Номер 4, страница 192 - гдз по химии 11 класс учебник Рудзитис, Фельдман

Вопросы в начале параграфа. Параграф 43. Химия в промышленности. Принципы химического производства. Глава VIII. Химия и жизнь - номер 4, страница 192.

Условие.

• От каких факторов зависит скорость химической реакции?

Решение.

Решение 2.

Какой катализатор используют при синтезе аммиака?

При промышленном производстве аммиака из азота и водорода, известном как процесс Габера-Боша, используется гетерогенный катализатор. Основой этого катализатора служит пористое железо, которое получают путем восстановления оксида железа(II,III) $Fe_3O_4$ водородом. Для увеличения эффективности и срока службы катализатора в его состав добавляют специальные вещества — промоторы.
Наиболее распространенными промоторами являются оксид алюминия ($Al_2O_3$) и оксид калия ($K_2O$). Оксид алюминия выступает в роли структурного промотора: он создает своеобразный каркас, который предотвращает спекание (рекристаллизацию) мелких кристаллов железа при высоких температурах процесса (400–500 °C), тем самым сохраняя большую площадь активной поверхности катализатора. Оксид калия является электронным промотором. Он изменяет электронную плотность на поверхности железа, что облегчает адсорбцию и последующую активацию молекул азота ($N_2$), разрыв прочной тройной связи в которых является лимитирующей стадией всего процесса. Уравнение реакции синтеза аммиака: $N_2 (г) + 3H_2 (г) \rightleftharpoons 2NH_3 (г)$.

Ответ: При синтезе аммиака используют пористое железо в качестве катализатора, активированное (промотированное) оксидами алюминия ($Al_2O_3$) и калия ($K_2O$).

От каких факторов зависит скорость химической реакции?

Скорость химической реакции — это величина, показывающая, как быстро изменяется концентрация одного из реагентов или продуктов реакции во времени. Она зависит от ряда факторов, которые определяют частоту и энергию столкновений между реагирующими частицами.

• Природа реагирующих веществ. Состав, строение молекул и тип химической связи в веществах определяют их реакционную способность. Например, реакции в растворах между ионами (например, $Ag^+ + Cl^- \rightarrow AgCl\downarrow$) протекают практически мгновенно, тогда как реакции с участием веществ с прочными ковалентными связями (например, горение метана) требуют определенных условий и протекают медленнее.
• Концентрация. Для гомогенных систем (когда все вещества находятся в одной фазе) скорость реакции обычно возрастает с увеличением концентрации реагентов. Это объясняется увеличением числа частиц в единице объема, что приводит к более частым столкновениям между ними. Эта зависимость описывается законом действующих масс. Для реакции вида $aA + bB \rightarrow продукты$ скорость ($v$) выражается как $v = k \cdot [A]^a \cdot [B]^b$, где $[A]$ и $[B]$ — молярные концентрации веществ, а $k$ — константа скорости.
• Температура. Повышение температуры значительно увеличивает скорость большинства реакций. Это происходит потому, что увеличивается средняя кинетическая энергия молекул, и, как следствие, возрастает доля активных молекул — тех, чья энергия достаточна для преодоления энергетического барьера реакции (энергии активации $E_a$). Зависимость константы скорости от температуры описывается уравнением Аррениуса: $k = A \cdot e^{-E_a/(RT)}$. Эмпирическое правило Вант-Гоффа гласит, что при повышении температуры на каждые 10 градусов Цельсия скорость реакции увеличивается в 2–4 раза.
• Давление. Этот фактор имеет существенное значение для реакций с участием газообразных веществ. Увеличение давления приводит к увеличению концентрации газов, что, аналогично влиянию концентрации, увеличивает частоту столкновений молекул и, соответственно, скорость реакции.
• Площадь поверхности соприкосновения. Для гетерогенных реакций, протекающих на границе раздела фаз (например, твердое-жидкость, твердое-газ), скорость зависит от площади контакта реагентов. Измельчение твердого вещества (например, использование порошка вместо цельного куска) увеличивает площадь его поверхности, что приводит к значительному ускорению реакции.
• Наличие катализатора. Катализатор — это вещество, которое ускоряет реакцию, но само при этом не расходуется. Механизм действия катализатора заключается в том, что он направляет реакцию по альтернативному пути с более низкой энергией активации. Вещества, замедляющие реакцию, называются ингибиторами.

Ответ: Скорость химической реакции зависит от природы реагирующих веществ, их концентрации (или давления для газов), температуры, площади поверхности контакта для гетерогенных систем и наличия катализатора или ингибитора.