Страница 106 - гдз по химии 9 класс учебник Еремин, Кузьменко

1. Что называют скоростью реакции; катализатором; ингибитором?

скоростью реакции

Скоростью химической реакции называют изменение концентрации одного из реагирующих веществ или продуктов реакции в единицу времени. Эта величина характеризует, насколько быстро протекает химический процесс.

Для гомогенной реакции, протекающей в однородной среде (например, в растворе), различают среднюю и мгновенную скорость. Средняя скорость за промежуток времени $\Delta t$ определяется как отношение изменения молярной концентрации вещества $\Delta C$ к этому промежутку времени по формуле $v_{ср} = \pm \frac{\Delta C}{\Delta t} = \pm \frac{C_{конечн} - C_{начальн}}{t_2 - t_1}$. Знак «–» ставится, если измеряется концентрация исходного вещества (реагента), так как она уменьшается со временем ($\Delta C < 0$), а знак «+» — если измеряется концентрация продукта реакции, так как она растет ($\Delta C > 0$). Скорость реакции всегда является положительной величиной. В системе СИ она измеряется в моль/(м³·с), но чаще используется внесистемная единица моль/(л·с).

Мгновенная скорость — это скорость реакции в данный момент времени, которая является производной концентрации по времени. Зависимость мгновенной скорости от концентрации реагентов выражается кинетическим уравнением, или законом действующих масс. Для элементарной реакции вида $aA + bB \rightarrow продукты$ он имеет вид: $v = k \cdot [A]^a \cdot [B]^b$, где $[A]$ и $[B]$ — молярные концентрации реагентов, $a$ и $b$ — их стехиометрические коэффициенты, а $k$ — константа скорости реакции, зависящая от температуры и природы веществ.

Для гетерогенных реакций, протекающих на границе раздела фаз, скорость определяют как изменение количества вещества ($\Delta n$) за единицу времени ($\Delta t$) на единице площади поверхности ($S$): $v_{гет} = \frac{\Delta n}{S \cdot \Delta t}$.

Ответ: Скоростью реакции называют величину, которая показывает изменение концентрации одного из участников реакции (реагента или продукта) в единицу времени.

катализатором

Катализатором называют химическое вещество, которое увеличивает скорость химической реакции, но по её завершении остается неизменным как количественно, так и химически. Явление изменения скорости реакции под действием катализатора называется катализом.

Действие катализатора заключается в том, что он предоставляет альтернативный реакционный путь с более низкой энергией активации ($E_a$). Энергия активации — это минимальная энергия, которой должны обладать частицы, чтобы их столкновение привело к реакции. Снижая этот энергетический барьер, катализатор позволяет большему числу молекул вступать в реакцию в единицу времени, что и приводит к увеличению общей скорости. Катализатор активно участвует в реакции, образуя с реагентами промежуточные соединения, которые затем легко превращаются в продукты, высвобождая катализатор в исходной форме.

Катализаторы бывают гомогенными (находятся в одной фазе с реагентами, например, кислота в реакции этерификации) и гетерогенными (находятся в другой фазе, например, твердая платина при гидрировании газов). Биологические катализаторы белковой природы называются ферментами.

Ответ: Катализатором называют вещество, которое ускоряет химическую реакцию, но не расходуется в ней.

ингибитором

Ингибитором (от лат. inhibeo — сдерживаю, останавливаю) называют вещество, которое замедляет скорость химической реакции или полностью подавляет ее. Ингибиторы являются антиподами катализаторов и иногда их называют отрицательными катализаторами.

Механизмы действия ингибиторов разнообразны. Они могут, например, увеличивать энергию активации реакции; вступать в реакцию с активными частицами (например, радикалами в цепных реакциях), обрывая реакционную цепь; или "отравлять" катализатор, то есть необратимо связываться с его активными центрами и блокировать их работу (этот процесс называется дезактивацией катализатора).

Ингибиторы имеют большое практическое значение. Их используют для предотвращения нежелательных процессов: ингибиторы коррозии защищают металлы от разрушения, антиоксиданты предотвращают окисление и порчу пищевых продуктов, лекарственных препаратов и полимеров.

Ответ: Ингибитором называют вещество, которое замедляет или предотвращает протекание химической реакции.

2. От каких факторов зависит скорость реакции? Продолжите заполнение таблицы 10. Постарайтесь привести примеры, отличные от описанных в тексте параграфа. (Работа в малых группах.)

Таблица 10

Факторы, влияющие на скорость реакции

Примеры

Объяснение

1. Природа реагирующих веществ

Металлы реагируют с соляной кислотой с различными скоростями

Металлы обладают различной химической активностью, т. е. способностью отдавать электроны

2. Температура

3. Присутствие катализатора (ингибитора)

4. Площадь поверхности*

* Для реакций, протекающих с участием твёрдых веществ.

2. Температура

Примеры: Продукты питания хранят в холодильнике, чтобы замедлить биохимические реакции, приводящие к их порче. Приготовление пищи (варка, жарка) существенно ускоряется при нагревании.

Объяснение: С повышением температуры увеличивается средняя кинетическая энергия реагирующих частиц. Это приводит к увеличению как частоты их столкновений, так и доли «активных» столкновений, обладающих достаточной энергией (энергией активации) для осуществления химического превращения.

Ответ: Увеличение температуры приводит к увеличению скорости реакции, а ее понижение — к замедлению.

3. Присутствие катализатора (ингибитора)

Примеры: Разложение пероксида водорода ($H_2O_2$) протекает очень медленно, но значительно ускоряется в присутствии катализатора — оксида марганца(IV) ($MnO_2$). Для замедления коррозии металлов в системы отопления добавляют ингибиторы.

Объяснение: Катализаторы — это вещества, которые изменяют скорость реакции, предоставляя альтернативный реакционный путь с более низкой энергией активации. Сами катализаторы в ходе реакции не расходуются. Ингибиторы, напротив, замедляют реакцию, повышая энергию активации или блокируя активные центры.

Ответ: Катализаторы увеличивают скорость химической реакции, а ингибиторы — уменьшают.

4. Площадь поверхности*

Примеры: Угольная пыль в шахте может взорваться от искры, в то время как большие куски угля горят медленно. Сахарная пудра растворяется в чае гораздо быстрее, чем кусковой сахар той же массы.

Объяснение: Этот фактор имеет значение для гетерогенных реакций, в которых реагенты находятся в разных фазах (например, твердое-жидкость, твердое-газ). Химическое взаимодействие происходит на границе раздела фаз. Чем больше площадь поверхности твердого реагента (чего достигают измельчением), тем больше частиц может одновременно участвовать в реакции, и, следовательно, тем выше скорость реакции.

Ответ: Для реакций с участием твердых веществ увеличение площади их поверхности приводит к увеличению скорости реакции.

3. В вашем распоряжении находятся склянки с кусочками железа, порошком железа, порошком олова, 10%-й и 2%-й соляной кислотой. При взаимодействии веществ из каких склянок водород будет выделяться с наибольшей скоростью?

Решение

Скорость химической реакции выделения водорода при взаимодействии металла с кислотой зависит от нескольких ключевых факторов. Чтобы определить, при какой комбинации веществ реакция будет протекать наиболее быстро, необходимо проанализировать влияние каждого фактора на основе имеющихся реагентов.

1. Природа металла (химическая активность). В нашем распоряжении есть железо (Fe) и олово (Sn). Согласно электрохимическому ряду активности металлов, железо является более активным металлом, чем олово, так как расположено в ряду левее. Это означает, что железо более энергично вытесняет водород из кислот. Следовательно, при прочих равных условиях, реакция с железом будет протекать быстрее, чем с оловом. Уравнения реакций:

$Fe + 2HCl \rightarrow FeCl_2 + H_2\uparrow$

$Sn + 2HCl \rightarrow SnCl_2 + H_2\uparrow$

2. Концентрация кислоты. Представлены два раствора соляной кислоты: 10%-й и 2%-й. Скорость химической реакции, как правило, прямо пропорциональна концентрации реагирующих веществ. В более концентрированном (10%-м) растворе кислоты содержится больше реагирующих частиц на единицу объема, что приводит к увеличению частоты их эффективных столкновений с поверхностью металла и, соответственно, к увеличению скорости реакции.

3. Площадь поверхности соприкосновения реагентов. Железо предоставлено в двух формах: кусочками и в виде порошка. Порошок имеет значительно большую площадь поверхности по сравнению с кусочками той же массы. Поскольку гетерогенная реакция (металл-жидкость) протекает на поверхности раздела фаз, увеличение этой поверхности приводит к значительному росту скорости реакции. Таким образом, порошок железа будет реагировать с кислотой гораздо быстрее, чем кусочки железа.

Исходя из анализа всех факторов, можно сделать вывод, что для достижения максимальной скорости выделения водорода необходимо выбрать:

• наиболее активный металл — железо;
• раствор кислоты с наибольшей концентрацией — 10%-я соляная кислота;
• металл с наибольшей площадью поверхности — порошок железа.

Следовательно, наивысшая скорость реакции будет наблюдаться при взаимодействии порошка железа с 10%-м раствором соляной кислоты.

Ответ: Водород будет выделяться с наибольшей скоростью при взаимодействии веществ из склянок с порошком железа и 10%-й соляной кислотой.

4. В вашем распоряжении имеются 3%-й и 10%-й растворы серной и уксусной кислот. В каком из указанных растворов быстрее растворится кусочек магния?

Скорость растворения магния в кислоте определяется скоростью химической реакции между ними. Эта скорость, в свою очередь, зависит от нескольких факторов, главными из которых в данном случае являются природа кислоты (ее сила) и ее концентрация. Реакция магния с кислотой описывается ионным уравнением $Mg + 2H^+ \rightarrow Mg^{2+} + H_2\uparrow$. Следовательно, чем выше концентрация ионов водорода $H^+$ в растворе, тем быстрее будет растворяться магний.

В нашем распоряжении есть растворы двух кислот: серной ($H_2SO_4$) и уксусной ($CH_3COOH$).

Серная кислота является сильной кислотой. Это означает, что в водном растворе она практически полностью диссоциирует (распадается на ионы), обеспечивая высокую концентрацию ионов водорода $H^+$.

Уксусная кислота, напротив, является слабой кислотой. Она диссоциирует лишь в очень малой степени, поэтому при той же общей концентрации кислоты в растворе, концентрация ионов $H^+$ будет во много раз ниже, чем в растворе серной кислоты.

Таким образом, реакция с магнием в любом из растворов серной кислоты будет протекать значительно быстрее, чем в любом из растворов уксусной кислоты.

Теперь необходимо сравнить два раствора серной кислоты: 3%-й и 10%-й. Скорость реакции также зависит от концентрации реагентов. 10%-й раствор является более концентрированным, чем 3%-й. Это означает, что в 10%-м растворе серной кислоты концентрация ионов $H^+$ выше, чем в 3%-м.

Объединяя эти два факта, можно заключить, что самая высокая скорость реакции будет наблюдаться в самом концентрированном растворе самой сильной из предложенных кислот. В данном случае это 10%-й раствор серной кислоты.

Ответ: Кусочек магния быстрее растворится в 10%-м растворе серной кислоты.

5. От каких из перечисленных ниже факторов не зависит скорость растворения алюминия в растворе щёлочи: температуры, давления, степени измельчения алюминия, концентрации щёлочи, формы сосуда, в котором происходит реакция?

Скорость химической реакции – это изменение количества вещества одного из реагентов или продуктов реакции в единицу времени. Растворение алюминия в растворе щёлочи является гетерогенной химической реакцией, так как в ней участвуют вещества в разных агрегатных состояниях: твёрдый алюминий и жидкий раствор щёлочи. Уравнение этой реакции:

$2Al(тв) + 2NaOH(р-р) + 6H_2O(ж) \rightarrow 2Na[Al(OH)_4](р-р) + 3H_2(г) \uparrow$

Проанализируем, как каждый из перечисленных факторов влияет на скорость этого процесса.

температуры

Согласно правилу Вант-Гоффа, повышение температуры на каждые 10°C приводит к увеличению скорости большинства химических реакций в 2-4 раза. Это объясняется тем, что при нагревании увеличивается средняя кинетическая энергия реагирующих частиц. Это ведет к более частым и, что важнее, более сильным (эффективным) столкновениям между ними, которые приводят к химическому превращению. Таким образом, скорость растворения алюминия в щелочи напрямую зависит от температуры.

Ответ: скорость реакции зависит от температуры.

давления

Давление является значимым фактором для скоростей реакций, в которых участвуют газообразные реагенты. В рассматриваемой реакции газ (водород) является продуктом, а не исходным веществом. Исходные вещества — твёрдое тело (алюминий) и жидкость (раствор щёлочи). Изменение внешнего давления практически не сказывается на концентрациях веществ в конденсированных фазах и, следовательно, не влияет на скорость их взаимодействия. Поэтому скорость растворения алюминия не зависит от давления.

Ответ: скорость реакции не зависит от давления.

степени измельчения алюминия

Данная реакция является гетерогенной, то есть протекает на границе раздела фаз «твёрдое тело – жидкость». Скорость таких реакций прямо пропорциональна площади поверхности контакта реагентов. Чем выше степень измельчения алюминия (например, использование порошка вместо слитка), тем больше его площадь соприкосновения с раствором, и тем быстрее он будет реагировать со щёлочью. Следовательно, скорость растворения зависит от степени измельчения алюминия.

Ответ: скорость реакции зависит от степени измельчения алюминия.

концентрации щёлочи

Щёлочь (а точнее, гидроксид-ионы $OH^−$) является одним из реагентов. Согласно закону действующих масс, скорость реакции прямо пропорциональна концентрации реагирующих веществ. Чем выше концентрация щёлочи в растворе, тем большее количество ионов $OH^−$ находится в единице объёма, что увеличивает частоту их столкновений с поверхностью алюминия в единицу времени. Это ведёт к увеличению скорости реакции.

Ответ: скорость реакции зависит от концентрации щёлочи.

формы сосуда, в котором происходит реакция

Форма сосуда не является прямым кинетическим фактором. Она не изменяет природу реагентов, их концентрацию, температуру системы или площадь поверхности твёрдого реагента. Хотя форма сосуда может косвенно влиять на условия протекания реакции (например, на эффективность перемешивания или скорость теплообмена с окружающей средой), сама по себе она не определяет скорость химического взаимодействия на молекулярном уровне. При прочих равных условиях, скорость реакции не зависит от формы сосуда.

Ответ: скорость реакции не зависит от формы сосуда.

Таким образом, проанализировав все факторы, можно дать окончательный ответ на поставленный вопрос. Скорость растворения алюминия в растворе щёлочи не зависит от давления и формы сосуда, в котором происходит реакция.

*6. Проведены два опыта по получению кислорода нагреванием перманганата калия. В первом опыте получено 0,3 моль кислорода за 3 минуты, а во втором — 0,75 моль за 5 минут. В каком случае скорость реакции выше, если сосуды, в которых проводили опыты, имеют одинаковые объёмы?

Дано:

Опыт 1:

Количество вещества кислорода $n_1(O_2) = 0.3 \text{ моль}$

Время реакции $t_1 = 3 \text{ мин}$

Опыт 2:

Количество вещества кислорода $n_2(O_2) = 0.75 \text{ моль}$

Время реакции $t_2 = 5 \text{ мин}$

Объемы сосудов одинаковы: $V_1 = V_2 = V$

Перевод в систему СИ:

$t_1 = 3 \text{ мин} = 3 \times 60 \text{ с} = 180 \text{ с}$

$t_2 = 5 \text{ мин} = 5 \times 60 \text{ с} = 300 \text{ с}$

Найти:

В каком случае скорость реакции выше.

Решение:

Скорость химической реакции определяется как изменение концентрации одного из продуктов реакции в единицу времени. Для продукта (кислорода) формула скорости выглядит так:

$v = \frac{\Delta C}{\Delta t}$

где $\Delta C$ – изменение молярной концентрации, $\Delta t$ – промежуток времени.

Молярная концентрация $C$ – это отношение количества вещества $n$ к объему системы $V$:

$C = \frac{n}{V}$

Подставим это выражение в формулу скорости. Так как реакция начинается с нулевой концентрации кислорода, $\Delta n = n$, а $\Delta C = \frac{n}{V}$. Поскольку объем сосуда $V$ постоянен, получаем:

$v = \frac{n}{V \cdot \Delta t}$

Теперь рассчитаем скорость для каждого из двух опытов.

Для первого опыта:

$v_1 = \frac{n_1}{V \cdot t_1} = \frac{0.3 \text{ моль}}{V \cdot 180 \text{ с}}$

Для второго опыта:

$v_2 = \frac{n_2}{V \cdot t_2} = \frac{0.75 \text{ моль}}{V \cdot 300 \text{ с}}$

Чтобы сравнить скорости $v_1$ и $v_2$, нам нужно сравнить величины $\frac{0.3}{180}$ и $\frac{0.75}{300}$, так как множитель $\frac{1}{V}$ одинаков в обоих случаях.

Рассчитаем отношение количества вещества ко времени для каждого опыта:

Для первого опыта: $\frac{0.3}{180} = \frac{3}{1800} = \frac{1}{600} \approx 0.00167 \text{ моль/с}$

Для второго опыта: $\frac{0.75}{300} = \frac{75}{30000} = \frac{1}{400} = 0.0025 \text{ моль/с}$

Сравниваем полученные значения:

$0.0025 > 0.00167$

Это означает, что:

$\frac{n_2}{t_2} > \frac{n_1}{t_1}$

Следовательно, $v_2 > v_1$.

Ответ: Скорость реакции выше во втором опыте.