Практическая работа №3, страница 58 - гдз по химии 9 класс учебник Усманова, Сакарьянова

Практическая работа №3

Влияние катализатора на скорость реакции

Приборы и реактивы. Две пробирки, пипетки, секундомер; растворы роданида калия $(KSCN)$, хлорида железа $(FeCl_3)$, сульфата меди $CuSO_4$, тиосульфата натрия $Na_2S_2O_3$.

Выполнение работы: в две пробирки налейте по два мл раствора роданида калия и к нему добавьте по каплям раствор хлорида железа. Что наблюдается? В одну пробирку добавьте одну каплю раствора сульфата меди. В обе пробирки внесите по два миллилитра тиосульфата натрия. Растворы обесцвечиваются с различной скоростью. Отметьте время по секундомеру, за которое происходит завершение реакции (обесцвечивания). Обесцвечивание происходит вследствие восстановления железа (III) в железо (II) под действием тиосульфата натрия.

$FeCl_3 + 3KSCN = Fe(SCN)_3 + 3KCl$

$2Fe(SCN)_3 + 2Na_2S_2O_3 = Na_2S_4O_6 + 2Fe(SCN)_2 + 2NaSCN$

Вопросы и задания

1. Какое вещество в данном опыте является катализатором?

2. Катализатор ускоряет или замедляет скорость химической реакции?

3. Как вы это заметили на примере данного опыта?

1. Какое вещество в данном опыте является катализатором?

В данном эксперименте сравнивается скорость реакции в двух пробирках. В одну из них, в отличие от другой, добавляют одну каплю раствора сульфата меди(II) ($CuSO_4$). Согласно определению, катализатор — это вещество, которое изменяет скорость химической реакции (чаще всего ускоряет), но само при этом не расходуется и не входит в состав продуктов реакции. Поскольку сульфат меди(II) добавляется специально для того, чтобы повлиять на скорость процесса обесцвечивания, и при этом является единственным различием в составе реакционных смесей, он и выполняет роль катализатора.

Ответ: В данном опыте катализатором является сульфат меди(II) ($CuSO_4$).

2. Катализатор ускоряет или замедляет скорость химической реакции?

Катализаторы могут как ускорять (положительные катализаторы), так и замедлять (ингибиторы, или отрицательные катализаторы) химические реакции. В данном опыте сульфат меди(II) ($CuSO_4$) выступает в роли положительного катализатора, то есть он увеличивает скорость химической реакции. Ионы меди($II$) ($Cu^{2+}$) ускоряют реакцию восстановления ионов железа($III$) ($Fe^{3+}$) тиосульфат-ионами ($S_2O_3^{2-}$), предоставляя альтернативный реакционный путь с более низкой энергией активации. Каталитический цикл можно описать следующими стадиями:

1) Ионы меди(II) быстро реагируют с тиосульфат-ионами: $2Cu^{2+} + 2S_2O_3^{2-} \rightarrow 2Cu^{+} + S_4O_6^{2-}$

2) Затем ионы меди(I) быстро восстанавливают ионы железа(III): $Cu^{+} + Fe^{3+} \rightarrow Cu^{2+} + Fe^{2+}$

В результате ионы $Cu^{2+}$ регенерируются, а суммарная реакция $2Fe^{3+} + 2S_2O_3^{2-} \rightarrow 2Fe^{2+} + S_4O_6^{2-}$ протекает быстрее.

Ответ: Катализатор ускоряет скорость химической реакции.

3. Как вы это заметили на примере данного опыта?

Заметить влияние катализатора можно, сравнив время, за которое происходит обесцвечивание растворов в двух пробирках. В начале эксперимента при смешивании растворов хлорида железа($III$) ($FeCl_3$) и роданида калия ($KSCN$) образуется комплексное соединение — роданид железа($III$) ($Fe(SCN)_3$), которое придает раствору интенсивный кроваво-красный цвет:

$FeCl_3 + 3KSCN = Fe(SCN)_3 + 3KCl$

Далее, при добавлении тиосульфата натрия ($Na_2S_2O_3$), происходит реакция восстановления железа($III$) до железа($II$), что приводит к разрушению окрашенного комплекса и обесцвечиванию раствора:

$2Fe(SCN)_3 + 2Na_2S_2O_3 = Na_2S_4O_6 + 2Fe(SCN)_2 + 2NaSCN$

Наблюдая за обеими пробирками и измеряя время с помощью секундомера, можно увидеть, что в пробирке с добавлением катализатора — сульфата меди(II) — красный цвет исчезает значительно быстрее, чем в контрольной пробирке без него. Скорость реакции ($v$) обратно пропорциональна времени ($t$), за которое она протекает ($v \sim 1/t$). Следовательно, меньшее время реакции в пробирке с катализатором указывает на большую скорость процесса.

Ответ: В пробирке с катализатором ($CuSO_4$) раствор обесцвечивается быстрее, что визуально и с помощью секундомера подтверждает увеличение скорости реакции.