Страница 23 - гдз по химии 9 класс учебник Габриелян, Остроумов

Лабораторный опыт 12

В химический стакан налейте 10 мл раствора пероксида водорода. При комнатной температуре разложение этого вещества происходит очень медленно. Добавьте в стакан на кончике шпателя оксид марганца(IV). Что наблюдаете? Исчез ли чёрный порошок оксид марганца(IV) по окончании реакции?

Решение

В данном лабораторном опыте рассматривается реакция разложения пероксида (перекиси) водорода ($H_2O_2$) в присутствии катализатора — оксида марганца(IV) ($MnO_2$).

Пероксид водорода является нестабильным соединением и самопроизвольно разлагается на воду и кислород. При комнатной температуре этот процесс протекает очень медленно. Оксид марганца(IV) значительно ускоряет эту реакцию, выступая в роли катализатора.

Уравнение реакции разложения пероксида водорода:

$2H_2O_2(р-р) \xrightarrow{MnO_2} 2H_2O(ж) + O_2(г)\uparrow$

Здесь $MnO_2$ над стрелкой указывает на его каталитическую роль.

Что наблюдаете?

При добавлении небольшого количества чёрного порошка оксида марганца(IV) к бесцветному раствору пероксида водорода начинается бурная реакция. Наблюдается интенсивное "вскипание" или вспенивание раствора. Это происходит из-за быстрого выделения газообразного кислорода ($O_2$). Реакция является экзотермической, поэтому химический стакан может заметно нагреться.

Ответ: При добавлении оксида марганца(IV) наблюдается бурное выделение газа (вспенивание) и нагревание раствора.

Исчез ли чёрный порошок оксид марганца(IV) по окончании реакции?

Катализаторы — это вещества, которые изменяют скорость химической реакции, но по её окончании остаются неизменными как по химическому составу, так и по массе. Оксид марганца(IV) в данном процессе является именно катализатором. Он участвует в промежуточных стадиях реакции, но в конечном итоге регенерируется. Поэтому после того, как весь пероксид водорода разложится (выделение газа прекратится), чёрный порошок оксида марганца(IV) останется на дне стакана.

Ответ: Нет, чёрный порошок оксида марганца(IV) не исчезнет, так как он является катализатором и не расходуется в ходе реакции.

1. Что называют скоростью химической реакции? Приведите примеры реакций, протекающих с высокой и низкой скоростью.

Что называют скоростью химической реакции? Приведите примеры реакций, протекающих с высокой и низкой скоростью.

Скоростью химической реакции называют изменение концентрации одного из реагирующих веществ или продуктов реакции в единицу времени. Скорость реакции — это величина, показывающая, как быстро протекает химическое превращение.

Для гомогенной реакции (протекающей в однородной среде, например, в растворе или газовой фазе) скорость определяется как изменение молярной концентрации ($C$) вещества за промежуток времени ($\Delta t$). Математически это выражается формулой:
$v_{гом} = \pm \frac{\Delta C}{\Delta t} = \pm \frac{C_2 - C_1}{t_2 - t_1}$
где $C_1$ и $C_2$ — молярные концентрации вещества в моменты времени $t_1$ и $t_2$ соответственно. Знак «минус» используется, если скорость измеряется по изменению концентрации исходного вещества (реагента), так как его концентрация со временем уменьшается. Знак «плюс» используется, если скорость измеряется по изменению концентрации продукта реакции, так как его концентрация со временем увеличивается. Единицей измерения скорости гомогенной реакции в системе СИ является моль на литр в секунду (моль/(л·с)).

Для гетерогенной реакции (протекающей на границе раздела фаз, например, газ-твердое тело) скорость определяется как изменение количества вещества ($\Delta n$) за единицу времени ($\Delta t$) на единице площади поверхности ($S$):
$v_{гет} = \pm \frac{\Delta n}{S \cdot \Delta t}$
Единицей измерения в этом случае является моль на квадратный метр в секунду (моль/(м²·с)).

Примеры реакций, протекающих с высокой скоростью:

• Реакции горения и взрыва: например, взрыв смеси водорода с кислородом (гремучего газа) или горение пороха. Эти реакции происходят за доли секунды.
  $2H_2 + O_2 \rightarrow 2H_2O$
• Реакции ионного обмена в растворах: например, реакция нейтрализации сильной кислоты сильным основанием или образование осадка. Эти реакции протекают практически мгновенно при смешивании растворов.
  Пример нейтрализации: $NaOH + HCl \rightarrow NaCl + H_2O$
  Пример образования осадка: $AgNO_3 + NaCl \rightarrow AgCl\downarrow + NaNO_3$

Примеры реакций, протекающих с низкой скоростью:

• Коррозия металлов: например, ржавление железа на воздухе. Этот процесс может длиться месяцами и годами.
  $4Fe + 3O_2 + 6H_2O \rightarrow 4Fe(OH)_3$
• Процессы гниения и брожения: например, превращение органических веществ под действием микроорганизмов. Скисание молока или брожение виноградного сока занимает от нескольких дней до нескольких недель.
  Пример спиртового брожения: $C_6H_{12}O_6 \xrightarrow{дрожжи} 2C_2H_5OH + 2CO_2$
• Природные геологические процессы: образование полезных ископаемых, таких как нефть, уголь или природный газ из органических остатков, занимает миллионы лет.

Ответ: Скорость химической реакции — это физическая величина, определяющая быстроту превращения реагентов в продукты, и измеряется как изменение концентрации вещества в единицу времени. Реакции с высокой скоростью включают взрывы (например, гремучего газа) и реакции ионного обмена (например, нейтрализация кислоты щелочью). Реакции с низкой скоростью включают коррозию металлов (ржавление железа), процессы брожения и геологические процессы образования ископаемых.

2. Какие факторы влияют на скорость химической реакции? Кратко охарактеризуйте влияние каждого из них на скорость реакции.

Скорость химической реакции — это изменение концентрации одного из реагентов или продуктов реакции в единицу времени. На неё влияет несколько ключевых факторов:

1. Природа реагирующих веществ

Химическая активность веществ, определяемая их строением (тип химической связи, строение электронной оболочки), напрямую влияет на скорость реакции. Например, щелочные металлы (натрий, калий) бурно реагируют с водой, в то время как благородные металлы (золото, платина) в тех же условиях не реагируют. Реакции между ионами в растворах обычно протекают мгновенно, так как не требуют разрыва прочных ковалентных связей.

2. Концентрация реагентов

Согласно закону действующих масс, скорость реакции прямо пропорциональна произведению концентраций реагирующих веществ. Увеличение концентрации реагентов приводит к увеличению числа их частиц в единице объема, что повышает частоту столкновений между ними и, следовательно, скорость реакции. Это особенно важно для реакций в растворах и газовых смесях.

3. Температура

Повышение температуры увеличивает среднюю кинетическую энергию молекул. Это приводит к двум последствиям: частицы сталкиваются чаще и, что более важно, значительно возрастает доля «активных» столкновений, то есть таких, энергия которых достаточна для преодоления энергетического барьера реакции (энергии активации). Согласно правилу Вант-Гоффа, при повышении температуры на каждые 10 градусов Цельсия скорость многих реакций увеличивается в 2–4 раза. Зависимость константы скорости от температуры описывается уравнением Аррениуса: $k = A \cdot e^{-E_a / (RT)}$, где $k$ – константа скорости, $E_a$ – энергия активации, $T$ – абсолютная температура.

4. Давление (для реакций с участием газов)

Увеличение давления в системе, содержащей газообразные реагенты, приводит к увеличению их концентрации (числа молекул в единице объема). Аналогично влиянию концентрации, это увеличивает частоту столкновений молекул и скорость реакции.

5. Площадь поверхности соприкосновения реагентов

Этот фактор имеет значение для гетерогенных реакций, в которых реагенты находятся в разных фазах (например, твердое вещество и жидкость). Реакция происходит только на границе раздела фаз. Измельчение твердого реагента (например, превращение куска металла в порошок) увеличивает площадь его поверхности, что предоставляет больше возможностей для контакта с другим реагентом и значительно ускоряет реакцию.

6. Наличие катализатора или ингибитора

Катализатор — это вещество, которое увеличивает скорость реакции, но само при этом не расходуется. Катализаторы обеспечивают альтернативный путь реакции с более низкой энергией активации, что позволяет большему числу молекул участвовать в эффективных столкновениях. Ингибитор — вещество, замедляющее скорость реакции. Ингибиторы могут, например, повышать энергию активации или блокировать действие катализатора.

7. Свет или другое излучение

Некоторые реакции, называемые фотохимическими, инициируются или ускоряются под действием света (например, реакция фотосинтеза или разложение бромида серебра в фотографии). Кванты света поглощаются молекулами, сообщая им дополнительную энергию, необходимую для начала реакции.

Ответ:

На скорость химической реакции влияют: природа реагирующих веществ (более активные вещества реагируют быстрее), концентрация реагентов (увеличение концентрации повышает скорость), температура (повышение температуры увеличивает скорость), давление для газов (повышение давления увеличивает скорость), площадь поверхности для гетерогенных реакций (увеличение площади увеличивает скорость), а также наличие катализаторов (ускоряют реакцию) или ингибиторов (замедляют реакцию). Для некоторых реакций фактором является также наличие света.

3. Уравнение реакции: Запишите уравнение реакции цинка с серной кислотой. Предложите способы увеличения скорости этой реакции.

Уравнение реакции цинка с серной кислотой

Взаимодействие цинка с серной кислотой является окислительно-восстановительной реакцией. Характер продуктов реакции зависит от концентрации кислоты. В общем случае, рассматривается реакция с разбавленной серной кислотой.

Цинк является металлом средней активности и в электрохимическом ряду напряжений металлов стоит до водорода. Поэтому он способен вытеснять водород из разбавленных кислот. Реакция является реакцией замещения, в ходе которой образуется соль (сульфат цинка) и выделяется газообразный водород:

$Zn (тв.) + H_2SO_4 (разб.) \rightarrow ZnSO_4 (р-р) + H_2 \uparrow$

Стоит отметить, что при взаимодействии цинка с концентрированной серной кислотой, которая проявляет сильные окислительные свойства, водород не выделяется. Вместо него образуются продукты восстановления серы, например, диоксид серы $SO_2$:

$Zn + 2H_2SO_4 (конц.) \rightarrow ZnSO_4 + SO_2 \uparrow + 2H_2O$

Способы увеличения скорости этой реакции

Скорость химической реакции, в данном случае гетерогенной (между твердым веществом и раствором), можно увеличить несколькими способами, влияя на ключевые факторы:

• Повысить температуру. С ростом температуры увеличивается кинетическая энергия реагирующих частиц (ионов в растворе). Это приводит к увеличению частоты и, что более важно, энергии их столкновений с поверхностью цинка. В результате большее число столкновений становится эффективным (приводящим к реакции), и общая скорость процесса возрастает.
• Увеличить концентрацию серной кислоты. Повышение концентрации $H_2SO_4$ увеличивает число ионов водорода $H^+$ (в виде ионов гидроксония $H_3O^+$) в единице объема раствора. Это ведет к увеличению частоты столкновений ионов с поверхностью цинка, что ускоряет реакцию.
• Увеличить площадь поверхности соприкосновения реагентов. Реакция протекает на поверхности твердого цинка. Увеличение этой поверхности при той же массе металла значительно ускорит реакцию. Этого можно достичь путем измельчения цинка, например, используя цинковый порошок или мелкие гранулы вместо цельной пластины.
• Использовать катализатор. Эффективным способом ускорения этой реакции является добавление в раствор нескольких капель соли менее активного металла, чем цинк, например, сульфата меди(II) ($CuSO_4$). Цинк будет вытеснять медь из раствора: $Zn + CuSO_4 \rightarrow ZnSO_4 + Cu$. Осевшая на поверхности цинка металлическая медь образует с ним множество микроскопических гальванических пар. На участках меди (катодах) процесс восстановления ионов водорода до газообразного $H_2$ протекает значительно легче (из-за более низкого перенапряжения выделения водорода на меди по сравнению с цинком), что и вызывает резкое ускорение всей реакции.

Ответ:

Уравнение реакции цинка с разбавленной серной кислотой: $Zn + H_2SO_4 \rightarrow ZnSO_4 + H_2 \uparrow$.

Способы увеличения скорости этой реакции:
1. Повышение температуры реакционной смеси.
2. Увеличение концентрации серной кислоты.
3. Измельчение цинка для увеличения площади его поверхности.
4. Добавление катализатора, например, раствора сульфата меди(II) ($CuSO_4$).

4. Некоторые продукты питания хранят при низких температурах: в холодильниках, погребах, овощехранилищах. Почему? Приведите ещё несколько примеров увеличения или уменьшения скоростей химических реакций из повседневной жизни.

Продукты питания хранят при низких температурах, потому что порча продуктов – это, по своей сути, совокупность химических и биохимических реакций. К ним относятся как процессы разложения сложных органических веществ (белков, жиров, углеводов) под действием ферментов, содержащихся в самих продуктах, так и жизнедеятельность различных микроорганизмов (бактерий, плесени, дрожжей), которые вызывают гниение и брожение.

Скорость подавляющего большинства химических реакций напрямую зависит от температуры: при ее понижении скорость реакций значительно уменьшается. Это связано с тем, что для протекания реакции частицам (молекулам, ионам) необходимо обладать достаточной кинетической энергией для эффективных столкновений. Низкая температура снижает эту энергию. Согласно эмпирическому правилу Вант-Гоффа, при понижении температуры на каждые 10°C, скорость реакции замедляется в 2-4 раза. Таким образом, помещая продукты в холодильник или погреб, мы создаем условия, в которых процессы порчи сильно замедляются, что позволяет сохранить их свежесть, вкус и питательную ценность на более долгий срок.

Ответ: Продукты питания хранят при низких температурах для того, чтобы замедлить скорость химических и биохимических реакций, приводящих к их порче (гниение, брожение, окисление). Низкая температура снижает активность ферментов и жизнедеятельность микроорганизмов, тем самым продлевая срок годности продуктов.

Примеры увеличения или уменьшения скоростей химических реакций из повседневной жизни:

• Примеры увеличения скорости реакций:
  • Приготовление пищи. Нагревание (варка, жарка) значительно ускоряет химические процессы (денатурация белка, клейстеризация крахмала), которые делают пищу съедобной и усвояемой. Использование скороварки еще больше ускоряет процесс, так как из-за повышенного давления температура кипения воды становится выше 100°C.
  • Растворение веществ. Сахар или соль растворяются в горячем чае или воде намного быстрее, чем в холодной, так как высокая температура увеличивает энергию движения молекул.
  • Разжигание огня. Чтобы разжечь костер, сначала поджигают тонкие щепки или бумагу, а не большие поленья. Это делается для увеличения площади поверхности соприкосновения топлива с кислородом, что многократно увеличивает скорость реакции горения.
  • Использование катализаторов. Добавление дрожжей (содержат ферменты-катализаторы) в тесто ускоряет реакцию брожения с выделением углекислого газа, который разрыхляет тесто.
• Примеры уменьшения скорости реакций:
  • Консервирование. Маринование (добавление кислоты), соление или засахаривание продуктов создает неблагоприятную среду для микроорганизмов, замедляя реакции, приводящие к порче.
  • Защита от коррозии. Металлические конструкции красят или покрывают защитными слоями (например, цинком). Это создает барьер между металлом и агрессивной средой (кислородом, водой), что резко замедляет скорость реакции окисления (ржавления).
  • Использование ингибиторов. В пищевую продукцию добавляют консерванты и антиоксиданты (например, лимонную кислоту), которые замедляют реакции окисления жиров и витаминов, предотвращая прогоркание и потерю полезных свойств.
  • Хранение лекарств. Многие медикаменты рекомендуется хранить в прохладном и темном месте, так как свет и тепло могут ускорять реакции их распада, снижая эффективность.

Ответ: Примеры увеличения скорости реакций: приготовление пищи на огне, растворение сахара в горячей воде, раздувание углей в мангале. Примеры уменьшения скорости реакций: маринование овощей, покраска железного забора для защиты от ржавчины, добавление консервантов в продукты.

5. В химической реакции, протекающей по уравнению
$2\text{H}_2\text{S} + \text{SO}_2 = 3\text{S}\downarrow + 2\text{H}_2\text{O}$,
концентрация газообразного сероводорода за 2 мин уменьшилась с $0,86 \text{ моль/л}$ до $0,26 \text{ моль/л}$. Рассчитайте скорость химической реакции за указанный промежуток времени.

Дано:

Уравнение реакции: $2H_2S + SO_2 = 3S \downarrow + 2H_2O$

Начальная концентрация сероводорода $C_1(H_2S) = 0,86$ моль/л

Конечная концентрация сероводорода $C_2(H_2S) = 0,26$ моль/л

Промежуток времени $\Delta t = 2$ мин

Перевод в систему СИ:
$\Delta t = 2 \text{ мин} = 2 \times 60 \text{ с} = 120 \text{ с}$

Найти:

Скорость химической реакции $v$

Решение:

Скорость химической реакции определяется как изменение концентрации одного из веществ (реагента или продукта) в единицу времени. Общая формула для средней скорости реакции по изменению концентрации реагента выглядит так:

$v = -\frac{\Delta C}{\Delta t \cdot \nu} = \frac{C_{начальная} - C_{конечная}}{\Delta t \cdot \nu}$

где:

• $\Delta C$ — изменение концентрации вещества, моль/л;
• $\Delta t$ — промежуток времени, с;
• $\nu$ (ню) — стехиометрический коэффициент для данного вещества в уравнении реакции.

В данном случае мы рассчитываем скорость реакции по изменению концентрации сероводорода ($H_2S$).

1. Найдем изменение концентрации сероводорода:

$\Delta C(H_2S) = C_2(H_2S) - C_1(H_2S) = 0,26 \text{ моль/л} - 0,86 \text{ моль/л} = -0,60 \text{ моль/л}$

2. Стехиометрический коэффициент для $H_2S$ в уравнении реакции равен 2.

3. Подставим все значения в формулу для расчета скорости реакции:

$v = \frac{C_1(H_2S) - C_2(H_2S)}{\Delta t \cdot \nu(H_2S)} = \frac{0,86 \text{ моль/л} - 0,26 \text{ моль/л}}{120 \text{ с} \cdot 2}$

$v = \frac{0,60 \text{ моль/л}}{240 \text{ с}} = 0,0025 \frac{\text{моль}}{\text{л} \cdot \text{с}}$

Скорость реакции можно также выразить в моль/(л·мин):

$v = \frac{0,60 \text{ моль/л}}{2 \text{ мин} \cdot 2} = \frac{0,60 \text{ моль/л}}{4 \text{ мин}} = 0,15 \frac{\text{моль}}{\text{л} \cdot \text{мин}}$

Обычно скорость реакции выражается в моль/(л·с), поэтому будем использовать это значение в ответе.

Ответ: $v = 0,0025 \frac{\text{моль}}{\text{л} \cdot \text{с}}$ (или $0,15 \frac{\text{моль}}{\text{л} \cdot \text{мин}}$).

6. Найдите в Интернете видео опыта каталитической реакции. Запишите уравнение реакции, укажите, какой катализатор был использован для её проведения.

Решение

В интернете можно найти множество видео популярного опыта под названием «Слоновья зубная паста» (Elephant's Toothpaste), который является наглядным примером каталитической реакции. Этот опыт демонстрирует каталитическое разложение концентрированного раствора пероксида водорода ($H_2O_2$).

Для проведения реакции в сосуд с пероксидом водорода добавляют жидкое мыло (для образования пены) и пищевой краситель (для эффектности), а затем — катализатор. В качестве катализатора чаще всего используют йодид калия ($KI$). При его добавлении начинается очень бурная экзотермическая реакция, в результате которой из сосуда вырывается большой объем густой горячей пены, состоящей из выделившегося кислорода, воды и мыла.

Уравнение реакции разложения пероксида водорода, катализируемой йодидом калия, выглядит следующим образом:

$2H_2O_2 \xrightarrow{KI} 2H_2O + O_2 \uparrow$

В данном случае катализатором является йодид калия ($KI$). Точнее, каталитическую активность проявляет йодид-ион ($I^-$), который образуется при растворении соли в воде. Он участвует в промежуточных стадиях реакции, но в конечном итоге регенерируется, поэтому не расходуется в ходе процесса.

Ответ: Пример каталитической реакции — разложение пероксида водорода (опыт «Слоновья зубная паста»). Уравнение реакции: $2H_2O_2 \xrightarrow{KI} 2H_2O + O_2 \uparrow$. Катализатор, использованный для её проведения, — йодид калия ($KI$).