Страница 107 - гдз по химии 9 класс учебник Еремин, Кузьменко

*7. За месяц до начала занятий лаборант приготовил водный раствор пероксида водорода, в 1 л которого содержалось 0,3 моль $H_2O_2$. Первого сентября учитель химии при проведении опыта обнаружил, что количество $H_2O_2$ в колбе уменьшилось вдвое. Рассчитайте скорость разложения пероксида водорода, считая, что в месяце 30 дней. Какой объём кислорода (н. у.) выделился из 5 мл раствора за это время?

Дано:

$C_{1}(H_2O_2) = 0,3 \text{ моль/л}$

$C_{2}(H_2O_2) = C_{1}(H_2O_2) / 2 = 0,15 \text{ моль/л}$

$\Delta t = 1 \text{ месяц} = 30 \text{ дней}$

$V_{\text{р-ра}} = 5 \text{ мл}$

$V_m = 22,4 \text{ л/моль}$

$V_{\text{р-ра}} = 5 \text{ мл} = 0,005 \text{ л}$

$\Delta t = 30 \text{ дней} = 30 \times 24 = 720 \text{ часов}$

$720 \text{ часов} = 720 \times 3600 = 2 592 000 \text{ с}$

Найти:

$v - ?$

$V(O_2) - ?$

Решение:

Рассчитайте скорость разложения пероксида водорода

Скорость химической реакции определяется как изменение концентрации одного из реагирующих веществ в единицу времени. Формула для расчета скорости реакции по реагенту: $v = - \frac{\Delta C}{\Delta t} = \frac{C_{1} - C_{2}}{\Delta t}$

Где:

• $C_{1}$ – начальная молярная концентрация, $C_{1} = 0,3 \text{ моль/л}$.
• $C_{2}$ – конечная молярная концентрация. По условию, количество $H_2O_2$ уменьшилось вдвое, значит, и концентрация уменьшилась вдвое: $C_{2} = 0,3 \text{ моль/л} / 2 = 0,15 \text{ моль/л}$.
• $\Delta t$ – промежуток времени, за который произошло изменение концентрации, $\Delta t = 30 \text{ дней}$.

Рассчитаем скорость разложения, выразив ее в моль/(л⋅сут): $v = \frac{0,3 \text{ моль/л} - 0,15 \text{ моль/л}}{30 \text{ сут}} = \frac{0,15 \text{ моль/л}}{30 \text{ сут}} = 0,005 \text{ моль/(л}\cdot\text{сут)}$

Также можно выразить скорость в единицах СИ (моль/(л⋅с)): $v = \frac{0,15 \text{ моль/л}}{2 592 000 \text{ с}} \approx 5,79 \cdot 10^{-8} \text{ моль/(л}\cdot\text{с)}$

Ответ: скорость разложения пероксида водорода составляет $0,005 \text{ моль/(л}\cdot\text{сут)}$.

Какой объём кислорода (н. у.) выделился из 5 мл раствора за это время?

1. Напишем уравнение реакции разложения пероксида водорода: $2H_2O_2 \rightarrow 2H_2O + O_2$

2. Найдем количество вещества ($n$) пероксида водорода, которое разложилось в 5 мл раствора за месяц. Изменение концентрации $H_2O_2$ за месяц составило: $\Delta C(H_2O_2) = C_{1} - C_{2} = 0,3 - 0,15 = 0,15 \text{ моль/л}$.

Количество разложившегося $H_2O_2$ в объеме раствора $V_{\text{р-ра}} = 5 \text{ мл} = 0,005 \text{ л}$: $n_{\text{разл.}}(H_2O_2) = \Delta C(H_2O_2) \cdot V_{\text{р-ра}} = 0,15 \text{ моль/л} \cdot 0,005 \text{ л} = 0,00075 \text{ моль}$

3. По уравнению реакции, из 2 моль $H_2O_2$ образуется 1 моль $O_2$. Следовательно, количество вещества кислорода в два раза меньше количества разложившегося пероксида водорода: $n(O_2) = \frac{1}{2} n_{\text{разл.}}(H_2O_2) = \frac{1}{2} \cdot 0,00075 \text{ моль} = 0,000375 \text{ моль}$

4. Рассчитаем объем выделившегося кислорода при нормальных условиях (н. у.), используя молярный объем газа $V_m = 22,4 \text{ л/моль}$: $V(O_2) = n(O_2) \cdot V_m = 0,000375 \text{ моль} \cdot 22,4 \text{ л/моль} = 0,0084 \text{ л}$

Переведем объем в миллилитры: $0,0084 \text{ л} = 8,4 \text{ мл}$.

Ответ: за месяц из 5 мл раствора выделилось $8,4 \text{ мл}$ кислорода.

8. Охарактеризуйте общие свойства любого катализатора. Чем вызвано влияние катализатора на скорость реакции?

Охарактеризуйте общие свойства любого катализатора.

Катализаторы — это вещества, которые изменяют скорость химической реакции (чаще всего ускоряют ее), но сами при этом не расходуются и не входят в состав конечных продуктов. Для любого катализатора характерен ряд общих свойств:

Активность — это способность катализатора ускорять химическую реакцию. Активность зависит от природы катализатора, реагентов и условий проведения реакции (температура, давление). Вещества, замедляющие реакцию, называются ингибиторами.

Селективность (избирательность) — это способность катализатора ускорять только одну из нескольких возможных реакций в системе. Например, в зависимости от катализатора, из смеси CO и H₂ можно получить метан, метанол или жидкие углеводороды. Особенно высокой селективностью обладают ферменты — биологические катализаторы.

Неизменность в ходе реакции — по окончании реакции катализатор выделяется в неизменном химическом составе и количестве. Он принимает участие в промежуточных стадиях реакции, образуя с реагентами нестойкие соединения, но в итоге регенерируется.

Действие в малых количествах — для катализа процесса часто требуется очень небольшое количество катализатора по сравнению с количеством реагентов, так как одна и та же частица катализатора может многократно участвовать в циклах реакции.

Отсутствие влияния на химическое равновесие — катализатор ускоряет как прямую, так и обратную реакцию в одинаковой степени. Поэтому он не сдвигает положение химического равновесия, а лишь помогает достичь его за более короткое время.

Чувствительность к каталитическим ядам — активность катализатора может быть значительно снижена или полностью подавлена присутствием даже малых количеств определенных веществ, называемых каталитическими ядами. Они блокируют активные центры катализатора.

Ответ: Общими свойствами катализаторов являются: активность, селективность (избирательность), неизменность по окончании реакции, способность действовать в малых количествах, отсутствие влияния на положение химического равновесия и чувствительность к каталитическим ядам.

Чем вызвано влияние катализатора на скорость реакции?

Влияние катализатора на скорость реакции объясняется его способностью изменять сам механизм реакции, направляя ее по новому, энергетически более выгодному пути. Этот новый путь характеризуется более низкой энергией активации ($E_a$).

Энергия активации — это минимальная энергия, которой должны обладать молекулы реагентов, чтобы их столкновение привело к химическому превращению. Чем выше энергия активации, тем меньше доля молекул, обладающих достаточной энергией, и, соответственно, тем ниже скорость реакции.

Катализатор участвует в реакции, образуя с реагентами одно или несколько промежуточных соединений. Процесс превращения исходных веществ в продукты через эти промежуточные соединения требует преодоления значительно меньшего энергетического барьера, чем прямой путь реакции без катализатора. Хотя каталитический путь может состоять из нескольких стадий, энергия активации каждой из этих стадий ниже, чем у некаталитической реакции.

Зависимость скорости реакции от энергии активации описывается уравнением Аррениуса для константы скорости ($k$):

$k = A \cdot e^{-E_a / (RT)}$

Здесь $A$ — предэкспоненциальный множитель, $R$ — универсальная газовая постоянная, $T$ — абсолютная температура. Поскольку энергия активации $E_a$ находится в показателе экспоненты с отрицательным знаком, ее уменьшение приводит к резкому (экспоненциальному) увеличению константы скорости $k$, а следовательно, и самой скорости реакции.

Таким образом, катализатор не создает энергию, а действует как «проводник», снижая энергетический «перевал», который должны преодолеть реагенты, чтобы превратиться в продукты.

Ответ: Влияние катализатора на скорость реакции вызвано снижением энергии активации реакции. Катализатор предоставляет альтернативный маршрут реакции, который включает образование промежуточных соединений, и этот новый маршрут имеет более низкий энергетический барьер, что приводит к увеличению числа эффективных столкновений молекул в единицу времени.

9. Найдите информацию о нескольких конкретных процессах химической промышленности, которые требуют участия катализаторов.

Катализаторы играют ключевую роль в подавляющем большинстве процессов химической промышленности. Они позволяют значительно увеличить скорость химических реакций, проводить их при более низких температурах и давлениях, а также повышать селективность (избирательность) процесса, то есть получать преимущественно целевой продукт. Это делает производства более эффективными, экономически выгодными и экологически безопасными. Ниже приведены несколько примеров крупнотоннажных промышленных процессов, которые невозможны без участия катализаторов.

Производство аммиака (процесс Габера-Боша)

Синтез аммиака из атмосферного азота и водорода — основа для производства азотных удобрений, от которых зависит продовольственная безопасность мира. Также аммиак используется в производстве азотной кислоты, полимеров и взрывчатых веществ. Реакция является обратимой и экзотермической.

Уравнение реакции: $N_2(g) + 3H_2(g) \rightleftharpoons 2NH_3(g)$

Без катализатора эта реакция протекает с ничтожно малой скоростью. В промышленности используют гетерогенный катализатор — пористое железо, активированное (промотированное) оксидами алюминия ($Al_2O_3$), калия ($K_2O$) и кальция ($CaO$). Процесс ведут при температуре 400–500 °C и давлении 15–35 МПа (150–350 атмосфер), что является компромиссом между скоростью реакции и положением химического равновесия.

Ответ: Процесс Габера-Боша для синтеза аммиака использует в качестве катализатора пористое железо с промоторами (оксидами $Al_2O_3$, $K_2O$ и др.).

Производство серной кислоты (контактный способ)

Серная кислота является одним из самых производимых химических продуктов в мире. Она применяется в производстве минеральных удобрений (суперфосфата), химических волокон, красителей, в металлургии и нефтепереработке. Ключевая стадия производства — каталитическое окисление диоксида серы в триоксид серы.

Уравнение каталитической стадии: $2SO_2(g) + O_2(g) \rightleftharpoons 2SO_3(g)$

В качестве катализатора в этом процессе выступает оксид ванадия(V) ($V_2O_5$), нанесенный на пористый инертный носитель (например, силикагель $SiO_2$ или алюмосиликат). Реакция проводится при температуре около 450 °C и давлении, близком к атмосферному. Использование катализатора позволяет достичь высокого (99.5-99.7%) превращения $SO_2$ в $SO_3$.

Ответ: В контактном способе производства серной кислоты окисление диоксида серы в триоксид серы происходит на катализаторе на основе оксида ванадия(V).

Производство азотной кислоты (процесс Оствальда)

Азотная кислота — важное сырье для получения аммиачной селитры (удобрение и компонент взрывчатых веществ), органических красителей, нитроцеллюлозы и различных нитросоединений. Процесс ее получения включает три стадии, первая и самая важная из которых — каталитическое окисление аммиака.

Уравнение первой стадии: $4NH_3(g) + 5O_2(g) \rightarrow 4NO(g) + 6H_2O(g)$

Процесс ведут при высокой температуре (800–950 °C) и атмосферном давлении, пропуская смесь аммиака с воздухом через катализаторные сетки. Сетки изготавливают из сплава платины с родием (5–10 % Rh) или платины с родием и палладием. Катализатор обеспечивает очень высокую скорость и селективность реакции, достигая выхода оксида азота(II) до 98%.

Ответ: На первой стадии производства азотной кислоты по методу Оствальда используется платино-родиевый катализатор для окисления аммиака в оксид азота(II).

Каталитический крекинг нефти

Это один из важнейших процессов нефтепереработки, предназначенный для получения высокооктановых компонентов бензина, а также сырья для нефтехимии (например, пропилена и бутиленов) из тяжелых нефтяных фракций (газойля, мазута).

Процесс заключается в расщеплении крупных молекул углеводородов на более мелкие при высокой температуре и в присутствии катализатора. Например, расщепление алкана: $C_{16}H_{34} \rightarrow C_8H_{18} + C_8H_{16}$.

В качестве катализаторов используются алюмосиликаты, в частности, синтетические цеолиты. Это микропористые кристаллические вещества, обладающие высокой кислотностью и селективностью. Процесс обычно проводят в "кипящем слое" катализатора при температуре 480–550 °C.

Ответ: Процесс каталитического крекинга для производства бензина и другого ценного сырья из тяжелых фракций нефти использует цеолитные катализаторы.