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

Глава II. Химические реакции. Практическая работа 1. Решение экспериментальных задач по теме «Химические реакции». Вариант 2 - номер 4, страница 85.

Условие.

4. Предложите и экспериментально осуществите проект исследования зависимости скорости химической реакции от температуры на основе реакции оксида меди(II) с раствором серной кислоты. Запишите молекулярное и ионное уравнения реакции, отметьте признаки и условия её протекания. Обоснуйте, почему реакция относится к окислительно-восстановительным.

Решение.

Решение 2.

Проект исследования зависимости скорости химической реакции от температуры на основе реакции оксида меди(II) с раствором серной кислоты

Цель исследования: Экспериментально установить зависимость скорости реакции между оксидом меди(II) и серной кислотой от температуры.

Гипотеза: В соответствии с правилом Вант-Гоффа, скорость химической реакции увеличивается при повышении температуры. Ожидается, что реакция будет протекать быстрее в более горячем растворе.

Оборудование и реактивы:

• Порошок оксида меди(II) ($CuO$)
• Раствор серной кислоты ($H_2SO_4$, концентрация 10-15%)
• Химические стаканы или пробирки (3 шт.)
• Штатив для пробирок
• Водяная баня (или большой стакан с водой и нагревательный прибор)
• Термометр
• Секундомер
• Мерный цилиндр
• Весы

Ход работы (методика эксперимента):

1. Подготовить три одинаковые экспериментальные установки. В каждую из трех пробирок налить одинаковый объем (например, 10 мл) раствора серной кислоты.
2. Взвесить три одинаковые порции (навески) порошка оксида меди(II) (например, по 0,5 г).
3. Создать разные температурные условия для каждой пробирки:
   • Пробирка №1: комнатная температура (около 20 °C).
   • Пробирка №2: поместить в водяную баню с теплой водой (около 40 °C).
   • Пробирка №3: поместить в водяную баню с горячей водой (около 60 °C).
   С помощью термометра убедиться, что кислота в пробирках достигла заданной температуры.
4. Одновременно (или последовательно, каждый раз засекая время) добавить в каждую пробирку подготовленную навеску оксида меди(II) и немедленно включить секундомер для каждой пробирки.
5. Наблюдать за ходом реакции. Конечной точкой реакции считать момент полного растворения черного порошка $CuO$ и образования однородного прозрачного раствора голубого цвета.
6. Зафиксировать время ($t$), затраченное на реакцию в каждой из трех пробирок.

Анализ результатов:

Полученные данные занести в таблицу:

Номер опыта	Температура, °C	Время реакции, с	Относительная скорость ($1/t$), $с⁻¹$
1	~20	$t_1$	$1/t_1$
2	~40	$t_2$	$1/t_2$
3	~60	$t_3$	$1/t_3$

Ожидаемый результат: $t_1 > t_2 > t_3$. На основе данных можно построить график зависимости скорости реакции от температуры.

Вывод: Эксперимент показывает, что с увеличением температуры время, необходимое для завершения реакции, сокращается. Следовательно, скорость реакции оксида меди(II) с серной кислотой возрастает при нагревании, что подтверждает выдвинутую гипотезу.

Ответ: Для исследования зависимости скорости реакции от температуры необходимо провести серию экспериментов при различных температурах (например, 20°C, 40°C, 60°C), поддерживаемых с помощью водяной бани. В одинаковые объемы серной кислоты добавляются одинаковые навески оксида меди(II), и с помощью секундомера измеряется время до полного растворения реагента. Сравнение времени реакции при разных температурах позволяет сделать вывод о прямой зависимости скорости реакции от температуры.

Молекулярное и ионное уравнения реакции, признаки и условия её протекания

Взаимодействие оксида меди(II) (основный оксид) с серной кислотой является реакцией обмена, в результате которой образуются соль и вода.

Молекулярное уравнение:
$CuO(тв) + H_2SO_4(р-р) \rightarrow CuSO_4(р-р) + H_2O(ж)$

Признаки реакции:

• Растворение твердого вещества черного цвета (оксида меди(II)).
• Образование прозрачного раствора голубого или синего цвета, что обусловлено присутствием в растворе гидратированных ионов меди(II) $[Cu(H_2O)_6]^{2+}$.

Условия протекания:

• Реакция протекает при комнатной температуре, но достаточно медленно.
• Для увеличения скорости реакции требуется нагревание.

Полное ионное уравнение (учитывая, что $CuO$ - нерастворимое вещество, $H_2SO_4$ - сильный электролит, $CuSO_4$ - растворимая соль):
$CuO(тв) + 2H^+(р-р) + SO_4^{2-}(р-р) \rightarrow Cu^{2+}(р-р) + SO_4^{2-}(р-р) + H_2O(ж)$

Сокращенное ионное уравнение (после исключения ионов-наблюдателей $SO_4^{2-}$):
$CuO(тв) + 2H^+(р-р) \rightarrow Cu^{2+}(р-р) + H_2O(ж)$

Ответ: Молекулярное уравнение: $CuO + H_2SO_4 \rightarrow CuSO_4 + H_2O$. Сокращенное ионное уравнение: $CuO + 2H^+ \rightarrow Cu^{2+} + H_2O$. Признаки реакции: растворение черного порошка и появление голубой окраски раствора. Условия: реакция идет при комнатной температуре, ускоряется при нагревании.

Обоснование, почему реакция относится к окислительно-восстановительным

Окислительно-восстановительными (ОВР) называются реакции, в ходе которых происходит изменение степеней окисления у атомов одного или нескольких элементов. Чтобы определить, является ли данная реакция ОВР, необходимо расставить степени окисления для всех элементов в реагентах и продуктах.

Рассмотрим уравнение реакции: $C\overset{+2}{u}\overset{-2}{O} + \overset{+1}{H_2}\overset{+6}{S}\overset{-2}{O_4} \rightarrow \overset{+2}{Cu}\overset{+6}{S}\overset{-2}{O_4} + \overset{+1}{H_2}\overset{-2}{O}$

Проанализируем изменение степеней окисления:

• Медь (Cu): была $+2$ (в $CuO$), стала $+2$ (в $CuSO_4$). Степень окисления не изменилась.
• Кислород (O): был $-2$ (в $CuO$ и $H_2SO_4$), стал $-2$ (в $CuSO_4$ и $H_2O$). Степень окисления не изменилась.
• Водород (H): был $+1$ (в $H_2SO_4$), стал $+1$ (в $H_2O$). Степень окисления не изменилась.
• Сера (S): была $+6$ (в $H_2SO_4$), стала $+6$ (в $CuSO_4$). Степень окисления не изменилась.

Поскольку ни один из элементов не изменил свою степень окисления в ходе реакции, данная реакция не является окислительно-восстановительной. Это типичная реакция ионного обмена, а именно кислотно-основное взаимодействие.

Вероятно, в условии задачи содержится неточность. Окислительно-восстановительной была бы реакция не оксида меди(II), а металлической меди с концентрированной серной кислотой:
$\overset{0}{Cu} + 2H_2\overset{+6}{S}O_4(конц.) \xrightarrow{t} \overset{+2}{Cu}SO_4 + \overset{+4}{S}O_2\uparrow + 2H_2O$
В этой реакции медь окисляется ($Cu^0 \rightarrow Cu^{+2}$), а сера восстанавливается ($S^{+6} \rightarrow S^{+4}$).

Ответ: Реакция $CuO + H_2SO_4 \rightarrow CuSO_4 + H_2O$ не является окислительно-восстановительной, так как степени окисления всех химических элементов в ее ходе не изменяются. Эта реакция классифицируется как реакция ионного обмена.