Номер 4, страница 63, часть 1 - гдз по химии 9 класс учебник Оспанова, Аухадиева

4. Приведите для каждого фактора по два примера, составьте уравнения реакций и дайте обоснование их осуществления.

Природа реагирующих веществ

Скорость химической реакции в значительной степени определяется химической природой и активностью вступающих в нее веществ. Разные вещества реагируют с разной скоростью в одних и тех же условиях из-за различий в их электронном строении, прочности химических связей и положении в периодической системе.

Пример 1: Взаимодействие щелочных металлов с водой. Активность щелочных металлов возрастает сверху вниз по группе.

Уравнение реакции для натрия: $2Na(тв) + 2H_2O(ж) \rightarrow 2NaOH(р-р) + H_2(г)$

Уравнение реакции для калия: $2K(тв) + 2H_2O(ж) \rightarrow 2KOH(р-р) + H_2(г)$

Обоснование: Калий, находясь в периодической системе ниже натрия, является более активным металлом. Его реакция с водой протекает значительно энергичнее, чем реакция натрия. Выделяющееся тепло воспламеняет образующийся водород, что наблюдается как фиолетовое пламя (из-за ионов калия).

Пример 2: Взаимодействие металлов с соляной кислотой. Положение металла в ряду активности определяет его способность вытеснять водород из кислот.

Уравнение реакции для цинка: $Zn(тв) + 2HCl(р-р) \rightarrow ZnCl_2(р-р) + H_2(г)$

Уравнение реакции для железа: $Fe(тв) + 2HCl(р-р) \rightarrow FeCl_2(р-р) + H_2(г)$

Обоснование: Цинк стоит в ряду активности левее железа, поэтому он является более активным металлом. При одинаковых условиях (концентрация кислоты, температура, форма металла) цинк реагирует с соляной кислотой заметно быстрее, что проявляется в более интенсивном выделении пузырьков водорода.

Ответ: Скорость реакции зависит от активности реагентов: более активный металл калий реагирует с водой быстрее натрия, а более активный цинк реагирует с кислотой быстрее железа.

Концентрация

Согласно закону действующих масс, скорость реакции прямо пропорциональна произведению концентраций реагирующих веществ. Увеличение концентрации реагентов приводит к увеличению числа частиц в единице объема, что повышает частоту их столкновений и, следовательно, скорость реакции.

Пример 1: Взаимодействие цинка с соляной кислотой разной концентрации.

Уравнение реакции: $Zn(тв) + 2HCl(р-р) \rightarrow ZnCl_2(р-р) + H_2(г)$

Обоснование: Если провести два опыта, добавляя гранулы цинка в концентрированную и разбавленную соляную кислоту, можно увидеть, что в концентрированной кислоте водород выделяется гораздо интенсивнее. Это связано с большей концентрацией ионов $H^+$ в концентрированной кислоте, что приводит к большему числу эффективных столкновений с поверхностью цинка в единицу времени.

Пример 2: Реакция между тиосульфатом натрия и серной кислотой.

Уравнение реакции: $Na_2S_2O_3(р-р) + H_2SO_4(р-р) \rightarrow Na_2SO_4(р-р) + S(тв) \downarrow + SO_2(г) + H_2O(ж)$

Обоснование: В ходе этой реакции образуется нерастворимая сера, вызывающая помутнение раствора. Скорость реакции можно измерить по времени, за которое раствор станет непрозрачным. Экспериментально установлено, что при увеличении концентрации раствора тиосульфата натрия (при прочих равных условиях) время, необходимое для помутнения, сокращается, что свидетельствует об увеличении скорости реакции.

Ответ: Увеличение концентрации реагентов (например, соляной кислоты или тиосульфата натрия) приводит к увеличению скорости химической реакции из-за роста частоты столкновений между реагирующими частицами.

Температура

Повышение температуры увеличивает скорость большинства химических реакций. Это объясняется тем, что при нагревании увеличивается средняя кинетическая энергия молекул. В результате возрастает не только частота столкновений, но и, что более важно, доля "активных" молекул, обладающих энергией, достаточной для преодоления активационного барьера (энергии активации).

Пример 1: Разложение пероксида водорода.

Уравнение реакции: $2H_2O_2(р-р) \xrightarrow{t} 2H_2O(ж) + O_2(г)$

Обоснование: При комнатной температуре водный раствор пероксида водорода разлагается очень медленно. Однако при нагревании раствора скорость выделения пузырьков кислорода заметно возрастает. Согласно правилу Вант-Гоффа, повышение температуры на каждые 10o C увеличивает скорость реакции в 2-4 раза.

Пример 2: Взаимодействие перманганата калия с щавелевой кислотой.

Уравнение реакции: $2KMnO_4 + 5H_2C_2O_4 + 3H_2SO_4 \rightarrow K_2SO_4 + 2MnSO_4 + 10CO_2 + 8H_2O$

Обоснование: Реакция сопровождается обесцвечиванием фиолетового раствора перманганата калия. При комнатной температуре этот процесс идет очень медленно. Если же реакционную смесь немного подогреть (до 40-60o C), обесцвечивание происходит почти мгновенно. Это демонстрирует сильную зависимость скорости данной реакции от температуры.

Ответ: Повышение температуры значительно ускоряет химические реакции, что наблюдается на примере ускоренного разложения пероксида водорода и быстрой реакции перманганата калия со щавелевой кислотой при нагревании.

Площадь поверхности соприкосновения реагентов

Для гетерогенных реакций, в которых вещества находятся в разных фазах (например, твердое-жидкость, твердое-газ), скорость зависит от площади поверхности контакта между реагентами. Увеличение этой площади (например, путем измельчения твердого вещества) приводит к увеличению скорости реакции, так как большее число частиц может одновременно участвовать во взаимодействии.

Пример 1: Взаимодействие карбоната кальция (мрамора) с кислотой.

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

Обоснование: Кусок мрамора реагирует с соляной кислотой с умеренной скоростью. Если же взять ту же массу мрамора в виде порошка, реакция будет протекать гораздо бурнее, с обильным выделением углекислого газа. Порошок имеет значительно большую суммарную площадь поверхности, чем цельный кусок.

Пример 2: Горение железа.

Уравнение реакции: $4Fe(тв) + 3O_2(г) \xrightarrow{t} 2Fe_2O_3(тв)$

Обоснование: Массивный железный предмет (например, гвоздь) не горит в пламени, а лишь раскаляется. Однако стальная вата (тонкие волокна железа) легко загорается в пламени горелки, а железные опилки, насыпанные в пламя, сгорают, образуя сноп искр. Это происходит из-за огромной площади поверхности контакта измельченного железа с кислородом воздуха.

Ответ: Скорость гетерогенных реакций увеличивается с увеличением площади поверхности твердого реагента, что доказывается быстрым растворением порошка мрамора в кислоте и горением железных опилок.

Катализатор

Катализатор — это вещество, которое увеличивает скорость химической реакции, но само при этом не расходуется. Катализаторы обеспечивают альтернативный путь реакции с более низкой энергией активации, что позволяет большему числу молекул вступать во взаимодействие в единицу времени.

Пример 1: Каталитическое разложение пероксида водорода.

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

Обоснование: Самопроизвольное разложение $H_2O_2$ очень медленное. При добавлении небольшого количества порошка оксида марганца(IV) ($MnO_2$) начинается бурное выделение кислорода. $MnO_2$ выступает в роли катализатора, который после окончания реакции можно отфильтровать и использовать снова.

Пример 2: Разложение хлората калия (бертолетовой соли).

Уравнение реакции: $2KClO_3(тв) \xrightarrow{MnO_2, t} 2KCl(тв) + 3O_2(г)$

Обоснование: Чистый хлорат калия при нагревании разлагается на кислород и хлорид калия при температуре около 400o C. В присутствии катализатора — оксида марганца(IV) ($MnO_2$) — реакция начинается уже при 200o C и протекает значительно быстрее. Это классический лабораторный способ получения кислорода.

Ответ: Катализаторы, такие как оксид марганца(IV), многократно ускоряют химические реакции (разложение пероксида водорода, разложение хлората калия), предоставляя путь реакции с пониженной энергией активации.