Номер 4, страница 85 - гдз по химии 11 класс учебник Габриелян, Остроумов

4. Предложите и экспериментально осуществите проект исследования зависимости скорости химической реакции от концентрации реагирующих веществ на основе реакции соляной кислоты с цинком. Запишите молекулярное и ионное уравнения реакции, отметьте признаки и условия её протекания. Составьте электронный баланс, укажите окислитель и восстановитель.

Проект исследования зависимости скорости реакции от концентрации

Решение

Цель исследования: Экспериментально установить зависимость скорости реакции между цинком и соляной кислотой от концентрации кислоты.

Гипотеза: Скорость химической реакции возрастает с увеличением концентрации реагирующих веществ. В данном случае, чем выше концентрация соляной кислоты, тем быстрее протекает реакция с цинком.

Оборудование и реактивы:

• Штатив с тремя пробирками;
• Гранулы цинка ($Zn$) одинаковой массы и формы (3 шт.);
• Растворы соляной кислоты ($HCl$) разной концентрации, например, 5%-ный, 10%-ный и 20%-ный;
• Мерный цилиндр для отмеривания одинаковых объемов кислоты;
• Секундомер.

Порядок проведения эксперимента:

1. В каждую из трех пробирок поместить по одной грануле цинка.
2. Отмерить с помощью мерного цилиндра равные объемы (например, по 10 мл) растворов соляной кислоты с концентрацией 5%, 10% и 20%.
3. Одновременно (или последовательно, фиксируя время начала реакции для каждой пробирки) влить растворы кислоты в пробирки с цинком.
4. Наблюдать за ходом реакции, сравнивая интенсивность выделения пузырьков газа (водорода) в каждой из пробирок.
5. С помощью секундомера измерить время, за которое цинк полностью растворится в каждой пробирке.

Ожидаемые результаты и их объяснение:

Ожидается, что наиболее бурная реакция будет наблюдаться в пробирке с 20%-ным раствором $HCl$, а наиболее медленная – в пробирке с 5%-ным раствором. Время, необходимое для полного растворения цинка, будет наименьшим в самой концентрированной кислоте и наибольшим в самой разбавленной.

Это объясняется тем, что скорость реакции зависит от числа эффективных столкновений между частицами реагентов в единицу времени. В более концентрированном растворе кислоты на единицу объема приходится больше ионов водорода ($H^+$), которые реагируют с цинком. Это увеличивает частоту столкновений между атомами цинка и ионами водорода, что приводит к увеличению скорости реакции.

Вывод: Эксперимент подтверждает, что скорость реакции цинка с соляной кислотой напрямую зависит от концентрации кислоты: с ростом концентрации скорость реакции увеличивается.

Ответ: Для исследования зависимости скорости реакции от концентрации следует провести три параллельных опыта, в которых к одинаковым гранулам цинка приливаются равные объемы соляной кислоты разной концентрации (например, 5%, 10% и 20%). Скорость реакции оценивается по интенсивности выделения водорода. Эксперимент покажет, что чем выше концентрация кислоты, тем выше скорость реакции.

Уравнения реакции, ее признаки и условия протекания

Решение

Молекулярное уравнение:
$Zn(тв) + 2HCl(р-р) \rightarrow ZnCl_2(р-р) + H_2(г) \uparrow$

Полное ионное уравнение (соляная кислота – сильный электролит, хлорид цинка – растворимая соль):
$Zn^0 + 2H^+ + 2Cl^- \rightarrow Zn^{2+} + 2Cl^- + H_2^0 \uparrow$

Сокращенное ионное уравнение (после исключения ионов-наблюдателей $Cl^-$):
$Zn^0 + 2H^+ \rightarrow Zn^{2+} + H_2^0 \uparrow$

Признаки протекания реакции:

• Выделение бесцветного газа без запаха (водорода), которое сопровождается шипением.
• Постепенное растворение твердого металла (цинка).
• Нагревание пробирки, так как реакция является экзотермической (протекает с выделением тепла).

Условия протекания реакции:
Реакция не требует специальных условий, она протекает при контакте реагентов при комнатной температуре и нормальном давлении.

Ответ: Молекулярное уравнение: $Zn + 2HCl \rightarrow ZnCl_2 + H_2$. Сокращенное ионное уравнение: $Zn + 2H^+ \rightarrow Zn^{2+} + H_2$. Признаки реакции: выделение газа, растворение цинка, выделение тепла. Условия протекания: обычные (контакт реагентов при комнатной температуре).

Электронный баланс, окислитель и восстановитель

Решение

Определим степени окисления элементов, участвующих в реакции:
$Zn^0 + 2H^{+1}Cl^{-1} \rightarrow Zn^{+2}Cl_2^{-1} + H_2^0$

Свои степени окисления изменяют цинк и водород:

• Цинк ($Zn^0$) отдает 2 электрона, повышая степень окисления до +2. Это процесс окисления.
• Ионы водорода ($H^+$) принимают электроны, понижая степень окисления с +1 до 0. Это процесс восстановления.

Схема электронного баланса:

$Zn^0 - 2e^- \rightarrow Zn^{+2}$ | $1$ | окисление

$2H^{+} + 2e^- \rightarrow H_2^0$ | $1$ | восстановление

Число отданных и принятых электронов равно двум.

Окислитель – вещество, принимающее электроны. В данной реакции это ионы водорода $H^{+}$ (в составе соляной кислоты $HCl$).

Восстановитель – вещество, отдающее электроны. В данной реакции это цинк $Zn^0$.

Ответ: Электронный баланс:
$Zn^0 - 2e^- \rightarrow Zn^{+2}$
$2H^{+} + 2e^- \rightarrow H_2^0$
Окислителем являются ионы водорода $H^+$ (соляная кислота $HCl$), восстановителем – цинк ($Zn$).