Страница 27 - гдз по химии 9 класс проверочные и контрольные работы Габриелян, Лысова

8. На скорость реакции между магнием и раствором медного купороса не влияют

1) изменение концентрации соли

2) изменение температуры

3) изменение объёма реакционного сосуда

4) изменение площади поверхности соприкосновения реагентов

5) изменение давления

Рассмотрим химическую реакцию между магнием и раствором медного купороса (сульфата меди(II)). Уравнение реакции:

$Mg_{(тв)} + CuSO_{4(р-р)} \rightarrow MgSO_{4(р-р)} + Cu_{(тв)}$

Эта реакция является гетерогенной, так как реагенты находятся в разных фазах (твердое вещество и раствор). Скорость химической реакции зависит от нескольких факторов: природы реагентов, их концентрации, температуры, площади поверхности соприкосновения (для гетерогенных реакций), наличия катализатора и давления (для реакций с участием газов). Проанализируем каждый из предложенных вариантов на предмет его влияния на скорость данной реакции.

1) изменение концентрации соли

Медный купорос ($CuSO_4$) является реагентом. Скорость реакции зависит от частоты столкновений частиц реагентов — в данном случае, атомов магния на поверхности металла и ионов меди ($Cu^{2+}$) в растворе. При увеличении концентрации раствора сульфата меди увеличивается число ионов $Cu^{2+}$ в единице объема, что приводит к увеличению числа столкновений с поверхностью магния в единицу времени. Следовательно, скорость реакции возрастает. Таким образом, изменение концентрации соли влияет на скорость реакции.

2) изменение температуры

Согласно правилу Вант-Гоффа и уравнению Аррениуса, повышение температуры увеличивает среднюю кинетическую энергию частиц. Это приводит к двум эффектам: частицы сталкиваются чаще и, что более важно, значительно возрастает доля частиц, обладающих достаточной энергией для преодоления активационного барьера (доля эффективных столкновений). Поэтому с ростом температуры скорость реакции, как правило, значительно увеличивается. Таким образом, изменение температуры влияет на скорость реакции.

3) изменение объёма реакционного сосуда

Объем сосуда, в котором проводится реакция, сам по себе не является кинетическим фактором. Если в сосуд большего или меньшего объема поместить одинаковое количество реагентов (тот же объем раствора $CuSO_4$ с той же концентрацией и тот же кусок магния), скорость реакции не изменится. Этот параметр мог бы иметь значение, если бы изменение объема сосуда приводило к изменению концентрации (например, при реакциях между газами), но для реакции в растворе объем самого сосуда не важен. Таким образом, изменение объёма реакционного сосуда не влияет на скорость реакции.

4) изменение площади поверхности соприкосновения реагентов

Данная реакция является гетерогенной и протекает на границе раздела фаз. Скорость такой реакции прямо пропорциональна площади поверхности контакта между реагентами. Чем больше площадь поверхности магния, тем больше атомов магния доступно для реакции с ионами меди в любой момент времени. Например, магниевый порошок будет реагировать гораздо быстрее, чем магниевая лента той же массы. Таким образом, изменение площади поверхности соприкосновения реагентов влияет на скорость реакции.

5) изменение давления

Давление является существенным фактором, влияющим на скорость реакций, в которых участвуют или образуются газообразные вещества. Изменение давления изменяет концентрацию (или парциальное давление) газов, что, в свою очередь, влияет на частоту столкновений их молекул. В рассматриваемой реакции ($Mg_{(тв)} + CuSO_{4(р-р)} \rightarrow MgSO_{4(р-р)} + Cu_{(тв)}$) нет ни газообразных реагентов, ни газообразных продуктов. Реагенты и продукты находятся в конденсированных фазах (твердой и жидкой), сжимаемость которых очень мала. Поэтому изменение внешнего давления практически не сказывается на их концентрации и, соответственно, на скорости реакции. Таким образом, изменение давления не влияет на скорость реакции.

Исходя из анализа, на скорость реакции между магнием и раствором медного купороса не влияют изменение объёма реакционного сосуда и изменение давления. Вопрос сформулирован во множественном числе ("не влияют"), что подтверждает возможность нескольких правильных ответов.

Ответ: 3, 5.

9. Установите соответствие между фактором, влияющим на скорость химической реакции, и уравнением этой реакции.

ФАКТОР

УРАВНЕНИЕ РЕАКЦИИ

А) катализатор

1) $C + O_2 = CO_2$

Б) концентрация кислорода

2) $2SO_2 + O_2 = 2SO_3$

В) площадь соприкосновения реагентов

3) $2Na + 2H_2O = 2NaOH + H_2 \uparrow$

4) $Fe + CuCl_2 = FeCl_2 + Cu$

5) $2H_2O_2 = 2H_2O + O_2 \uparrow$

А) катализатор

Катализатор – это вещество, которое увеличивает скорость химической реакции, но само в ней не расходуется. Необходимо найти реакцию, скорость которой существенно зависит от наличия катализатора. Рассмотрим предложенные уравнения. Реакция окисления оксида серы(IV) в оксид серы(VI) $2SO_2 + O_2 = 2SO_3$ является ключевой стадией в производстве серной кислоты (контактный способ). Эта реакция обратима и протекает с приемлемой скоростью только в присутствии катализатора, как правило, оксида ванадия(V) $V_2O_5$. Реакция разложения пероксида водорода (5) также является каталитической, однако реакция (2) – классический пример промышленного катализа. Поэтому наиболее подходящим примером влияния катализатора является данная реакция.

Ответ: 2

Б) концентрация кислорода

Скорость химической реакции зависит от концентрации реагентов. Фактор "концентрация кислорода" будет влиять на те реакции, где кислород ($O_2$) является исходным веществом. Такими реакциями из списка являются: 1) $C + O_2 = CO_2$ и 2) $2SO_2 + O_2 = 2SO_3$. Поскольку реакция (2) была выбрана как наиболее яркий пример каталитической реакции, для фактора концентрации кислорода остается реакция горения углерода (1). Скорость горения угля напрямую зависит от концентрации кислорода в окружающей среде: в чистом кислороде уголь сгорает гораздо быстрее, чем в воздухе.

Ответ: 1

В) площадь соприкосновения реагентов

Площадь соприкосновения реагентов является важным фактором для гетерогенных реакций, то есть реакций, протекающих на границе раздела фаз (например, твердое вещество – газ или твердое вещество – жидкость). Увеличение площади поверхности твердого реагента (например, путем измельчения) приводит к увеличению скорости реакции. Реакции (1), (3) и (4) являются гетерогенными. Реакция (1) уже соотнесена с фактором концентрации. Из оставшихся реакций (3) и (4), реакция железа с раствором хлорида меди(II) $Fe + CuCl_2 = FeCl_2 + Cu$ является классическим школьным экспериментом для демонстрации влияния площади поверхности на скорость реакции (сравнение скорости реакции железного гвоздя и железных опилок). Реакция натрия с водой (3) также гетерогенна, но она протекает очень бурно и обычно демонстрируется для иллюстрации химических свойств щелочных металлов, а не для изучения кинетики.

Ответ: 4

10. В растворе протекала реакция, уравнение которой $A + B = C$. Определите среднюю скорость этой реакции, если известно, что через 20 с от начала реакции концентрация вещества В составляла 0,05 моль/л, а через 40 с – 0,04 моль/л.

Дано:

Уравнение реакции: A + B = C

Время в начальный момент времени интервала $t_1 = 20$ с

Концентрация вещества B в момент времени $t_1$: $C_1(B) = 0,05$ моль/л

Время в конечный момент времени интервала $t_2 = 40$ с

Концентрация вещества B в момент времени $t_2$: $C_2(B) = 0,04$ моль/л

Перевод в систему СИ:

$t_1 = 20$ с

$t_2 = 40$ с

$C_1(B) = 0,05 \text{ моль/л} = 0,05 \frac{\text{моль}}{10^{-3} \text{м}^3} = 50$ моль/м³

$C_2(B) = 0,04 \text{ моль/л} = 0,04 \frac{\text{моль}}{10^{-3} \text{м}^3} = 40$ моль/м³

Найти:

Среднюю скорость реакции $v_{ср}$

Решение:

Средняя скорость химической реакции определяется как изменение концентрации одного из реагирующих веществ или продуктов реакции за единицу времени. Для реакции вида A + B = C, где стехиометрические коэффициенты равны 1, скорость реакции можно определить по изменению концентрации любого из участников.

Скорость реакции по реагенту B вычисляется по формуле:

$v_{ср} = -\frac{\Delta C(B)}{\Delta t} = -\frac{C_2(B) - C_1(B)}{t_2 - t_1}$

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

Подставим данные из условия задачи в формулу.

Найдем изменение времени $\Delta t$:

$\Delta t = t_2 - t_1 = 40 \text{ с} - 20 \text{ с} = 20$ с

Найдем изменение концентрации вещества B, $\Delta C(B)$:

$\Delta C(B) = C_2(B) - C_1(B) = 0,04 \text{ моль/л} - 0,05 \text{ моль/л} = -0,01$ моль/л

Теперь рассчитаем среднюю скорость реакции:

$v_{ср} = -\frac{-0,01 \text{ моль/л}}{20 \text{ с}} = \frac{0,01}{20} \text{ моль/(л·с)} = 0,0005$ моль/(л·с)

Ответ: средняя скорость реакции составляет $0,0005$ моль/(л·с).

11. В промышленности процесс синтеза аммиака из водорода и азота осуществляют в присутствии железа. Напишите соответствующее уравнение реакции, расставьте коэффициенты с помощью метода электронного баланса. Укажите роль железа в данной химической реакции.

Дано:

Реагенты: азот ($N_2$), водород ($H_2$).

Условия: в присутствии железа (Fe).

Продукт: аммиак ($NH_3$).

Найти:

1. Уравнение реакции с коэффициентами, найденными методом электронного баланса.

2. Роль железа в реакции.

Решение:

1. Уравнение реакции и расстановка коэффициентов методом электронного баланса

Процесс синтеза аммиака из простых веществ, азота и водорода, является окислительно-восстановительной реакцией. Запишем схему реакции и определим степени окисления элементов, которые их изменяют:

$\stackrel{0}{N_2} + \stackrel{0}{H_2} \rightarrow \stackrel{-3}{N}\stackrel{+1}{H_3}$

В ходе реакции изменяются степени окисления следующих элементов:

• Азот (N) меняет степень окисления с 0 до -3.
• Водород (H) меняет степень окисления с 0 до +1.

Составим электронный баланс. Азот принимает электроны, следовательно, он является окислителем, а сам процесс называется восстановлением. Водород отдает электроны, являясь восстановителем, а процесс называется окислением.

$2\stackrel{0}{N} + 6e^- \rightarrow 2\stackrel{-3}{N}$ | 1 |восстановление ($N_2$ — окислитель)
$\stackrel{0}{H_2} - 2e^- \rightarrow 2\stackrel{+1}{H}$ | 3 |окисление ($H_2$ — восстановитель)

Наименьшее общее кратное для чисел отданных и принятых электронов (2 и 6) равно 6. Отсюда находим множители: 1 для процесса восстановления (азота) и 3 для процесса окисления (водорода). Эти множители являются коэффициентами перед соответствующими веществами.

Подставим коэффициенты в схему реакции: перед $N_2$ ставим 1 (коэффициент 1 не пишется), а перед $H_2$ ставим 3.

$N_2 + 3H_2 \rightarrow NH_3$

Теперь уравняем количество атомов в продукте реакции. Слева находятся 2 атома азота и $3 \times 2 = 6$ атомов водорода. Чтобы уравнять количество атомов, перед формулой аммиака ($NH_3$) в правой части уравнения нужно поставить коэффициент 2.

Реакция синтеза аммиака является обратимой и каталитической. Итоговое уравнение реакции (процесс Габера-Боша) выглядит следующим образом:

$N_2 + 3H_2 \rightleftharpoons 2NH_3$

2. Роль железа в данной химической реакции

В промышленном синтезе аммиака железо (Fe) используется в качестве катализатора. Катализатор — это вещество, которое увеличивает скорость химической реакции, но само в ходе реакции не расходуется и не входит в состав конечных продуктов. Роль железа заключается в снижении энергии активации реакции. Оно предоставляет свою поверхность для адсорбции молекул азота и водорода, облегчая разрыв прочных связей в этих молекулах и образование новых связей при формировании аммиака. Это позволяет проводить процесс с приемлемой скоростью при более низких температурах и давлениях, чем это было бы возможно без катализатора.

Ответ:

Уравнение реакции синтеза аммиака, с коэффициентами, расставленными методом электронного баланса: $N_2 + 3H_2 \rightleftharpoons 2NH_3$. В этой реакции азот ($N_2$) является окислителем, а водород ($H_2$) — восстановителем. Роль железа (Fe) в данной реакции — катализатор, который ускоряет химическую реакцию, но не расходуется в процессе.

1. Выберите утверждение, справедливое для скорости химической реакции.

1) Не зависит от природы реагирующих веществ.

2) Не изменяется при уменьшении концентрации реагирующих веществ.

3) Снижается при уменьшении температуры.

4) Возрастает при увеличении реакционного пространства.

1) Не зависит от природы реагирующих веществ.

Это утверждение неверно. Скорость химической реакции существенно зависит от химической природы реагентов. Природа веществ определяет их реакционную способность, прочность разрываемых химических связей и, как следствие, энергию активации реакции. Например, реакция активного металла натрия с водой протекает мгновенно, в то время как менее активное железо реагирует с водой (ржавеет) очень медленно при тех же условиях.

Ответ: Неверно.

2) Не изменяется при уменьшении концентрации реагирующих веществ.

Это утверждение неверно. Согласно закону действующих масс, скорость реакции напрямую зависит от концентрации реагентов. Для реакции вида $aA + bB \rightarrow \text{продукты}$ скорость $v$ описывается уравнением $v = k[A]^a[B]^b$. При уменьшении концентрации уменьшается количество частиц в единице объема, что ведет к снижению частоты их столкновений и, как следствие, к уменьшению скорости реакции. Исключением являются только реакции нулевого порядка, что является частным случаем.

Ответ: Неверно.

3) Снижается при уменьшении температуры.

Это утверждение верно. Зависимость скорости реакции от температуры является фундаментальной. При понижении температуры уменьшается средняя кинетическая энергия молекул. Это приводит к тому, что уменьшается доля активных молекул, обладающих достаточной энергией для преодоления энергетического барьера (энергии активации). В результате число эффективных столкновений, приводящих к образованию продуктов, падает, и скорость реакции снижается. Эта зависимость количественно описывается уравнением Аррениуса, а эмпирически — правилом Вант-Гоффа.

Ответ: Верно.

4) Возрастает при увеличении реакционного пространства.

Это утверждение неверно. Увеличение реакционного пространства (объема) для реакции в газовой фазе или в растворе при неизменном количестве вещества приводит к уменьшению концентрации реагентов. Как было показано в пункте 2, уменьшение концентрации вызывает замедление реакции, а не ее ускорение.

Ответ: Неверно.