Лабораторная работа №5, страница 98, часть 1 - гдз по химии 10 класс учебник Оспанова, Аухадиева

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 5

Изучение зависимости скорости химических реакций от различных факторов: гомогенный, гетерогенный катализ

Реактивы:

• 3%-ный раствор сульфата меди (II)
• 10%-ные растворы гидроксида аммония, пероксида водорода
• кристаллический оксид марганца (IV) $MnO_2$

Химическая посуда и лабораторное оборудование:

• цилиндры на 250 мл
• измерительные цилиндры на 100, 25, 10 мл
• пробирки и штатив для пробирок
• спиртовка
• лучинка

Ход работы

Опыт 1. Гомогенный катализ

Налейте в один цилиндр (объемом 250 мл) 50 мл раствора сульфата меди (II), в другой — 50 мл раствора гидроксида аммония, в третий — по 25 мл растворов сульфата меди (II) и гидроксида аммония. Добавьте во все цилиндры по 10 мл раствора пероксида водорода. Обратите внимание на скорость разложения пероксида водорода и сделайте соответствующий вывод.

Опыт 2. Гетерогенный катализ

В пробирку налейте 1 мл пероксида водорода и внесите тлеющую лучинку, не прикасаясь к жидкости. Что наблюдаете? Добавьте к пероксиду водорода несколько кристаллов оксида марганца (IV) $MnO_2$ и снова внесите тлеющую лучинку. Что наблюдаете? Какую роль играет $MnO_2$? На основании проведенных опытов сделайте вывод о факторах, влияющих на скорость химических реакций. Напишите уравнения соответствующих реакций.

Опыт 1. Гомогенный катализ

При проведении опыта наблюдаются следующие явления:

1. В первом цилиндре, содержащем раствор сульфата меди(II) ($CuSO_4$), после добавления пероксида водорода ($H_2O_2$) реакция разложения протекает очень медленно, видимое выделение газа практически отсутствует.

2. Во втором цилиндре, с раствором гидроксида аммония ($NH_4OH$), реакция разложения $H_2O_2$ идет с умеренной скоростью, наблюдается выделение пузырьков газа. Это объясняется тем, что щелочная среда сама по себе ускоряет разложение пероксида водорода.

3. В третьем цилиндре при смешивании растворов сульфата меди(II) и гидроксида аммония образуется комплексное соединение — сульфат тетраамминмеди(II) ($[Cu(NH_3)_4]SO_4$), имеющий характерный интенсивно-синий цвет. После добавления к этому раствору пероксида водорода начинается бурная реакция с обильным выделением газа (кислорода).

Это свидетельствует о том, что ион тетраамминмеди(II) ($[Cu(NH_3)_4]^{2+}$) является эффективным катализатором разложения $H_2O_2$. Поскольку катализатор (ионы $[Cu(NH_3)_4]^{2+}$) и реагенты ($H_2O_2$ и $H_2O$) находятся в одной фазе (водном растворе), данный процесс является примером гомогенного катализа.

Уравнения реакций:

Образование аммиачного комплекса меди(II):

$CuSO_4 + 4NH_4OH \rightarrow [Cu(NH_3)_4]SO_4 + 4H_2O$

Каталитическое разложение пероксида водорода:

$2H_2O_2 \xrightarrow{[Cu(NH_3)_4]^{2+}} 2H_2o + O_2\uparrow$

Ответ: Скорость разложения пероксида водорода значительно возрастает в присутствии гомогенного катализатора — ионов тетраамминмеди(II) ($[Cu(NH_3)_4]^{2+}$).

Опыт 2. Гетерогенный катализ

1. При внесении тлеющей лучинки в пробирку с 1 мл пероксида водорода ничего не происходит, лучинка продолжает тлеть и затем гаснет. Это говорит о том, что без катализатора скорость разложения $H_2O_2$ очень мала, и выделяющегося кислорода недостаточно для воспламенения лучинки.

2. После добавления в пробирку нескольких кристаллов оксида марганца(IV) ($MnO_2$) начинается бурная реакция с интенсивным выделением газа. Если в этот момент внести в пробирку тлеющую лучинку (не касаясь жидкости), она ярко вспыхивает. Это доказывает, что выделяющийся газ — кислород.

Роль оксида марганца(IV) ($MnO_2$) заключается в том, что он выступает катализатором реакции разложения пероксида водорода. Поскольку катализатор ($MnO_2$) находится в твердой фазе, а реагент ($H_2O_2$) — в жидкой, такой катализ называется гетерогенным.

На основании проведенных опытов можно сделать вывод, что одним из важнейших факторов, влияющих на скорость химической реакции, является наличие катализатора. Катализаторы ускоряют реакцию, предоставляя альтернативный путь ее протекания с более низкой энергией активации. Катализ может быть гомогенным (опыт 1) и гетерогенным (опыт 2) в зависимости от фазового состояния катализатора и реагентов.

Уравнение реакции:

$2H_2O_2 \xrightarrow{MnO_2} 2H_2o + O_2\uparrow$

Ответ: Оксид марганца(IV) ($MnO_2$) является гетерогенным катализатором, который значительно ускоряет реакцию разложения пероксида водорода с образованием кислорода, что подтверждается вспыхиванием тлеющей лучинки.