за участю газів:

Відповідно до закону діючих [мас / об’ємів / концентрацій] швидкість прямої реакції виражається розрахунковою формулою:

aA + bB → cC + dD

(1) $\begin{equation*} v = k \cdot c_{_}^{_} \cdot c_{_}^{_}\end{equation*}$

Підвищення тиску у реакційному середовищі обумовлює [збільшення / зменшення] концентрації реагуючих речовин у певному об’ємі реактору. Отже, така зміна їхньої концентрації приводить до [прискорення / уповільнення] перебігу реакції.

Завдання 3. Послуговуючись підказками, розв’яжіть задачу. Кінетичне рівняння реакції 2СО + О₂ = 2СО₂ має вигляд:

(2) $\begin{equation*} v = k \cdot c_{co}^2 \cdot c_{o_2}\end{equation*}$

Як та у скільки разів зміниться початкова швидкість реакції окиснення карбон(ІІ) оксиду, якщо зменшити тиск у реакторі в 2 рази?

Розв’язання:

За законом діючих мас до початку зміни тиску у реакторі швидкість реакції становить:

(3) $\begin{equation*} v_0 = k \cdot c_0(CO)^2 \cdot c_0(O_2)\end{equation*}$

Зменшення тиску в реакторі сприяє зменшенню кількості речовини реактантів у одиниці об’єму реакційного середовища, а отже, зменшенню їхньої концентрації. Зміна концентрацій реагуючих речовин обумовлює зміну швидкості реакції:

с(CO)=0,5∙c₀(CO),
с(О₂)= 0,5∙с₀(О₂).

v=k∙0,52∙c₀(CO)²∙0,5∙с(О₂)=______∙k∙c₀(CO)²∙с(О₂)=_______∙v0

Пригадайте або, послуговуючись додатковими літературними джерелами інформації, знайдіть відомості про те, як співвідносяться між собою тиск та кількість речовини газу.

З іншої сторони, вважаючи, що за умов реакції усі газуваті реактанти ведуть себе як ідеальні гази, стає зрозумілим, що зміна тиску у реакторі приводить до зміни концентрації газуватих речовин у стільки ж разів. А тому для реакцій за участю газів буде справедливим такий вигляд закону діючих мас:

aA + bB → cC + dD

що дає змогу однозначно зробити висновок про вплив тиску на швидкість реакції:

p(CO)=0,5∙p₀(CO),
p(О₂).= 0,5∙p₀(О₂).

v=____________________________________=_____________________________=________∙v0

Тобто, швидкість реакції [зменшиться / збільшиться] у _________ разів.

4. Залежність швидкості реакції від наявності каталізатора

Дружня порада для вчителя

Тривалість: 10 хв.

У багатьох випадках швидкість реакції можна змінити за допомогою спеціальних речовин або їх сумішей – каталізаторів.

Зважаючи, що каталізатор після реакції залишається незмінним, його не вказують ані в ректантах, ані в продуктах перетворення, а записують над стрілкою. Так, гідроген пероксид Н₂О₂, 3 %-ий розчин якого широко застосовується в якості антисептика у побуті, дуже повільно у такому розчині розкладається відповідно до хімічного рівняння:

2Н₂О₂ → 2Н₂О + О₂↑.

Якщо ж до такого розчину додати, наприклад, манган(+4) оксид, одразу починається бурхливе виділення газуватого кисню. Формулу каталізатора у хімічному рівнянні записують над стрілкою:

2Н₂О₂ MnO2→ 2Н₂О + О₂↑.

Каталізатори можуть як прискорювати перебіг реакції – позитивний каталіз, так і гальмувати – негативний каталіз. Часто негативний каталіз називають інгібуванням, а відповідні каталізатори – інгібіторами.

Каталізатором деяких реакцій може бути навіть вода. Суміш порошків алюмінію та кристалічного йоду може довго зберігатися без жодних видимих змін. Але додавання двох-трьох крапель води до суміші спричиняє бурхливу екзотермічну реакцію між простими речовинами:

2Al(тв.) + 3I₂(тв.) H2O→ 2AlI₃; ∆H = ‒610 кДж

Вплив каталізатора на перебіг реакції пояснюється тим, що він взаємодіє з одним із реактантів, витрачаючи значно менше енергії, ніж під час прямої взаємодії вихідних сполук. Так, участь каталізатора К в реакції між речовинами А та В умовно можна представити так:

A + B + K → A + BK

Утворений на цій стадії проміжний продукт ВК далі взаємодіє з іншим реактантом, а каталізатор вивільнюється у початковому стані:

A + BK → AB + K

Такий шлях перебігу реакції пояснюється меншим значенням енергії активації обох (або більше) стадій перетворення за участі каталізатора порівняно із прямою взаємодією реактантів.

Каталізатори мають велике значення для сучасної промисловості та науки. Близько 90 % хімічних перетворень відбуваються за участі каталізаторів. Багато важливих хімічних реакцій баз каталізаторів були б неможливими або відбувалися б за дуже високих температур. Каталізатори використовують у транспортних засобах із двигунами внутрішнього згоряння. Завдяки таким каталітичним системам токсичний карбон(ІІ) оксид (продукт часткового окиснення вуглеводнів у складі пального) піддається повному окисненню з утворенням вуглекислого газу.

За участю каталізаторів відбуваються хімічні (або біохімічні) процеси в живих організмах. Ці каталізатори називаються ферментами. Відсутність або нестача ферментів може викликати серйозні порушення життєдіяльності організму, викликаючи тяжкі хвороби. Важливою особливістю ферментів є критична залежність їхньої дії від температури. До певного значення температури швидкість ферментативної реакції може збільшуватися, а потім відбувається руйнування ферменту (або ферментативного комплексу), його каталітична дія зникає і реакція припиняється. Саме тому підвищення температури у хворих людей до +42 °С може обумовлювати руйнування життєво важливих ферментів і, як результат, важкі наслідки для здоров’я хворого.

5. Практикуємось

Дружня порада для вчителя

Тривалість: до 12 хв.

1. У скільки разів потрібно підвищити тиск у газовій суміші, щоб швидкість реакції 2А(г.) + В(г.) → С(г.) збільшилася у 27 разів?

2. Як зміниться швидкість реакції 2NO(г.) + O₂(г.) → 2NO₂(г.) при збільшенні концентрації нітроген(ІІ) оксиду вдвічі, концентрації кисню – втричі та подальшому підвищенні тиску у два рази?

3. Важливою стадією промислового виробництва сульфатної кислоти є каталітичне окиснення сульфур(IV) оксиду: 2SO₂(г.) + О₂(г.) = 2SO₃(г.)

За температури 900 °С швидкість прямої реакції – взаємодія сульфур(IV) оксиду з киснем – є дуже високою, але одночасно досить високою є швидкість зворотнього процесу – розклад утвореного сульфур(VI) оксиду. На встановлену таким чином хімічну рівновагу – стан, за якого швидкості прямої та зворотної реакцій однакові, – можна вплинути, змінюючи тиск у реакторі.

Подумайте, як необхідно змінити тиск (збільшити або зменшити), щоб швидкість прямої реакції стала більшою порівняно із зворотною. Використовуючи вираз закону діючих мас для обох процесів доведіть свою гіпотезу.

5. Рефлексія

Дружня порада для вчителя

Тривалість: до 3 хв.

Прийом має на меті повторити всі поняття і терміни, які вивчалися на уроці.

Вправа «Світлофор». Висловіться щодо степеня засвоєння матеріалу сьогоднішнього уроку:
- 🔴 — усе зрозуміло;
- 🔴 — частково;
- 🔴 — важко, потрібна допомога.
Закінчіть речення:
- «Сьогодні я дізнався(-лася), що…»
- «Найцікавішим було…»
- «Я ще хочу дізнатися…»

У вільний від відпочинку час

Каталаза – це фермент, що розщеплює гідроген пероксид на воду та газуватий кисень, відіграючи ключову роль в антиоксидантному захисті клітин від пошкоджень. Він присутній в живих організмах (від бактерій до людини) та в рослинах. Дію каталази легко прослідити в домашніх умовах. Пропонуємо виконати серію експериментів та переконатися в цьому:
- а) підготуйте п’ять-шість зразків різних продуктів або рослин: свіжий огірок, помідор, сире м’ясо, картопля, зріз листка будь-якої квітки / рослини, цибуля (зелена, ріпчаста тощо), капуста, ковбаса (варена, копчена) тощо;
- б) на зріз кожного з продуктів нанесіть три-чотири краплі 3 %-ого розчину гідроген пероксиду;
- в) за 1-2 хвилину відмітьте перебіг каталітичного розкладу гідроген пероксиду.
- Результати спостережень рекомендується оформити у формі таблиці.
Підготуйте коротке повідомлення (до шести речень) про роль каталізаторів у промисловості або живій природі (наприклад, каталіз у ферментах або автомобільних каталізаторах).

Завантажити матеріал (PDF)

Урок 40. Залежність швидкості реакції від природи реагуючих речовин та тиску (для газуватих систем). Поняття каталізу хімічної реакції

Робочий аркуш для учнівства

Очікувані результати

Мета уроку: сформувати уявлення про вплив природи реагуючих речовин і тиску на швидкість хімічної реакції, ознайомити з поняттям каталізу, навчити порівнювати реакції за швидкістю та прогнозувати вплив різних чинників

Очікувані результати для учнівства:

Я розумію та пояснюю вплив природи реагуючих речовин на швидкість хімічної реакції.
Я пояснюю та прогнозую вплив тиску на швидкість хімічної реакції у газовій фазі.
Я знаю та називаю приклади каталітичних реакцій із повсякденного життя.

Ключові слова

швидкість хімічної реакції
хімічна активність
тиск
каталізатор

План уроку

Мотивація (6 хв.).
Вплив природи реагуючих речовин на швидкість реакції (7 хв.).
Вплив тиску на швидкість реакції (7 хв.).
Залежність швидкості реакції від наявності каталізатора (10 хв.)
Практикуємось (12 хв.).
Рефлексія (3 хв.).

1. Мотивація

Вивчаючи хімічні властивості різноманітних сполук і спостерігаючи за процесами в природі, ви, напевно, звернули увагу на те, що різні перетворення відбуваюбться протягом різного часу. Одним із важливих чинників, від яких залежить швидкість реакції, є жприрода реактантів: чим хімічно активнішими є речовини, тим швидше вони вступаюбть у ті або інші реакції.

У 1865 році професор кафедри хімії Харківського університету Микола Бекетов захистив докторську дисертацію (перекл. з рос. «Дослідження над явищами витіснення одних металів іншими»), яка лягла в основу відомого сьогодні кожному школяру, так званого, ряду активності металів.

Дослідимо реакції розчинення зразків двох металів – магнію та цинку – у розчині хлоридної кислоти.

Демонстраційни дослід 1.

Перелік обладнання та реактивів:

Пробірка 2 од.
Хлоридна кислота, 10 %-ий розчин 10 мл
Зразки металів (магній, цинк) 1 г
Штатив для пробірок 1 од.

Хід дослідження:

У дві пробірки помістіть по 5,0 мл 10 %-ого розчину хлоридної кислоти.
Опустіть у кожну із пробірок по 1,0 г зразку металу – магнію та цинку відповідно. Складіть рівняння реакцій у молекулярній та йонній формах:

______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Спостерігайте за початком перебігу реакції. Укажіть метал, для якого розчинення у хлоридній кислоті відбувається активніше:___________________________________
Дайте відповіді на питання:
- Чому, на вашу думку, швидкість реакції різна, хоча умови однакові?
- Чи відповідають результати спостереження за швидкістю перебігу реакцій металів із хлоридною кислотою їхньому положенню в ряду активності металів?
- Чи зміниться швидкість реакції при нагріванні реакційної суміші?
- Запропонуйте спосіб / реакцію, за допомогою якої можна наглядно продемонструвати різну активність досліджуваних металів. Складіть відповідне рівняння реакцї у молекулярній та йонній формі:

____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

2. Вплив природи реагуючих речовин на швидкість реакції.

Як же пояснити таку різну швидкість перебігу однакового типу реакцій? Відповідно до отриманих вище йонних рівнянь, що описують перебіг розчинення металів у хлоридній кислоті, атоми металу віддають електрони гідратованим катіонам Гідрогену:

Відновні властивості металів визначаються, у тому числі, електронною будовою їхніх атомів: радіус атома Магнію (s-елемент) більший за радіус атома Цинку (d-елемент), а тому відновні властивості – здатність віддавати електрони – для атома Магнію виражені сильніші.

Висновок про різну активність металів можна зробити також і відповідно до положення хімічних елементів у періодичній таблиці. Неважко спрогнозувати, наприклад, високу активність лужних металів – літію, натрію, калію тощо – порівняно із іншими металами. Так, натрій дуже активно, майже миттєво реагує із водою, у той час як мідь у воді не розчиняється.

Завдання 1. Складіть термохімічне рівняння реакції натрію з водою, якщо при розчиненні 0,1 моль натрію у воді виділяється 18,4 кДж теплоти.

3. Вплив тиску на швидкість реакції

Як ми уже зазначали раніше, умовою взаємодії двох речовин є зіткнення частинок цих речовин одна з одною. Зі збільшенням кількості частинок у певному об’ємі простору зростає імовірність їхніх зіткнень, а отже, зростає кількість частинок, що взаємодіють за одиницю часу.

Уміст кількості частинок досліджуваної речовини у певному об’ємі реакційної суміші прийняти виражати концентрацією:

Отже,

Якщо реактантом є речовина, яка за умов перебігу реакції перебуває у газуватому стані, то швидкість реакції залежить від тиску. У стиснутому газі перебуває більше молекул в певному об’ємі реакційного середовища, ніж у розрідженому. А тому реакції за участю газів зі збільшенням тиску прискорюються.

Завдання 2. Прочитайте та доповніть текст, підкреслюючи правильне слово / словосполучення, що пояснює вплив тиску на швидкість хімічної реакції за участю газів:

Відповідно до закону діючих [мас / об’ємів / концентрацій] швидкість прямої реакції виражається розрахунковою формулою:

aA + bB → cC + dD

(4) $\begin{equation*} v = k \cdot c_{_}^{_} \cdot c_{_}^{_}\end{equation*}$

Підвищення тиску у реакційному середовищі обумовлює [збільшення / зменшення] концентрації реагуючих речовин у певному об’ємі реактору. Отже, така зміна їхньої концентрації приводить до [прискорення / уповільнення] перебігу реакції.

Завдання 3. Послуговуючись підказками, розв’яжіть задачу. Кінетичне рівняння реакції 2СО + О₂ = 2СО₂ має вигляд:

(5) $\begin{equation*} v = k \cdot c_{co}^2 \cdot c_{o_2}\end{equation*}$

Як та у скільки разів зміниться початкова швидкість реакції окиснення карбон(ІІ) оксиду, якщо зменшити тиск у реакторі в 2 рази?

Розв’язання:

За законом діючих мас до початку зміни тиску у реакторі швидкість реакції становить:

(6) $\begin{equation*} v_0 = k \cdot c_0(CO)^2 \cdot c_0(O_2)\end{equation*}$

Зменшення тиску в реакторі сприяє зменшенню кількості речовини реактантів у одиниці об’єму реакційного середовища, а отже, зменшенню їхньої концентрації. Зміна концентрацій реагуючих речовин обумовлює зміну швидкості реакції:

с(CO)=0,5∙c₀(CO),
с(О₂)= 0,5∙с₀(О₂).

v=k∙0,52∙c₀(CO)²∙0,5∙с(О₂)=______∙k∙c₀(CO)²∙с(О₂)=_______∙v0

Пригадайте або, послуговуючись додатковими літературними джерелами інформації, знайдіть відомості про те, як співвідносяться між собою тиск та кількість речовини газу.

З іншої сторони, вважаючи, що за умов реакції усі газуваті реактанти ведуть себе як ідеальні гази, стає зрозумілим, що зміна тиску у реакторі приводить до зміни концентрації газуватих речовин у стільки ж разів. А тому для реакцій за участю газів буде справедливим такий вигляд закону діючих мас:

aA + bB → cC + dD

що дає змогу однозначно зробити висновок про вплив тиску на швидкість реакції:

p(CO)=0,5∙p₀(CO),
p(О₂).= 0,5∙p₀(О₂).

v=____________________________________=_____________________________=________∙v0

Тобто, швидкість реакції [зменшиться / збільшиться] у _________ разів.

4. Залежність швидкості реакції від наявності каталізатора

У багатьох випадках швидкість реакції можна змінити за допомогою спеціальних речовин або їх сумішей – каталізаторів.

Зважаючи, що каталізатор після реакції залишається незмінним, його не вказують ані в ректантах, ані в продуктах перетворення, а записують над стрілкою. Так, гідроген пероксид Н₂О₂, 3 %-ий розчин якого широко застосовується в якості антисептика у побуті, дуже повільно у такому розчині розкладається відповідно до хімічного рівняння:

2Н₂О₂ → 2Н₂О + О₂↑.

Якщо ж до такого розчину додати, наприклад, манган(+4) оксид, одразу починається бурхливе виділення газуватого кисню. Формулу каталізатора у хімічному рівнянні записують над стрілкою:

2Н₂О₂ MnO2→ 2Н₂О + О₂↑.

Каталізатори можуть як прискорювати перебіг реакції – позитивний каталіз, так і гальмувати – негативний каталіз. Часто негативний каталіз називають інгібуванням, а відповідні каталізатори – інгібіторами.

Каталізатором деяких реакцій може бути навіть вода. Суміш порошків алюмінію та кристалічного йоду може довго зберігатися без жодних видимих змін. Але додавання двох-трьох крапель води до суміші спричиняє бурхливу екзотермічну реакцію між простими речовинами:

2Al(тв.) + 3I₂(тв.) H2O→ 2AlI₃; ∆H = ‒610 кДж

Вплив каталізатора на перебіг реакції пояснюється тим, що він взаємодіє з одним із реактантів, витрачаючи значно менше енергії, ніж під час прямої взаємодії вихідних сполук. Так, участь каталізатора К в реакції між речовинами А та В умовно можна представити так:

A + B + K → A + BK

Утворений на цій стадії проміжний продукт ВК далі взаємодіє з іншим реактантом, а каталізатор вивільнюється у початковому стані:

A + BK → AB + K

Такий шлях перебігу реакції пояснюється меншим значенням енергії активації обох (або більше) стадій перетворення за участі каталізатора порівняно із прямою взаємодією реактантів.

Каталізатори мають велике значення для сучасної промисловості та науки. Близько 90 % хімічних перетворень відбуваються за участі каталізаторів. Багато важливих хімічних реакцій баз каталізаторів були б неможливими або відбувалися б за дуже високих температур. Каталізатори використовують у транспортних засобах із двигунами внутрішнього згоряння. Завдяки таким каталітичним системам токсичний карбон(ІІ) оксид (продукт часткового окиснення вуглеводнів у складі пального) піддається повному окисненню з утворенням вуглекислого газу.

За участю каталізаторів відбуваються хімічні (або біохімічні) процеси в живих організмах. Ці каталізатори називаються ферментами. Відсутність або нестача ферментів може викликати серйозні порушення життєдіяльності організму, викликаючи тяжкі хвороби. Важливою особливістю ферментів є критична залежність їхньої дії від температури. До певного значення температури швидкість ферментативної реакції може збільшуватися, а потім відбувається руйнування ферменту (або ферментативного комплексу), його каталітична дія зникає і реакція припиняється. Саме тому підвищення температури у хворих людей до +42 °С може обумовлювати руйнування життєво важливих ферментів і, як результат, важкі наслідки для здоров’я хворого.

5. Практикуємось

1. У скільки разів потрібно підвищити тиск у газовій суміші, щоб швидкість реакції 2А(г.) + В(г.) → С(г.) збільшилася у 27 разів?

2. Як зміниться швидкість реакції 2NO(г.) + O₂(г.) → 2NO₂(г.) при збільшенні концентрації нітроген(ІІ) оксиду вдвічі, концентрації кисню – втричі та подальшому підвищенні тиску у два рази?

3. Важливою стадією промислового виробництва сульфатної кислоти є каталітичне окиснення сульфур(IV) оксиду: 2SO₂(г.) + О₂(г.) = 2SO₃(г.)

За температури 900 °С швидкість прямої реакції – взаємодія сульфур(IV) оксиду з киснем – є дуже високою, але одночасно досить високою є швидкість зворотнього процесу – розклад утвореного сульфур(VI) оксиду. На встановлену таким чином хімічну рівновагу – стан, за якого швидкості прямої та зворотної реакцій однакові, – можна вплинути, змінюючи тиск у реакторі.

Подумайте, як необхідно змінити тиск (збільшити або зменшити), щоб швидкість прямої реакції стала більшою порівняно із зворотною. Використовуючи вираз закону діючих мас для обох процесів доведіть свою гіпотезу.

5. Рефлексія

Вправа «Світлофор». Висловіться щодо степеня засвоєння матеріалу сьогоднішнього уроку:
- 🔴 — усе зрозуміло;
- 🔴 — частково;
- 🔴 — важко, потрібна допомога.
Закінчіть речення:
- «Сьогодні я дізнався(-лася), що…»
- «Найцікавішим було…»
- «Я ще хочу дізнатися…»

____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

У вільний від відпочинку час

Каталаза – це фермент, що розщеплює гідроген пероксид на воду та газуватий кисень, відіграючи ключову роль в антиоксидантному захисті клітин від пошкоджень. Він присутній в живих організмах (від бактерій до людини) та в рослинах. Дію каталази легко прослідити в домашніх умовах. Пропонуємо виконати серію експериментів та переконатися в цьому:
- а) підготуйте п’ять-шість зразків різних продуктів або рослин: свіжий огірок, помідор, сире м’ясо, картопля, зріз листка будь-якої квітки / рослини, цибуля (зелена, ріпчаста тощо), капуста, ковбаса (варена, копчена) тощо;
- б) на зріз кожного з продуктів нанесіть три-чотири краплі 3 %-ого розчину гідроген пероксиду;
- в) за 1-2 хвилину відмітьте перебіг каталітичного розкладу гідроген пероксиду.
- Результати спостережень рекомендується оформити у формі таблиці.
Підготуйте коротке повідомлення (до шести речень) про роль каталізаторів у промисловості або живій природі (наприклад, каталіз у ферментах або автомобільних каталізаторах).

Завантажити матеріал (PDF)

Ділись та обговорюй важливе