Kimyo · Kimyoviy reaksiyalar · 8-sinf

Reaksiya tezligi va katalizator

Nega bo‘r kukuni bo‘lakdan tez «qaynaydi», muzlatgichda ovqat esa sekin buziladi?

Vaziyat

Kimyo xonasida o‘qituvchi uchta stakan tagiga qog‘ozga katta X chizib qo‘ydi: kislota quyilgach, eritma loyqalanib, X ko‘rinmay qoladi — lekin har stakanda har xil vaqtda. Uyda ham shunday: go‘sht muzlatgichda uzoq saqlanadi, sut issiqda tez achiydi, yaraga surtilgan vodorod peroksid ko‘pirib ketadi, bo‘r kukuni kislotada bo‘lakdan ko‘ra tez «qaynaydi». Reaksiya tezligi nimalarga bog‘liq va uni qanday o‘lchash, oshirish yoki sekinlashtirish mumkin?

Mavzu

Kimyoviy reaksiya tezligi va katalizatorlar. Bo‘r va xlorid kislota: kukun bo‘lakdan tezroq «qaynaydi»; issiq choyda shakar tez eriydi; yaradagi vodorod peroksidni katalaza ko‘pirtiradi

Asosiy tushunchalar

Tezlik omillari
Vant-Goff qoidasi
Katalizator

Formulalar

v = \pm \frac{Δ c}{Δ t}

Reaksiya tezligi — vaqt birligida konsentratsiyaning o‘zgarishi, mol/(l·s).

v = k {[A]}^{a} {[B]}^{b}

Massalar ta’siri qonuni (Guldberg va Vaage): $k$ — tezlik konstantasi; daraja ko‘rsatkichlari tajribadan topiladi.

\frac{v_{2}}{v_{1}} = γ^{(t_{2} - t_{1}) / 10}

Vant-Goff qoidasi: harorat har 10 °C ga oshganda tezlik γ = 2–4 marta ortadi.

k = A e^{- E_{a} / R T}

Arrenius tenglamasi: aktivlanish energiyasi $E_{a}$ kichik yoki harorat yuqori bo‘lsa, $k$ katta.

2 H_{2} O_{2} \overset{\overset{}{MnO_{2}}}{\to} 2 H_{2} O + O_{2} ↑

Katalitik parchalanish: MnO₂ reaksiyani tezlashtiradi, o‘zi o‘zgarmay qoladi.

Nazariya

Reaksiya tezligi va to‘qnashuvlar

Reaksiya tezligi — vaqt birligida reaksiyaga kirishgan yoki hosil bo‘lgan modda konsentratsiyasining o‘zgarishi: $v = \pm Δ c / Δ t$ , birligi mol/(l·s). Masalan, 10 s da A moddaning konsentratsiyasi 0,6 dan 0,4 mol/l gacha kamaysa, v = 0,2 : 10 = 0,02 mol/(l·s). Reaksiya bir fazada (eritma, gazlar aralashmasi) borsa — gomogen, fazalar chegarasida (qattiq bo‘r va kislota) borsa — geterogen. To‘qnashuvlar nazariyasi: zarrachalar reaksiyaga kirishishi uchun to‘qnashishi, to‘qnashuv esa yetarli energiyali (aktivlanish energiyasi $E_{a}$ dan katta) va to‘g‘ri yo‘nalishda bo‘lishi kerak. Konsentratsiya, harorat, sirt yuzasi va katalizator — hammasi samarali to‘qnashuvlar sonini o‘zgartiradi («Molekulalar» oynasida ko‘rinadi).

Konsentratsiya va bosim: massalar ta’siri qonuni

Guldberg va Vaage (1864–1867): o‘zgarmas haroratda tezlik reaksiyaga kirishayotgan moddalar konsentratsiyalarining ko‘paytmasiga proporsional: $v = k {[A]}^{a} {[B]}^{b}$ , $k$ — tezlik konstantasi. Ba’zi reaksiyalarda ko‘rsatkichlar koeffitsientlarga teng chiqadi (tajribada aniqlangan): $H_{2} + I_{2} \overset{}{\to} 2 HI$ uchun $v = k [H_{2}] [I_{2}]$ , $2 NO + O_{2} \overset{}{\to} 2 NO_{2}$ uchun $v = k {[NO]}^{2} [O_{2}]$ ; murakkab reaksiyalarda ular tajribadan topiladi. Qattiq modda konsentratsiyasi ifodaga kirmaydi — uning sirti muhim. Gazlarda bosim oshsa (hajm kamaysa) konsentratsiyalar ortadi: hajm 2 marta kamaysa, NO va O₂ reaksiyasi 2²·2 = 8 marta tezlashadi. Bizning tajribada $Na_{2} S_{2} O_{3} + H_{2} SO_{4} \overset{}{\to} Na_{2} SO_{4} + S ↓ + SO_{2} ↑ + H_{2} O$ kislota ortiqcha: X yo‘qolish vaqti tiosulfat konsentratsiyasiga teskari proporsional, demak tezlik $c (Na_{2} S_{2} O_{3})$ ga proporsional.

Harorat: Vant-Goff qoidasi

Harorat har 10 °C ga oshganda ko‘pchilik reaksiyalar tezligi 2–4 marta ortadi: $v_{2} / v_{1} = γ^{(t_{2} - t_{1}) / 10}$ , $γ$ — temperatura koeffitsienti (Vant-Goff, 1884). Sababi faqat molekulalar tezlashishida emas: energiyasi $E_{a}$ dan katta bo‘lgan molekulalar ulushi keskin ko‘payadi. Aniqroq qonun — Arrenius tenglamasi $k = A e^{- E_{a} / R T}$ . Shuning uchun muzlatgichda (+4 °C) ovqat xona haroratidagidan bir necha marta sekin buziladi, issiqda sut tez achiydi. Masala: γ = 3, harorat 20 °C dan 50 °C gacha ko‘tarilsa, $v_{2} / v_{1} = 3^{3} = 27$ marta.

Sirt yuzasi

Geterogen reaksiya faqat fazalar chegarasida boradi, shuning uchun modda maydalansa tezlashadi. 1 g bo‘r bitta shar bo‘lsa (r ≈ 4,4 mm), sirti ≈ 2,5 sm²; 8 bo‘lakka bo‘linsa — 2 marta ko‘p; donachalari radiusi 0,2 mm bo‘lgan kukunda ≈ 55 sm², ya’ni 22 marta ko‘p. $CaCO_{3} + 2 HCl \overset{}{\to} CaCl_{2} + CO_{2} ↑ + H_{2} O$ : CO₂ uchib chiqqani sari kolba yengillashadi, 1,00 g CaCO₃ dan 0,44 g CO₂ chiqadi. Shuning uchun mayda cho‘p yo‘g‘on o‘tindan tez yonadi, un, shakar va ko‘mir changi havoda portlashi mumkin — tegirmon va shaxtalarda chang to‘planishiga yo‘l qo‘yilmaydi.

Katalizator va ingibitor

Katalizator reaksiyani tezlashtiradi, o‘zi esa reaksiya oxirida o‘zgarmay qoladi: u reaksiyani aktivlanish energiyasi kichikroq boshqa yo‘l bilan olib boradi. H₂O₂ parchalanishida $E_{a}$ ≈ 75 kJ/mol, MnO₂ bilan ≈ 58 kJ/mol, jigar katalazasi bilan ≈ 23 kJ/mol (boshqa o‘lchovlarda 8–14 kJ/mol). Katalizator issiqlik effektini ham, muvozanatni ham o‘zgartirmaydi. Gomogen katalizda katalizator reaktivlar bilan bir fazada, geterogen katalizda — qattiq sirtda: MnO₂, sanoatda temir (ammiak sintezi), V₂O₅ (sulfat kislota), Pt–Rh to‘ri (nitrat kislota), avtomobil neytralizatori. Fermentlar — biologik katalizatorlar: hujayradagi katalaza zaharli H₂O₂ ni parchalaydi; qaynatilganda oqsil tuzilishi buziladi va ferment ishlamay qoladi. Ingibitor reaksiyani sekinlashtiradi: dorixonadagi vodorod peroksidga stabilizator, metallarga korroziya ingibitorlari, yog‘larga antioksidantlar qo‘shiladi.

Laboratoriya, xavfsizlik va model

Tezlik omillari tajribasi (8-sinf 33-§, 11-sinf 23-§): 1) uch stakanga turli hajmda Na₂S₂O₃ eritmasi va suv (jami 30 ml) quyilib, X chizilgan qog‘oz ustiga qo‘yiladi; 10 ml H₂SO₄ qo‘shilgan paytdan X ko‘rinmay qolguncha vaqt o‘lchanadi, $v \approx Δ c (S) / t$ ; 2) xuddi shu tajriba turli haroratli suv hammomlarida; 3) bo‘r bo‘lagi va kukuni kislotada (tarozida); 4) H₂O₂ ga MnO₂ va kartoshka. Xavfsizlik: himoya ko‘zoynagi; kislotalar terini kuydiradi; tiosulfat reaksiyasida o‘tkir hidli SO₂ ajraladi — xonani shamollating yoki tortish shkafida ishlang; maktabda faqat 3 % li H₂O₂ ishlatiladi. Model: tiosulfat reaksiyasi tezligi $c (Na_{2} S_{2} O_{3})$ ga proporsional va $E_{a}$ = 50 kJ/mol (γ ≈ 2,0) deb olingan — haqiqiy mexanizm murakkab; X oltingugurt 1 mmol/l ga yetganda ko‘rinmay qoladi; bo‘r bo‘laklari sharsimon (ρ = 2,71 g/sm³), CO₂ darhol uchib ketadi; H₂O₂ parchalanishi birinchi tartibli, tezlik konstantalari sxematik, ferment 50 °C dan yuqorida buziladi (sxema); «Molekulalar» oynasi sxematik — o‘lcham va tezliklar masshtabda emas.

Bilasizmi?

Gollandiyalik kimyogar Yakob Vant-Goff haroratning reaksiya tezligiga ta’sirini 1884-yilda «Kimyoviy dinamika tadqiqotlari» kitobida bayon qilgan. 1901-yilda u kimyo bo‘yicha birinchi Nobel mukofotiga sazovor bo‘lgan.
Katalaza — eng tez ishlaydigan fermentlardan biri: uning bitta molekulasi bir soniyada millionlab H₂O₂ molekulasini suv va kislorodga parchalaydi. U deyarli barcha kislorodli muhitda yashovchi organizmlarda bor.

Tajribada nima bor

Tajriba hayotiy vaziyatdan boshlanadi: natijani taxmin qilasiz, boshqaruvlarni o‘zgartirib tajriba o‘tkazasiz va xulosa chiqarasiz. Ichida topshiriqlar, nazariya, test va ekskursiya bor — kamera o‘zi harakatlanib, eng muhim joylarni tushuntiradi.