Страница 22 - гдз по химии 9 класс учебник Габриелян, Остроумов

Лабораторный опыт 11

В два химических стакана налейте по 15 мл соляной кислоты. В первый стакан поместите кусочек мрамора величиной с горошину, во второй — такой же кусочек, предварительно измельчённый в ступке. Что наблюдаете?

Дано:

Стакан 1: $V_{HCl} = 15$ мл, 1 кусочек мрамора ($CaCO_3$).

Стакан 2: $V_{HCl} = 15$ мл, 1 измельченный кусочек мрамора ($CaCO_3$) такой же массы, как в стакане 1.

Найти:

Что наблюдается в каждом стакане и почему есть различия.

Решение:

В обоих стаканах происходит химическая реакция взаимодействия мрамора, который в основном состоит из карбоната кальция ($CaCO_3$), с соляной кислотой ($HCl$). Эта реакция описывается следующим химическим уравнением:

$$CaCO_3(тв) + 2HCl(р-р) \rightarrow CaCl_2(р-р) + H_2O(ж) + CO_2(г)\uparrow$$

Продуктами реакции являются растворимая в воде соль хлорид кальция ($CaCl_2$), вода ($H_2O$) и углекислый газ ($CO_2$), выделение которого мы наблюдаем в виде пузырьков (шипения или "вскипания").

Наблюдаемые различия в скорости реакции в двух стаканах объясняются одним из ключевых факторов, влияющих на скорость химических реакций, — площадью поверхности соприкосновения реагентов.

• В первом стакане, где находится целый кусок мрамора, реакция может протекать только на его внешней поверхности. Поэтому мы наблюдаем сравнительно медленное и равномерное выделение пузырьков газа с поверхности куска. Мрамор будет растворяться постепенно.

• Во втором стакане находится измельченный мрамор. При измельчении того же куска его общая площадь поверхности многократно увеличивается. Благодаря этому гораздо большее количество частиц карбоната кальция может одновременно контактировать с соляной кислотой. В результате реакция протекает значительно интенсивнее и быстрее, что проявляется в бурном выделении газа по всему объему. Порошок мрамора растворится намного быстрее, чем целый кусок.

Таким образом, данный опыт демонстрирует прямую зависимость скорости гетерогенной реакции (реакции между веществами в разных агрегатных состояниях) от площади поверхности твердого реагента.

Ответ: В обоих стаканах будет наблюдаться выделение пузырьков газа и постепенное растворение мрамора. Однако во втором стакане, с измельченным мрамором, реакция будет протекать значительно более бурно и завершится быстрее, чем в первом стакане. Причина в том, что у измельченного мрамора гораздо больше площадь поверхности контакта с кислотой, что приводит к увеличению скорости химической реакции.

В 1811 г. русский химик Константин Сигизмундович Кирхгоф изучал возможность получения сахаров из крахмала под действием воды. В природе этот процесс происходит в растительных клетках при созревании плодов и прорастании семян. В лабораторных условиях реакция протекала медленно, при длительном кипячении крахмального клейстера. Однажды Кирхгоф добавил в реакционную смесь несколько капель раствора серной кислоты и обнаружил, что реакция завершилась за несколько минут. При этом по окончании реакции количество серной кислоты в растворе не изменилось. Какое открытие совершил учёный? Как бы вы охарактеризовали роль серной кислоты в этой реакции? Предложите своё название наблюдаемому явлению.

Какое открытие совершил учёный?

В 1811 году русский химик Константин Сигизмундович Кирхгоф совершил фундаментальное открытие в области химии. Он установил, что некоторые вещества способны многократно ускорять химические реакции, при этом сами в ходе реакции не расходуются. В его эксперименте таким веществом выступила серная кислота, которая ускорила реакцию гидролиза крахмала — его расщепление водой с образованием сахара (глюкозы).

Эта реакция является ключевой в переработке полисахаридов:

$(C_6H_{10}O_5)_n \text{ (крахмал)} + nH_2O \xrightarrow{H_2SO_4, t} nC_6H_{12}O_6 \text{ (глюкоза)}$

Без кислоты реакция шла крайне медленно даже при кипячении, а с кислотой завершилась за несколько минут. Таким образом, Кирхгоф открыл явление, которое позже получило название катализ, и стал одним из его первооткрывателей.

Ответ: Учёный открыл явление катализа — ускорение химической реакции веществом (катализатором), которое не расходуется в процессе реакции.

Как бы вы охарактеризовали роль серной кислоты в этой реакции?

Роль серной кислоты в этой реакции — это роль катализатора. Катализатор — это вещество, которое увеличивает скорость химической реакции, но по её окончании остаётся в неизменном количестве и химическом составе. Серная кислота в данном случае является кислотным катализатором. Она участвует в реакции, создавая ионы водорода $H^+$, которые облегчают разрыв связей в молекулах крахмала, тем самым предоставляя альтернативный, энергетически более выгодный путь для реакции (снижая её энергию активации). Пройдя через ряд промежуточных стадий, катализатор регенерируется в своём первоначальном виде. Именно поэтому Кирхгоф и обнаружил, что количество серной кислоты в растворе не изменилось.

Ответ: Серная кислота в данной реакции выполняет роль катализатора.

Предложите своё название наблюдаемому явлению.

Наблюдаемое явление, при котором вещество ускоряет реакцию, не являясь её конечным продуктом, в современной науке называется катализ (от др.-греч. κατάλυσις — «разрушение»). Этот термин был введён в науку шведским химиком Йёнсом Якобом Берцелиусом в 1835 году, уже после открытия Кирхгофа.

Если бы нужно было предложить своё название, исходя из наблюдений, описанных в тексте, можно было бы использовать такие описательные термины, как:

• Реакционное ускорение — так как суть явления в значительном увеличении скорости процесса.
• Химическое содействие — так как кислота «содействует» или «помогает» реакции протекать быстрее.
• Контактное действие — название, которое предлагал сам Берцелиус, подчёркивая, что для ускорения реакции достаточно простого контакта реагентов с катализатором.

Ответ: Научно принятое название этого явления — катализ.