Страница 32 - гдз по химии 9 класс учебник Габриелян

2. Используя ресурсы Интернета, подготовьте информационный продукт (по выбору): презентацию по теме урока или сообщение по одному из ключевых слов (словосочетаний) параграфа.

Поскольку в задании не указана конкретная тема урока или ключевые слова, в качестве примера выполнения будет подготовлено сообщение (один из предложенных информационных продуктов) по фундаментальной физической теме, которая часто встречается в школьной программе.

Сообщение по теме «Закон сохранения энергии»

Введение

Энергия – это одна из важнейших физических величин, характеризующая способность системы совершать работу. Она окружает нас повсюду и проявляется в самых разных формах. Без энергии невозможны движение, жизнь, технологический прогресс. В данном сообщении мы рассмотрим основные виды энергии и сформулируем один из самых фундаментальных законов природы – закон сохранения энергии.

Основные виды энергии

Энергию можно классифицировать по различным формам, в которых она проявляется. Рассмотрим наиболее важные из них.

1. Механическая энергия. Это энергия, связанная с движением и положением тела. Она, в свою очередь, делится на два вида:

• Кинетическая энергия – это энергия движения. Любое движущееся тело обладает кинетической энергией. Она зависит от массы тела $m$ и скорости его движения $v$. Рассчитывается по формуле: $E_k = \frac{mv^2}{2}$.

• Потенциальная энергия – это энергия взаимодействия. Она определяется взаимным расположением тел или частей одного тела. Например, тело, поднятое над землей на высоту $h$, обладает потенциальной энергией $E_p = mgh$, где $g$ – ускорение свободного падения. Упруго деформированное тело (например, сжатая пружина) также обладает потенциальной энергией.

2. Внутренняя (тепловая) энергия. Это энергия хаотического движения и взаимодействия частиц (атомов и молекул), из которых состоит тело. Чем выше температура тела, тем больше его внутренняя энергия.

3. Электрическая энергия. Это энергия, связанная с существованием и движением электрических зарядов. Она используется в большинстве современных устройств, от лампочек до компьютеров.

4. Химическая энергия. Это энергия, запасенная в химических связях между атомами в молекулах. Она высвобождается в ходе химических реакций, например, при горении топлива или в процессах метаболизма в живых организмах.

5. Ядерная (атомная) энергия. Это энергия, заключенная в атомных ядрах и высвобождаемая в ходе ядерных реакций (деления или синтеза). Это самый мощный известный источник энергии.

Закон сохранения энергии

Один из самых фундаментальных законов физики гласит: энергия ниоткуда не возникает и никуда не исчезает, она лишь переходит из одной формы в другую или от одного тела к другому. Этот закон справедлив для замкнутой системы, то есть системы, которая не обменивается энергией с окружающей средой.

Полная энергия замкнутой системы остается постоянной. Математически это можно записать как: $E_{полная} = E_1 + E_2 + ... + E_n = \text{const}$.

Превращение энергии на примере

Рассмотрим пример превращения механической энергии. Когда мы подбрасываем мяч вверх, мы сообщаем ему начальную кинетическую энергию. По мере подъема скорость мяча уменьшается, а высота увеличивается. Это означает, что его кинетическая энергия превращается в потенциальную. В верхней точке траектории, где мяч на мгновение замирает, вся его кинетическая энергия перешла в потенциальную. Затем, при падении, происходит обратный процесс: потенциальная энергия уменьшается, а кинетическая растет.

Если пренебречь сопротивлением воздуха, то полная механическая энергия мяча (сумма кинетической и потенциальной) в любой точке траектории будет одинаковой. Это частный случай закона сохранения энергии, известный как закон сохранения полной механической энергии:

$E_{мех} = E_k + E_p = \text{const}$

В реальном мире всегда есть силы трения или сопротивления, из-за которых часть механической энергии переходит во внутреннюю (тепловую) энергию, нагревая мяч и окружающий воздух. Но если учесть и эту превращенную энергию, то общий закон сохранения энергии все равно будет выполняться.

Заключение

Закон сохранения энергии является универсальным. Он действует на всех уровнях: от микромира атомов и частиц до макромира планет и галактик. Понимание этого закона позволяет не только объяснять природные явления, но и создавать технологии, преобразующие энергию для нужд человека, например, на электростанциях, в двигателях и различных бытовых приборах.

Ответ: Подготовлено сообщение по теме «Закон сохранения энергии», которое представляет собой пример выполнения задания по созданию информационного продукта. Сообщение включает в себя определение энергии, классификацию ее видов, формулировку закона сохранения энергии и примеры его применения.

1. Что такое химическая реакция? В чём суть химических процессов?

Что такое химическая реакция?

Химическая реакция — это процесс, в ходе которого одни химические вещества (реагенты) превращаются в другие (продукты). При этом происходит изменение состава и/или строения веществ. Важнейшей характеристикой химической реакции является то, что ядра атомов остаются неизменными; происходит лишь перегруппировка атомов и перераспределение электронов, что приводит к разрыву старых химических связей в реагентах и образованию новых связей в продуктах.

Химические реакции часто сопровождаются внешними признаками, по которым можно судить об их протекании. К таким признакам относятся: выделение или поглощение теплоты (экзотермические и эндотермические реакции), изменение цвета, образование осадка, выделение газа или появление запаха.

Реакции описываются с помощью химических уравнений, которые символически представляют превращение. Например, реакция горения водорода в кислороде с образованием воды записывается как: $2H_2 + O_2 \rightarrow 2H_2O$.

Ответ: Химическая реакция — это процесс превращения исходных веществ (реагентов) в новые вещества (продукты) в результате разрыва и образования химических связей, при котором состав ядер атомов не изменяется.

В чём суть химических процессов?

Суть химических процессов, то есть химических реакций, заключается в фундаментальной перестройке электронной структуры взаимодействующих частиц (атомов, молекул, ионов). Это ключевое отличие химических процессов от физических, при которых состав веществ не меняется (например, плавление льда или кипение воды).

В основе этого превращения лежит разрыв существующих химических связей и образование новых. Химическая связь — это, по сути, результат взаимодействия электронов и ядер атомов. Таким образом, в ходе реакции происходит перераспределение электронной плотности между атомами. Этот процесс можно условно разделить на два этапа: разрыв связей в молекулах реагентов, что всегда требует затрат энергии, и образование новых связей в молекулах продуктов, что всегда сопровождается выделением энергии.

Общий энергетический эффект реакции (выделяется или поглощается тепло) зависит от соотношения энергии, затраченной на разрыв старых связей, и энергии, выделившейся при образовании новых. Таким образом, суть любого химического процесса — это превращение одних веществ в другие через изменение способа соединения атомов, что является следствием перестройки их электронных оболочек.

Ответ: Суть химических процессов заключается в разрыве старых и образовании новых химических связей между атомами, что приводит к превращению одних веществ в другие. Этот процесс является следствием перестройки электронных оболочек атомов, в то время как ядра атомов остаются неизменными.

2. Дайте полную классификационную характеристику следующих химических процессов:

а) горению фосфора;

б) взаимодействию раствора серной кислоты с алюминием;

в) реакции нейтрализации;

г) образованию оксида азота (IV) из оксида азота (II) и кислорода.

а) горению фосфора;

Решение

Запишем уравнение реакции горения фосфора в кислороде с образованием оксида фосфора(V):
$4P_{(тв)} + 5O_{2(г)} \rightarrow 2P_2O_{5(тв)} + Q$
Полная классификационная характеристика данной реакции:
- по числу и составу исходных веществ и продуктов:реакция соединения (из двух простых веществ образуется одно сложное);
- по изменению степеней окисления:окислительно-восстановительная, так как фосфор ($P^0 \rightarrow P^{+5}$) и кислород ($O_2^0 \rightarrow O^{-2}$) изменяют свои степени окисления;
- по тепловому эффекту:экзотермическая, так как все реакции горения протекают с выделением теплоты;
- по направлению:необратимая, так как протекает практически до конца в одном направлении;
- по фазовому состоянию реагентов:гетерогенная, так как фосфор – твердое вещество, а кислород – газ;
- по наличию катализатора:некаталитическая, так как для ее протекания не требуется катализатор.
Ответ: Реакция соединения, окислительно-восстановительная, экзотермическая, необратимая, гетерогенная, некаталитическая.

б) взаимодействию раствора серной кислоты с алюминием;

Решение

Запишем уравнение реакции взаимодействия алюминия с разбавленной серной кислотой:
$2Al_{(тв)} + 3H_2SO_{4(р-р)} \rightarrow Al_2(SO_4)_{3(р-р)} + 3H_{2(г)} \uparrow + Q$
Полная классификационная характеристика данной реакции:
- по числу и составу исходных веществ и продуктов:реакция замещения (атомы простого вещества алюминия замещают атомы водорода в сложном веществе кислоте);
- по изменению степеней окисления:окислительно-восстановительная, так как алюминий ($Al^0 \rightarrow Al^{+3}$) и водород ($H^{+1} \rightarrow H_2^0$) изменяют свои степени окисления;
- по тепловому эффекту:экзотермическая, так как реакции активных металлов с кислотами протекают с выделением теплоты;
- по направлению:необратимая, так как выделяется газ (водород), который покидает сферу реакции;
- по фазовому состоянию реагентов:гетерогенная, так как алюминий – твердое вещество, а серная кислота находится в водном растворе;
- по наличию катализатора:некаталитическая, так как катализатор не требуется.
Ответ: Реакция замещения, окислительно-восстановительная, экзотермическая, необратимая, гетерогенная, некаталитическая.

в) реакции нейтрализации;

Решение

Реакция нейтрализации – это взаимодействие кислоты и основания с образованием соли и воды. В качестве примера рассмотрим реакцию соляной кислоты и гидроксида натрия:
$HCl_{(р-р)} + NaOH_{(р-р)} \rightarrow NaCl_{(р-р)} + H_2O_{(ж)} + Q$
Полная классификационная характеристика данной реакции:
- по числу и составу исходных веществ и продуктов:реакция обмена (кислота и основание обмениваются своими составными частями – ионами);
- по изменению степеней окисления:неокислительно-восстановительная, так как ни один из элементов не изменяет свою степень окисления;
- по тепловому эффекту:экзотермическая, так как реакции нейтрализации всегда протекают с выделением теплоты;
- по направлению:необратимая, так как образуется малодиссоциирующее вещество – вода;
- по фазовому состоянию реагентов: как правило, гомогенная, так как обычно протекает в растворе;
- по наличию катализатора:некаталитическая, так как катализатор не требуется.
Ответ: Реакция обмена, неокислительно-восстановительная, экзотермическая, необратимая, гомогенная (как правило), некаталитическая.

г) образованию оксида азота (IV) из оксида азота (II) и кислорода.

Решение

Запишем уравнение реакции образования оксида азота(IV) из оксида азота(II) и кислорода:
$2NO_{(г)} + O_{2(г)} \leftrightarrows 2NO_{2(г)} + Q$
Полная классификационная характеристика данной реакции:
- по числу и составу исходных веществ и продуктов:реакция соединения (из двух веществ образуется одно);
- по изменению степеней окисления:окислительно-восстановительная, так как азот ($N^{+2} \rightarrow N^{+4}$) и кислород ($O_2^0 \rightarrow O^{-2}$) изменяют свои степени окисления;
- по тепловому эффекту:экзотермическая (прямая реакция);
- по направлению:обратимая, так как протекает одновременно в прямом и обратном направлениях;
- по фазовому состоянию реагентов:гомогенная, так как все вещества находятся в газообразной фазе;
- по наличию катализатора:некаталитическая, так как катализатор не требуется.
Ответ: Реакция соединения, окислительно-восстановительная, экзотермическая, обратимая, гомогенная, некаталитическая.

3. На основе личного опыта приведите примеры химических реакций, протекающих с различной скоростью.

Химические реакции в окружающем нас мире и быту протекают с совершенно разной скоростью. Некоторые происходят почти мгновенно, в то время как другие могут длиться часами, днями и даже столетиями. Скорость реакции зависит от множества факторов: природы реагирующих веществ, их концентрации, температуры, наличия катализатора и площади соприкосновения.

Практически мгновенные (очень быстрые) реакции

Это реакции, которые происходят за доли секунды, как только реагенты вступают в контакт.

1. Гашение соды уксусом. Если к пищевой соде ($NaHCO_3$) добавить уксус (раствор уксусной кислоты $CH_3COOH$), немедленно начнется бурная реакция с выделением углекислого газа ($CO_2$), что мы наблюдаем как шипение и образование пены. Эта реакция часто используется в кулинарии для разрыхления теста.
   Уравнение реакции: $NaHCO_3 + CH_3COOH \rightarrow CH_3COONa + H_2O + CO_2 \uparrow$

2. Горение природного газа. При поджигании конфорки газовой плиты реакция горения метана ($CH_4$) в кислороде ($O_2$) воздуха начинается мгновенно. Она сопровождается выделением большого количества тепла и света, которые мы используем для приготовления пищи.
   Уравнение реакции: $CH_4 + 2O_2 \rightarrow CO_2 + 2H_2O$

Быстрые реакции

Эти реакции протекают за время от нескольких секунд до нескольких минут или часов, и мы можем наблюдать их течение.

1. Растворение шипучей таблетки. Когда мы опускаем таблетку аспирина или витамина C в воду, она быстро растворяется с шипением. Это результат реакции, как правило, между лимонной кислотой и гидрокарбонатом натрия, которая начинается при контакте с водой.

2. Горение свечи. Горение парафиновой свечи — это быстрая, но не мгновенная реакция. Мы видим, как пламя постепенно "поедает" воск, и свеча сгорает за несколько часов.

Медленные реакции

Такие реакции могут длиться от нескольких дней до нескольких лет.

1. Ржавление железа. Железный гвоздь или забор, оставленный под открытым небом, со временем покрывается ржавчиной. Это результат медленной электрохимической реакции окисления железа ($Fe$) кислородом воздуха в присутствии воды. Процесс может занимать недели, месяцы и годы.
   Упрощенное уравнение реакции: $4Fe + 3O_2 + 6H_2O \rightarrow 4Fe(OH)_3$

2. Брожение. Процессы скисания молока, квашения капусты или приготовления домашнего вина — это биохимические реакции, протекающие под действием ферментов микроорганизмов. Они занимают от нескольких дней до нескольких недель. Например, при спиртовом брожении дрожжи превращают сахар (глюкозу $C_6H_{12}O_6$) в спирт ($C_2H_5OH$) и углекислый газ.
   Уравнение реакции: $C_6H_{12}O_6 \xrightarrow{\text{дрожжи}} 2C_2H_5OH + 2CO_2$

Очень медленные реакции

Эти процессы протекают на протяжении десятилетий, столетий и даже миллионов лет. Мы не можем наблюдать их в реальном времени, но видим их конечные результаты.

1. Образование патины на меди и бронзе. Бронзовые памятники или старые медные крыши со временем покрываются характерным зеленоватым налетом — патиной. Это результат очень медленного взаимодействия меди с кислородом, углекислым газом и влагой из атмосферы, которое длится многие годы.

2. Процессы в геологии. Образование угля, нефти и природного газа из органических остатков под действием высокого давления и температуры в недрах Земли — это химические превращения, которые длятся миллионы лет. Также очень медленно происходит образование сталактитов и сталагмитов в пещерах в результате реакции между водой, растворенным углекислым газом и карбонатом кальция.

Ответ:

Примеры химических реакций из личного опыта, протекающих с различной скоростью:

• Очень быстрые: реакция соды с уксусом, горение газа в плите.
• Быстрые: растворение шипучей таблетки в воде, горение свечи.
• Медленные: ржавление железных предметов, скисание молока или брожение сока.
• Очень медленные: позеленение (образование патины) на медных и бронзовых изделиях.

4. Что такое скорость химической реакции? От каких факторов она зависит?

Что такое скорость химической реакции?

Скорость химической реакции — это физико-химическая величина, которая характеризует интенсивность протекания химического процесса во времени. Она определяется как изменение концентрации одного из реагирующих веществ (реагента или продукта) за единицу времени.

Для корректного определения скорости важно различать гомогенные и гетерогенные реакции.

• В гомогенных реакциях, протекающих в одной фазе (например, в газовой смеси или в растворе), скорость определяется как изменение молярной концентрации ($C$) вещества в единицу времени ($\Delta t$) в единице объема системы. Средняя скорость реакции рассчитывается по формуле:

  $v_{гом} = \pm \frac{\Delta C}{\Delta t} = \pm \frac{C_2 - C_1}{t_2 - t_1}$

  где $C_1$ и $C_2$ — молярные концентрации вещества в моменты времени $t_1$ и $t_2$ соответственно. Знак «минус» используется при расчете по убыли концентрации исходного вещества (реагента), а «плюс» — по нарастанию концентрации продукта реакции. Это необходимо для того, чтобы значение скорости всегда было положительным. Единица измерения скорости — моль/(л·с).

• В гетерогенных реакциях, которые протекают на границе раздела фаз (например, твердое тело – газ, жидкость – твердое тело), реакция происходит только на поверхности. Поэтому скорость такой реакции определяют как изменение количества вещества ($\Delta n$) в единицу времени ($\Delta t$) на единице площади поверхности контакта ($S$).

  $v_{гет} = \pm \frac{\Delta n}{S \cdot \Delta t}$

  Единица измерения — моль/(м²·с).

Ответ: Скорость химической реакции — это изменение концентрации одного из реагентов или продуктов в единицу времени. Для реакций в однородной среде (гомогенных) она выражается как изменение молярной концентрации в единицу времени, а для реакций на границе раздела фаз (гетерогенных) — как изменение количества вещества в единицу времени на единице площади поверхности.

От каких факторов она зависит?

Скорость химической реакции является величиной, зависящей от условий ее проведения. Основные факторы, влияющие на скорость реакции, следующие:

1. Природа реагирующих веществ. Химическая активность веществ определяется строением их атомов и молекул, типом и прочностью химических связей. Например, реакция натрия с водой протекает со взрывом, в то время как магний реагирует с водой очень медленно при комнатной температуре. Это связано с различной активностью этих металлов.

2. Концентрация реагентов. Согласно закону действующих масс, скорость химической реакции прямо пропорциональна произведению концентраций реагирующих веществ. Для элементарной реакции $aA + bB \rightarrow \text{Продукты}$ это выражается уравнением $v = k \cdot [A]^a \cdot [B]^b$. Повышение концентрации реагентов приводит к увеличению числа частиц в единице объема, что увеличивает вероятность и частоту их эффективных столкновений.

3. Температура. Повышение температуры практически всегда приводит к увеличению скорости реакции. Это объясняется увеличением кинетической энергии молекул, что приводит к более частым и более сильным столкновениям. Важнее всего то, что растет доля молекул, обладающих энергией, достаточной для преодоления активационного барьера. Эмпирическое правило Вант-Гоффа гласит, что повышение температуры на каждые 10°C увеличивает скорость большинства реакций в 2–4 раза. Математически это можно выразить как: $v_{T_2} = v_{T_1} \cdot \gamma^{\frac{T_2 - T_1}{10}}$, где $\gamma$ — температурный коэффициент.

4. Давление (для реакций с участием газов). Увеличение давления в системе, содержащей газообразные реагенты, равносильно увеличению их концентрации. Молекулы газа сближаются, частота их столкновений растет, что и приводит к увеличению скорости реакции.

5. Площадь поверхности соприкосновения реагентов. Этот фактор важен для гетерогенных реакций. Чем больше площадь поверхности контакта между реагентами (например, между твердым веществом и жидкостью), тем больше скорость реакции. Поэтому измельчение твердого реагента (например, использование порошка вместо цельного куска) значительно ускоряет реакцию.

6. Наличие катализатора или ингибитора.Катализаторы — вещества, которые ускоряют реакцию, предоставляя альтернативный механизм с более низкой энергией активации, при этом сами в реакции не расходуются. Ингибиторы — вещества, которые, наоборот, замедляют химическую реакцию.

Ответ: Скорость химической реакции зависит от природы реагирующих веществ, их концентрации (и давления для газов), температуры, площади поверхности контакта (в гетерогенных системах) и наличия катализаторов или ингибиторов.

5. Приведите примеры влияния различных факторов на биохимические и производственные химические процессы.

Различные факторы оказывают существенное влияние как на биохимические процессы, протекающие в живых организмах, так и на химические процессы, используемые в промышленности. Ключевыми факторами являются температура, давление, концентрация веществ, наличие катализаторов (включая ферменты), pH среды, площадь поверхности реагентов и свет.

Биохимические реакции, протекающие в клетках живых организмов, чрезвычайно чувствительны к условиям среды, поскольку они катализируются специфическими белками — ферментами.

• Температура: Для каждого фермента существует оптимальная температура, при которой его активность максимальна. У большинства ферментов человека это около $37^\circ C$. Небольшое повышение температуры (например, при лихорадке) может ускорить метаболические реакции, помогая бороться с инфекцией. Однако чрезмерно высокая температура (выше $41^\circ C$) вызывает денатурацию (необратимое разрушение структуры) ферментов, что приводит к их инактивации и нарушению жизнедеятельности. Снижение температуры, наоборот, замедляет ферментативные процессы, что используется, например, при хранении продуктов в холодильнике для предотвращения их порчи.
• pH (кислотность среды): Ферменты также проявляют максимальную активность только в узком диапазоне pH. Например, фермент пепсин, расщепляющий белки в желудке, наиболее активен в сильнокислой среде (pH 1,5–2,5). В то же время фермент трипсин, работающий в тонком кишечнике, требует щелочной среды (pH около 8). Значительное отклонение pH от оптимального значения вызывает изменение структуры фермента и потерю его каталитической активности.
• Концентрация веществ: Скорость биохимической реакции зависит от концентрации как исходных веществ (субстратов), так и продуктов. Увеличение концентрации субстрата повышает скорость реакции до момента насыщения фермента. Концентрация продуктов также может влиять на скорость по принципу обратной связи: накопление продукта часто ингибирует (замедляет) фермент, катализирующий его образование, что позволяет организму регулировать метаболические пути.
• Свет: Световая энергия является пусковым фактором для важнейших биохимических процессов.
  • Фотосинтез: Растения, водоросли и некоторые бактерии используют энергию света для синтеза органических веществ из углекислого газа и воды. Реакция: $6CO_2 + 6H_2O \xrightarrow{свет, хлорофилл} C_6H_{12}O_6 + 6O_2$.
  • Зрение: В сетчатке глаза квант света вызывает структурное изменение молекулы ретиналя в составе зрительного пигмента родопсина, что запускает каскад реакций, приводящий к возникновению нервного импульса.

Ответ: На биохимические процессы влияют: температура (существует оптимум, высокие значения вызывают денатурацию ферментов), pH (каждый фермент активен в своем узком диапазоне кислотности), концентрация субстратов и продуктов (регуляция скорости реакций), а также свет (ключевой фактор для фотосинтеза и зрения).

В химической промышленности управление параметрами реакции позволяет целенаправленно изменять ее скорость и направление для достижения максимального выхода целевого продукта при минимальных затратах.

• Температура: Выбор температурного режима часто является компромиссом между скоростью реакции и положением химического равновесия. Например, в производстве аммиака (процесс Габера-Боша) реакция синтеза является экзотермической: $N_2(г) + 3H_2(г) \rightleftharpoons 2NH_3(г) + Q$. Согласно принципу Ле Шателье, для смещения равновесия вправо (в сторону продукта) выгодны низкие температуры. Однако при низкой температуре скорость реакции крайне мала. Поэтому процесс ведут при повышенной температуре ($400–450^\circ C$), которая обеспечивает приемлемую скорость при всё ещё достаточно высоком равновесном выходе продукта.
• Давление: Давление является важным фактором для реакций, в которых участвуют газообразные вещества и изменяется их количество. В том же процессе синтеза аммиака реакция идет с уменьшением числа моль газов (из 4 моль реагентов образуется 2 моль продукта). Повышение давления смещает равновесие в сторону образования аммиака, поэтому процесс проводят при очень высоком давлении ($150–350$ атмосфер и выше).
• Катализаторы: Катализаторы — вещества, которые ускоряют химические реакции, но сами при этом не расходуются. Их применение позволяет проводить процессы с высокой скоростью при более низких температурах и давлениях, что значительно снижает энергозатраты и стоимость производства.
  • В синтезе аммиака используется губчатое железо с примесями оксидов алюминия и калия.
  • В производстве серной кислоты для окисления диоксида серы в триоксид серы ($2SO_2 + O_2 \rightleftharpoons 2SO_3$) применяют катализатор на основе оксида ванадия(V) ($V_2O_5$).
• Площадь поверхности соприкосновения реагентов: Для гетерогенных реакций (между веществами в разных агрегатных состояниях) скорость напрямую зависит от площади их контакта. Поэтому в промышленности часто используют измельчение твердых реагентов или применение катализаторов в виде пористых гранул. Например, сжигание угля в виде пыли происходит гораздо быстрее и эффективнее, чем сжигание крупных кусков.

Ответ: На производственные химические процессы влияют: температура и давление (их выбор определяется компромиссом между скоростью реакции и положением равновесия согласно принципу Ле Шателье), использование катализаторов (для увеличения скорости и снижения энергозатрат) и увеличение площади поверхности реагентов (для ускорения гетерогенных реакций).

6. На основе личного опыта приведите примеры влияния различных факторов на химические реакции, протекающие в повседневной жизни.

Влияние температуры

Одним из самых наглядных примеров влияния температуры на скорость химической реакции является приготовление пищи. При варке или жарке продуктов мы повышаем температуру, что значительно ускоряет химические процессы, такие как денатурация белков (например, в яйце) или реакция Майяра, которая придает жареному мясу или выпечке характерный цвет и аромат. В то же время, чтобы замедлить реакции порчи продуктов (гниение, брожение), мы помещаем их в холодильник. Низкая температура замедляет жизнедеятельность микроорганизмов и активность их ферментов, что позволяет дольше сохранять свежесть еды.

Ответ: Приготовление пищи (ускорение реакций при нагревании) и хранение продуктов в холодильнике (замедление реакций при охлаждении).

Влияние концентрации реагентов

При использовании чистящих средств мы часто сталкиваемся с влиянием концентрации. Например, для удаления стойкого известкового налета более эффективным будет применение концентрированного раствора уксусной или лимонной кислоты, нежели разбавленного. Чем выше концентрация кислоты (реагента), тем больше ее молекул в единицу времени сталкивается с частицами налета (карбонатом кальция), и тем быстрее протекает реакция нейтрализации: $CaCO_3 + 2CH_3COOH \rightarrow (CH_3COO)_2Ca + H_2O + CO_2\uparrow$. Аналогично, горение в атмосфере с повышенным содержанием кислорода происходит значительно интенсивнее, чем в обычном воздухе.

Ответ: Использование концентрированных чистящих средств для более быстрой и эффективной уборки.

Влияние площади поверхности соприкосновения реагентов

Этот фактор легко пронаблюдать при растворении сахара в чае. Кусочек рафинада будет растворяться значительно дольше, чем такое же количество сахарного песка. Это происходит потому, что у сахарного песка, состоящего из множества мелких кристалликов, общая площадь поверхности, контактирующей с водой, гораздо больше. Больше поверхность — больше молекул сахара одновременно переходит в раствор, и процесс ускоряется. То же самое касается разжигания костра: мелкие щепки и лучина (с большой общей поверхностью) загораются быстро, в то время как целое полено разжечь трудно.

Ответ: Сахарный песок растворяется в воде быстрее, чем кусковой сахар (рафинад) той же массы.

Влияние катализатора

Катализаторы — вещества, ускоряющие реакцию, но не расходующиеся в ней. В быту мы постоянно имеем дело с биологическими катализаторами — ферментами. Например, при выпечке хлеба используются дрожжи. Дрожжи содержат ферменты, которые катализируют процесс брожения сахаров с образованием углекислого газа. Пузырьки этого газа и делают тесто пышным и пористым. Без ферментов дрожжей этот процесс шел бы несоизмеримо медленнее или не шел бы вовсе при комнатной температуре. Другой пример — каталитический нейтрализатор в автомобиле, который с помощью катализаторов (платина, родий) ускоряет превращение токсичных выхлопных газов в менее вредные вещества.

Ответ: Использование дрожжей (содержащих ферменты-катализаторы) для поднятия теста при выпечке.

Влияние света

Свет (особенно его ультрафиолетовая часть) может инициировать или ускорять химические реакции. Классический пример — выцветание окрашенных тканей или напечатанных изображений на солнце. Энергия фотонов света разрушает молекулы красителей, из-за чего они теряют свой цвет. По этой же причине многие лекарства и, например, пероксид водорода ($H_2O_2$) хранят в темных склянках. Свет катализирует реакцию разложения пероксида водорода на воду и кислород: $2H_2O_2 \xrightarrow{h\nu} 2H_2O + O_2\uparrow$.

Ответ: Выцветание одежды или фотографий под действием солнечного света.

7. Почему продукты питания хранят в холодильнике?

Продукты питания хранят в холодильнике для того, чтобы замедлить процессы, приводящие к их порче. Основными причинами порчи являются жизнедеятельность микроорганизмов (таких как бактерии, дрожжи и плесень) и естественные биохимические реакции, происходящие в самих продуктах под действием ферментов.

Скорость как размножения микроорганизмов, так и химических реакций, напрямую зависит от температуры окружающей среды. При понижении температуры эти процессы значительно замедляются. Низкая температура внутри холодильника (обычно в диапазоне от 0 °C до +5 °C) создает неблагоприятные условия для роста и размножения большинства микроорганизмов, а также замедляет активность ферментов. Это позволяет на более длительный срок сохранить свежесть, вкус, текстуру, питательные свойства и безопасность пищевых продуктов.

Ответ: Продукты хранят в холодильнике, потому что низкая температура замедляет размножение микроорганизмов и скорость химических реакций, которые вызывают порчу продуктов, тем самым продлевая срок их годности и сохраняя их безопасность.

8. Химическую реакцию начали проводить при температуре 100 °С, затем подняли до 150 °С. Температурный коэффициент этой реакции равен 2. Во сколько раз возрастёт скорость химической реакции?

Дано:

Начальная температура, $T_1 = 100$ °C
Конечная температура, $T_2 = 150$ °C
Температурный коэффициент, $\gamma = 2$

В системе СИ температура измеряется в Кельвинах (К). Перевод осуществляется по формуле $T(\text{К}) = t(°\text{C}) + 273.15$.
$T_1 = 100 + 273.15 = 373.15$ К
$T_2 = 150 + 273.15 = 423.15$ К

Найти:

Во сколько раз возрастет скорость реакции, то есть найти отношение $\frac{v_2}{v_1}$.

Решение:

Для определения зависимости скорости химической реакции от температуры используется эмпирическое правило Вант-Гоффа. Оно гласит, что при повышении температуры на каждые 10 градусов Цельсия скорость большинства гомогенных реакций увеличивается в 2-4 раза. Математически это правило выражается следующей формулой:

$$ \frac{v_2}{v_1} = \gamma^{\frac{T_2 - T_1}{10}} $$

где $v_1$ и $v_2$ — скорости реакции при начальной ($T_1$) и конечной ($T_2$) температурах соответственно, а $\gamma$ — температурный коэффициент реакции. Важно отметить, что в данной формуле температуры $T_1$ и $T_2$ подставляются в градусах Цельсия.

Подставим в формулу известные из условия значения.

Сначала найдем разность температур: $$ \Delta T = T_2 - T_1 = 150 \text{ °C} - 100 \text{ °C} = 50 \text{ °C} $$

Теперь вычислим показатель степени в формуле: $$ \frac{\Delta T}{10} = \frac{50}{10} = 5 $$

Подставим полученное значение и температурный коэффициент в основную формулу для нахождения отношения скоростей: $$ \frac{v_2}{v_1} = 2^5 $$

Рассчитаем итоговое значение: $$ 2^5 = 2 \cdot 2 \cdot 2 \cdot 2 \cdot 2 = 32 $$

Таким образом, при повышении температуры со 100 °C до 150 °C скорость реакции возрастёт в 32 раза.

Ответ: скорость химической реакции возрастёт в 32 раза.