Номер 10, страница 157 - гдз по химии 11 класс учебник Габриелян, Остроумов

Глава 4. Закономерности протекания химических реакций и физико-химических процессов. Параграф 22. Катализ и катализаторы - номер 10, страница 157.

Условие.

10. Существует особая группа реакций, которые называют автокаталитическими. С помощью дополнительных источников информации объясните, в чём заключается особенность таких реакций. Приведите примеры.

Решение.

Решение 2.

Автокаталитические реакции — это химические реакции, катализатором которых выступает один из продуктов реакции. Такое явление, когда реакция сама себя ускоряет по мере накопления продукта-катализатора, называется автокатализом.

В чём заключается особенность таких реакций

Главная особенность автокаталитических реакций заключается в их кинетике, то есть в том, как меняется их скорость с течением времени. В отличие от обычных реакций, скорость которых максимальна в начальный момент и постепенно уменьшается по мере расходования реагентов, автокаталитические реакции ведут себя иначе:

1. Индукционный период. В самом начале, когда концентрация продукта-катализатора равна нулю или очень мала, реакция протекает очень медленно. Этот начальный этап называется индукционным периодом.
2. Самоускорение. По мере образования продукта-катализатора скорость реакции начинает возрастать. Процесс самоускоряется, так как чем больше катализатора, тем выше скорость, что, в свою очередь, приводит к ещё более быстрому образованию катализатора.
3. Максимальная скорость. Скорость реакции достигает своего максимума, после чего начинает снижаться.
4. Замедление. Снижение скорости на последнем этапе происходит из-за значительного уменьшения концентрации исходных веществ (реагентов).

Если построить график зависимости концентрации продукта от времени, то для автокаталитической реакции он будет иметь характерную S-образную (сигмоидную) форму.

Примеры

1. Окисление щавелевой кислоты перманганатом калия.
Это классический пример, часто демонстрируемый в лабораториях. Реакция протекает в кислой среде, и её катализатором являются ионы марганца(II) ($Mn^{2+}$), которые образуются в ходе самой реакции.

Суммарное уравнение реакции:
$2KMnO_4 + 5H_2C_2O_4 + 3H_2SO_4 \rightarrow 2MnSO_4 + K_2SO_4 + 10CO_2 \uparrow + 8H_2O$

В начале реакции фиолетовый раствор перманганата калия обесцвечивается очень медленно. Однако после накопления некоторого количества ионов $Mn^{2+}$ (из продукта $MnSO_4$) реакция резко ускоряется.

2. Гидролиз сложных эфиров.
Гидролиз сложных эфиров катализируется ионами водорода ($H^+$). Одним из продуктов этой реакции является карбоновая кислота, которая диссоциирует с образованием ионов $H^+$.

Уравнение реакции:
$CH_3COOC_2H_5 + H_2O \rightleftharpoons CH_3COOH + C_2H_5OH$

Образующаяся уксусная кислота ($CH_3COOH$) диссоциирует на ионы $CH_3COO^-$ и $H^+$, и эти ионы $H^+$ ускоряют дальнейший гидролиз.

3. Взаимодействие меди с азотной кислотой.
Реакция меди с разбавленной азотной кислотой также является автокаталитической. Катализатором выступает диоксид азота ($NO_2$), который образуется как побочный продукт в результате разложения образующейся в ходе реакции азотистой кислоты $HNO_2$.

Основное уравнение реакции:
$3Cu + 8HNO_3 (разб.) \rightarrow 3Cu(NO_3)_2 + 2NO \uparrow + 4H_2O$

Автокаталитический цикл включает образование и разложение азотистой кислоты, которая ускоряет растворение меди.

Ответ: Особенность автокаталитических реакций заключается в их самоускорении: один из продуктов реакции служит катализатором, из-за чего скорость реакции сначала мала (индукционный период), затем возрастает до максимума и, наконец, падает из-за исчерпания реагентов. Примерами могут служить реакция окисления щавелевой кислоты перманганатом калия (катализатор — ион $Mn^{2+}$) и кислотный гидролиз сложных эфиров (катализатор — ион $H^+$, образующийся при диссоциации продукта-кислоты).