Страница 64 - гдз по химии 11 класс учебник Рудзитис, Фельдман

1. Что такое скорость химической реакции и как её определяют?

Что такое скорость химической реакции и как её определяют?

Скорость химической реакции — это физико-химическая величина, которая характеризует интенсивность протекания химического процесса. Она определяется как изменение концентрации одного из реагирующих веществ или продуктов реакции за единицу времени в единице объёма (для гомогенных реакций) или на единице площади поверхности (для гетерогенных реакций).

Способ определения скорости зависит от типа реакции: является ли она гомогенной или гетерогенной.

Скорость гомогенной реакции
Гомогенная реакция протекает во всём объёме системы (например, в растворе или газовой смеси). Её средняя скорость ($v_{гом}$) определяется как изменение молярной концентрации ($C$) вещества за промежуток времени ($\Delta t$).
Формула для расчёта:
$v_{гом} = \pm \frac{\Delta C}{\Delta t} = \pm \frac{C_{конечная} - C_{начальная}}{t_{конечный} - t_{начальный}}$
где $ \Delta C $ — изменение молярной концентрации вещества (в моль/л), а $ \Delta t $ — промежуток времени (в с, мин, ч).

Знак в формуле выбирается так, чтобы скорость всегда была положительной величиной. Знак «–» используется при расчёте по исходному веществу (реагенту), так как его концентрация со временем уменьшается ($\Delta C < 0$). Знак «+» используется при расчёте по продукту реакции, так как его концентрация со временем увеличивается ($\Delta C > 0$). Единица измерения скорости гомогенной реакции — моль/(л·с).

Скорость гетерогенной реакции
Гетерогенная реакция протекает на границе раздела фаз (например, реакция твёрдого вещества с газом). Её средняя скорость ($v_{гет}$) определяется как изменение количества вещества ($\Delta n$) за единицу времени ($\Delta t$) на единице площади поверхности контакта реагентов ($S$).
Формула для расчёта:
$v_{гет} = \pm \frac{\Delta n}{S \cdot \Delta t}$
где $ \Delta n $ — изменение количества вещества (в моль), $ S $ — площадь поверхности соприкосновения реагентов (в м²), а $ \Delta t $ — промежуток времени (в с).

Единица измерения скорости гетерогенной реакции — моль/(м²·с).

Ответ: Скорость химической реакции — это величина, показывающая изменение концентрации (для гомогенных реакций) или количества вещества на единицу поверхности (для гетерогенных реакций) одного из участников реакции в единицу времени. Её определяют, измеряя изменение концентрации или количества вещества за определенный временной интервал и вычисляя по формулам: $v_{гом} = \pm \frac{\Delta C}{\Delta t}$ для гомогенных реакций и $v_{гет} = \pm \frac{\Delta n}{S \cdot \Delta t}$ для гетерогенных.

2. Приведите примеры реакций, увеличение или уменьшение скорости которых имеет положительное или отрицательное значение на производстве или в быту. Дайте пояснения.

Реакции, увеличение скорости которых имеет положительное значение

В промышленности: Синтез аммиака в процессе Габера-Боша. Аммиак является ключевым сырьем для производства азотных удобрений. Увеличение скорости этой реакции позволяет повысить производительность и снизить стоимость конечного продукта. Для этого применяют высокие температуру ($400-500^{\circ}C$) и давление ($15-25$ МПа), а также катализатор (пористое железо). Уравнение реакции: $N_2(г) + 3H_2(г) \rightleftharpoons 2NH_3(г)$

Ответ: Ускорение синтеза аммиака на производстве позволяет получать больше удобрений, что критически важно для сельского хозяйства.

В быту: Приготовление пищи. Повышение температуры (например, при варке или жарке) значительно ускоряет химические процессы (денатурация белков, клейстеризация крахмала), которые делают пищу съедобной, безопасной и вкусной. Использование скороварки, где температура и давление выше, позволяет ускорить процесс еще сильнее.

Ответ: Увеличение скорости реакций при готовке позволяет экономить время и энергию.

Реакции, уменьшение скорости которых имеет положительное значение

В промышленности и быту: Коррозия металлов, например, ржавление железа. Это процесс разрушения металлов в результате химического или электрохимического взаимодействия с окружающей средой. Замедление коррозии продлевает срок службы металлических конструкций, автомобилей, трубопроводов. Для этого используют защитные покрытия (краска, лак, цинкование), легирование (создание нержавеющей стали) и ингибиторы коррозии. Упрощенное уравнение ржавления железа: $4Fe + 3O_2 + 6H_2O \rightarrow 4Fe(OH)_3$

Ответ: Замедление коррозии позволяет сохранить целостность и функциональность металлических изделий и конструкций на долгий срок.

В быту: Порча пищевых продуктов. Этот процесс обусловлен множеством химических и биохимических реакций (окисление жиров, деятельность микроорганизмов и ферментов). Хранение продуктов в холодильнике или морозильной камере замедляет эти реакции, так как скорость большинства реакций падает с понижением температуры. Это позволяет сохранить свежесть и питательную ценность продуктов на более длительное время.

Ответ: Замедление реакций, вызывающих порчу продуктов, позволяет дольше хранить еду, сокращая количество отходов.

Реакции, увеличение скорости которых имеет отрицательное значение

В промышленности: Неконтролируемый распад взрывчатых веществ. Реакции разложения многих соединений (например, нитроглицерина) являются экзотермическими. При определенных условиях (нагрев, удар) скорость реакции может лавинообразно нарастать, приводя к тепловому взрыву. Это представляет огромную опасность на производствах, связанных с такими веществами.

Ответ: Неконтролируемое увеличение скорости реакций разложения взрывчатых веществ может привести к катастрофическим разрушениям и человеческим жертвам.

В быту: Горение и распространение пожара. Горение – это быстрая экзотермическая реакция окисления. Увеличение ее скорости (например, из-за сильного ветра, который доставляет больше кислорода) приводит к быстрому распространению огня, что затрудняет тушение и увеличивает ущерб.

Ответ: Ускоренное горение во время пожара ведет к более масштабным разрушениям и представляет большую угрозу для жизни.

Реакции, уменьшение скорости которых имеет отрицательное значение

В промышленности: Снижение активности катализатора ("отравление катализатора"). В каталитических процессах (например, в том же синтезе аммиака или при крекинге нефти) со временем катализатор может загрязняться примесями, что снижает его активность. Это приводит к замедлению целевой реакции, падению производительности и экономическим убыткам, так как требуется замена или регенерация дорогостоящего катализатора.

Ответ: Замедление ключевых производственных реакций из-за снижения эффективности катализатора ведет к уменьшению выпуска продукции и росту ее себестоимости.

В быту: Затвердевание строительных смесей (например, бетона или клея). Для проведения ремонтных работ важно, чтобы реакция гидратации цемента или полимеризации клея протекала с оптимальной скоростью. Если реакция будет идти слишком медленно (например, из-за низкой температуры или неправильного состава смеси), это значительно увеличит время строительства или ремонта и может негативно сказаться на прочности конечного материала.

Ответ: Слишком медленное затвердевание строительных материалов увеличивает время работ и может ухудшить качество результата.

3. Вычислите среднюю скорость реакции $A + B \rightarrow 2C$, если начальная концентрация вещества А равна 0,22 моль/л, а через 10 с — 0,215 моль/л. Как изменилась за это время концентрация вещества В?

Дано:

Уравнение реакции: $A + B \rightarrow 2C$

Начальная концентрация вещества A, $C_1(A) = 0,22 \text{ моль/л}$

Концентрация вещества A через 10 с, $C_2(A) = 0,215 \text{ моль/л}$

Промежуток времени, $\Delta t = 10 \text{ с}$

Найти:

Среднюю скорость реакции, $v_{ср} - ?$

Изменение концентрации вещества B, $\Delta C(B) - ?$

Решение:

1. Вычисление средней скорости реакции

Средняя скорость гомогенной реакции определяется как изменение концентрации одного из реагирующих веществ или продуктов реакции за единицу времени. Для реагента А скорость реакции вычисляется по формуле:

$v_{ср} = -\frac{\Delta C(A)}{\Delta t} = -\frac{C_2(A) - C_1(A)}{\Delta t}$

Знак "минус" используется потому, что концентрация исходного вещества (реагента) со временем уменьшается, а скорость реакции является положительной величиной.

Подставим известные значения в формулу:

$v_{ср} = -\frac{0,215 \text{ моль/л} - 0,22 \text{ моль/л}}{10 \text{ с}} = -\frac{-0,005 \text{ моль/л}}{10 \text{ с}} = 0,0005 \text{ моль/(л·с)}$

2. Изменение концентрации вещества B

Согласно уравнению реакции $A + B \rightarrow 2C$, стехиометрические коэффициенты для веществ А и B равны 1. Это означает, что вещества А и B реагируют в мольном соотношении 1:1. Следовательно, за один и тот же промежуток времени изменение концентрации вещества B будет равно изменению концентрации вещества A.

$\Delta C(B) = \Delta C(A)$

Найдем изменение концентрации вещества А:

$\Delta C(A) = C_2(A) - C_1(A) = 0,215 \text{ моль/л} - 0,22 \text{ моль/л} = -0,005 \text{ моль/л}$

Таким образом, изменение концентрации вещества B также составляет -0,005 моль/л. Знак "минус" указывает на то, что концентрация вещества B, как и вещества A, уменьшается.

Ответ: средняя скорость реакции равна $0,0005 \text{ моль/(л·с)}$; за это время концентрация вещества B уменьшилась на $0,005 \text{ моль/л}$.

1. Гомогенная реакция — это реакция между

1) оксидом меди$(II)$ и соляной кислотой

2) магнием и кислородом

3) железом и сульфатом меди$(II)$

4) азотом и кислородом

Гомогенной (однородной) называется реакция, в которой все реагирующие вещества находятся в одной фазе (например, все вещества являются газами или все растворены в одной жидкости). Реакция, в которой реагенты находятся в разных фазах, называется гетерогенной (неоднородной).

Проанализируем каждый из предложенных вариантов:

1) оксидом меди(II) и соляной кислотой
Оксид меди(II) ($CuO$) — твердое вещество. Соляная кислота ($HCl$) — водный раствор (жидкость). Так как реагенты находятся в разных фазах (твердое + жидкое), эта реакция является гетерогенной.
Уравнение реакции: $CuO_{(тв)} + 2HCl_{(р-р)} \rightarrow CuCl_{2(р-р)} + H_2O_{(ж)}$

2) магнием и кислородом
Магний ($Mg$) — твердое вещество, а кислород ($O_2$) — газ. Реагенты находятся в разных фазах (твердое + газообразное), следовательно, реакция гетерогенная.
Уравнение реакции: $2Mg_{(тв)} + O_{2(г)} \rightarrow 2MgO_{(тв)}$

3) железом и сульфатом меди(II)
Железо ($Fe$) — твердое вещество. Сульфат меди(II) ($CuSO_4$) в реакциях такого типа обычно используется в виде водного раствора (жидкость). Реагенты находятся в разных фазах (твердое + жидкое), поэтому реакция гетерогенная.
Уравнение реакции: $Fe_{(тв)} + CuSO_{4(р-р)} \rightarrow FeSO_{4(р-р)} + Cu_{(тв)}$

4) азотом и кислородом
Азот ($N_2$) и кислород ($O_2$) — газы. Оба реагента находятся в одной и той же, газовой, фазе. Следовательно, эта реакция является гомогенной.
Уравнение реакции: $N_{2(г)} + O_{2(г)} \rightleftharpoons 2NO_{(г)}$

Ответ: 4

2. Гетерогенной является реакция между

1) серой и кислородом

2) азотом и водородом

3) оксидом серы($IV$) и кислородом

4) этанолом и уксусной кислотой

Гетерогенной называется реакция, в которой реагирующие вещества находятся в разных агрегатных состояниях (фазах). Гомогенной, соответственно, называется реакция, в которой все реагенты находятся в одной фазе. Чтобы определить, какая из предложенных реакций является гетерогенной, необходимо проанализировать агрегатные состояния реагентов в каждом случае.

1) серой и кислородом
Сера ($S$) при обычных условиях является твердым веществом. Кислород ($O_2$) — это газ. Поскольку реагенты находятся в разных фазах (твердое вещество и газ), реакция между ними является гетерогенной. Уравнение реакции: $S_{(тв)} + O_{2(г)} \rightarrow SO_{2(г)}$.

Ответ: данная реакция является гетерогенной.

2) азотом и водородом
Азот ($N_2$) и водород ($H_2$) при условиях протекания реакции (синтез аммиака) являются газами. Так как оба реагента находятся в одной и той же (газообразной) фазе, реакция является гомогенной. Уравнение реакции: $N_{2(г)} + 3H_{2(г)} \rightleftharpoons 2NH_{3(г)}$.

Ответ: данная реакция является гомогенной.

3) оксидом серы(IV) и кислородом
Оксид серы(IV) ($SO_2$) и кислород ($O_2$) являются газами. Реакция между ними протекает в одной газовой фазе, следовательно, она гомогенная. Уравнение реакции: $2SO_{2(г)} + O_{2(г)} \rightleftharpoons 2SO_{3(г)}$.

Ответ: данная реакция является гомогенной.

4) этанолом и уксусной кислотой
Этанол ($C_2H_5OH$) и уксусная кислота ($CH_3COOH$) — это жидкости, которые хорошо смешиваются друг с другом, образуя однородный раствор (одну фазу). Реакция этерификации между ними протекает в жидкой фазе и является гомогенной. Уравнение реакции: $CH_3COOH_{(ж)} + C_2H_5OH_{(ж)} \rightleftharpoons CH_3COOC_2H_5_{(ж)} + H_2O_{(ж)}$.

Ответ: данная реакция является гомогенной.

Таким образом, единственной гетерогенной реакцией из перечисленных является реакция между серой и кислородом.

Ответ: 1.