Решебник по химии 9 класс Габриелян §2

Классификация химических реакций

Стр. 12

Вопрос

Химические вещества взаимодействуют друг с другом. Как разобраться в огромном многообразии химических превращений? Какие признаки лежат в основе классификации химических реакций?

Чтобы разобраться в большом многообразии химических превращений, учёные разработали систему классификации химических реакций. Она помогает упорядочить знания и понять, к какому типу относится конкретная реакция, предсказать её ход и продукты.

В основе классификации лежат следующие признаки:

1. По числу и составу реагентов и продуктов реакции (реакции соединения, разложения, замещения, обмена).

2. По тепловому эффекту — выделяется ли тепло или поглощается (экзотермические и эндотермические реакции).

3. По агрегатному состоянию реагентов и продуктов — гомогенные (одна фаза) и гетерогенные (разные фазы) реакции.

4. По обратимости — обратимые и необратимые реакции.

5. По наличию катализатора — каталитические и некаталитические реакции.

6. По изменению степени окисления — окислительно-восстановительные и неОВР.

Такая систематизация позволяет проще ориентироваться в химии, проводить опыты и понимать, какие процессы происходят между веществами.

Стр. 13

Лабораторный опыт 1

Одну стеклянную палочку смочите в растворе аммиака, другую — в соляной кислоте. Поднесите палочки друг к другу. Что наблюдаете? Что собой представляет белый дым?

При поднесении стеклянных палочек друг к другу наблюдается появление белого дыма между ними. Это белое облачко — не дым в привычном смысле, а мелкодисперсный аэрозоль или пары вещества, образующегося в результате химической реакции между аммиаком (NH₃) и соляной кислотой (HCl).

Между парами аммиака и соляной кислоты происходит реакция соединения:

(NH₃ + HCl → NH₄Cl)

В результате образуется белый кристаллический порошок — хлорид аммония (NH₄Cl), который в воздухе выглядит как белый дым. Это наглядный пример химической реакции в газовой фазе, в которой из двух газообразных веществ образуется одно твёрдое.

Стр. 15

Лабораторный опыт 2

Налейте в пробирку 2 мл раствора гидроксида натрия и добавьте 1–2 капли фенолфталеина. Что наблюдаете? В пробирку по каплям добавляйте соляную кислоту и встряхивайте содержимое. После добавления очередной порции окраска раствора исчезает. О чём свидетельствует этот факт? Напишите соответствующее уравнение реакции.

Сначала при добавлении фенолфталеина в раствор гидроксида натрия наблюдается ярко-малиновая окраска. Это происходит потому, что фенолфталеин в щелочной среде (NaOH) становится розово-малиновым.

При постепенном добавлении в пробирку соляной кислоты (HCl) и встряхивании содержимого, окраска раствора становится всё слабее и, в конце концов, исчезает.

Это означает, что происходит нейтрализация — реакция между щёлочью (NaOH) и кислотой (HCl). В результате этой реакции образуется нейтральная среда (вода и соль), в которой фенолфталеин становится бесцветным.

Уравнение реакции:

(NaOH + HCl → NaCl + H₂O)

Стр. 15

Лабораторный опыт 3

В химический стакан налейте 20 мл 10%-ного раствора серной кислоты. Поместите в стакан термометр, измерьте температуру раствора. Добавьте в стакан 20 мл 10%-ного раствора гидроксида натрия. Перемешивая содержимое стакана, наблюдайте за изменением температуры. Сделайте вывод о тепловом эффекте проведённой реакции.

При смешивании растворов серной кислоты (H₂SO₄) и гидроксида натрия (NaOH) температура раствора повышается. Это говорит о том, что в ходе реакции выделяется тепло — происходит экзотермическая реакция.

Реакция между кислотой и щёлочью — это реакция нейтрализации, в результате которой образуются соль и вода, и выделяется значительное количество теплоты.

Уравнение реакции:

(H₂SO₄ + 2NaOH → Na₂SO₄ + 2H₂O + Q)

Вывод: Реакция нейтрализации между серной кислотой и гидроксидом натрия — экзотермическая, так как сопровождается повышением температуры раствора.

Стр. 16

Лабораторный опыт 4

Налейте в пробирку 3 мл раствора серной кислоты, добавьте на кончике шпателя оксида меди(II). Нагрейте пробирку. Какой признак указывает на протекание химической реакции? К какому типу по признаку агрегатного состояния реагентов относится данная реакция? Напишите её уравнение.

При добавлении в серную кислоту оксида меди(II) (CuO) и нагревании наблюдается изменение цвета раствора — он становится голубым, а чёрный осадок оксида меди постепенно исчезает. Это указывает на то, что произошла химическая реакция: оксид меди прореагировал с кислотой, образовав соль и воду.

Признак химической реакции — изменение окраски и растворение твёрдого вещества (CuO).

Тип реакции по агрегатному состоянию реагентов — это гетерогенная реакция, так как кислота — жидкость, а оксид меди — твёрдое вещество.

Уравнение реакции:

(CuO + H₂SO₄ → CuSO₄ + H₂O)

Вывод: Реакция между твёрдым оксидом меди и жидкой серной кислотой сопровождается изменением цвета и растворением вещества. Это гетерогенная реакция и один из примеров кислотно-основного взаимодействия.

Стр. 17

Лабораторный опыт 5

В пробирку налейте 2–3 мл раствора пероксида водорода. Добавьте в неё немного натёртой сырой моркови или картофеля. Что наблюдаете?

После добавления натёртой сырой моркови или картофеля в раствор пероксида водорода (H₂O₂) начинается бурное выделение пузырьков газа — это кислород (O₂). Раствор начинает «пениться».

Это наблюдение указывает на то, что в реакции участвует фермент каталаза, содержащийся в клетках растений (в данном случае — в моркови или картофеле). Он ускоряет разложение перекиси водорода:

Уравнение реакции:

(2H₂O₂ → 2H₂O + O₂↑)

Эта реакция — каталитическая, а фермент каталаза — это биологический катализатор.

Вывод: наблюдаемое явление подтверждает, что ферменты могут выступать в роли катализаторов и участвуют в химических реакциях, ускоряя их без изменения состава самих ферментов.

Стр. 18

Проверьте свои знания

1. Как классифицируют химические реакции по числу и составу исходных веществ и продуктов реакции? Приведите примеры.

Химические реакции классифицируют по числу и составу реагентов и продуктов на четыре типа:

— Реакции соединения — из двух или более веществ образуется одно сложное. Пример: (S + O₂ → SO₂)

— Реакции разложения — из одного сложного вещества образуются два или более новых. Пример: (CaCO₃ → CaO + CO₂)

— Реакции замещения — атомы одного вещества замещают атомы другого. Пример: (Zn + 2HCl → ZnCl₂ + H₂↑)

— Реакции обмена — два сложных вещества обмениваются своими составными частями. Пример: (H₂SO₄ + BaCl₂ → BaSO₄↓ + 2HCl)

2. Как классифицируют химические реакции по тепловому эффекту? Что такое тепловой эффект реакции? Приведите примеры.

По тепловому эффекту реакции делятся на два типа:

— Экзотермические — идут с выделением тепла, Q > 0.

Пример: (H₂SO₄ + 2NaOH → Na₂SO₄ + 2H₂O + 114 кДж)

— Эндотермические — идут с поглощением тепла, Q < 0.

Пример: (2SO₃ → 2SO₂ + O₂ −188 кДж)

Тепловой эффект — это количество теплоты, которое выделяется или поглощается при протекании химической реакции. Обозначается буквой Q и измеряется в кДж или кДж/моль.

3. Как классифицируют химические реакции по агрегатному состоянию реагентов и продуктов реакции? Приведите примеры уравнений таких реакций.

По агрегатному состоянию реагентов и продуктов химические реакции делятся на:

Гомогенные реакции — это реакции, в которых все вещества (реагенты и продукты) находятся в одной фазе (все газы, все жидкости, или все растворённые вещества).

Пример гомогенной реакции:

(SO₂(г) + O₂(г) → SO₃(г))

Гетерогенные реакции — реакции, в которых вещества находятся в разных агрегатных состояниях, то есть в разных фазах (твёрдое + газ, твёрдое + жидкость и т.д.).

Пример гетерогенной реакции:

(4FeS₂(тв) + 11O₂(г) → 2Fe₂O₃(тв) + 8SO₂(г))

Таким образом, гомогенные реакции протекают в одной среде, а гетерогенные — на границе раздела фаз.

4. Как классифицируют химические реакции по обратимости? Приведите примеры уравнений таких реакций.

По обратимости химические реакции делятся на:

Необратимые реакции — это реакции, которые протекают только в одном направлении, и продукты реакции не возвращаются в исходные вещества.

Пример необратимой реакции:

(S + O₂ → SO₂)

Обратимые реакции — реакции, которые протекают одновременно в прямом и обратном направлениях. Между реагентами и продуктами устанавливается равновесие.

Пример обратимой реакции:

(2SO₂ + O₂ ⇄ 2SO₃)

Таким образом, в обратимых реакциях вещества могут превращаться друг в друга, а в необратимых — только в одном направлении.

5. Как классифицируют химические реакции по использованию катализатора? Приведите примеры уравнений таких реакций.

По использованию катализатора реакции делят на:

— Каталитические — протекают с участием катализатора, который ускоряет реакцию, но не расходуется.

Пример: (2SO₂ + O₂ → 2SO₃) — катализатор V₂O₅

Пример: (2H₂O₂ → 2H₂O + O₂↑) — катализатор фермент каталаза (в картофеле или моркови)

— Некаталитические — идут без участия катализатора.

Пример: (Zn + H₂SO₄ → ZnSO₄ + H₂)

Стр. 19

Примените свои знания

6. Напишите уравнения следующих химических реакций:

а) оксида кальция с водой;

б) железа с раствором серной кислоты;

в) раствора нитрата серебра с раствором хлорида магния.

Определите тип каждой реакции по числу и составу реагентов и продуктов.

а) (CaO + H₂O → Ca(OH)₂)

Тип реакции: реакция соединения (из двух веществ образуется одно сложное).

б) (Fe + H₂SO₄ → FeSO₄ + H₂↑)

Тип реакции: реакция замещения (железо вытесняет водород из кислоты).

в) (2AgNO₃ + MgCl₂ → 2AgCl↓ + Mg(NO₃)₂)

Тип реакции: реакция обмена (две соли обмениваются ионами, образуется осадок — AgCl).

7. Разложение карбоната бария представляет собой эндотермический процесс, требующий затрат 267 кДж теплоты на разложение 1 моль соли. Запишите термохимическое уравнение реакции разложения карбоната бария. Напишите уравнение обратной реакции. Как вы думаете, каков её тепловой эффект?

Термохимическое уравнение разложения:

(BaCO₃ → BaO + CO₂ − 267 кДж)

Это эндотермическая реакция, потому что теплота поглощается (Q < 0).

Уравнение обратной реакции:

(BaO + CO₂ → BaCO₃ + 267 кДж)

Обратная реакция — экзотермическая, так как при образовании карбоната бария выделяется та же самая энергия (Q > 0).

Вывод:

Разложение карбоната бария требует затрат теплоты, а его синтез сопровождается выделением тепла. Тепловой эффект прямой и обратной реакции имеет одинаковую величину, но разный знак.

8. По термохимическому уравнению реакции горения углерода C(тв.) + O₂(г.) = CO₂(г.) + 410 кДж рассчитайте:

а) количество теплоты, которое выделится при сгорании 54 г углерода;

б) объём кислорода, израсходованный в реакции горения, если в результате выделилось 2050 кДж теплоты.

а) По уравнению:

1 моль C (12 г) при сгорании выделяет 410 кДж.

54 г углерода — это (54 / 12 = 4,5 моль).

Тогда теплота: 4,5 × 410 = 1845 кДж.

б) 2050 кДж / 410 кДж = 5 моль углерода сгорело → потребуется 5 моль кислорода.

По уравнению 1 моль O₂ = 22,4 л (н.у.).

Объём: 5 × 22,4 = 112 л O₂.

9. Закончите уравнения следующих химических реакций:

а) H₂ + Cl₂ → 2HCl

б) MgO + H₂SO₄ → MgSO₄ + H₂O

в) Al + CuCl₂ → 2AlCl₃ + 3Cu

г) BaCl₂ + ZnSO₄ → BaSO₄↓ + ZnCl₂

Анализ реакций:

а) H₂ + Cl₂ → 2HCl

• Тип: реакция соединения

• Гомогенная, т.к. все вещества — газы

• ОВР: да

H⁰ → H⁺ (отдаёт e⁻, восстановитель)

Cl⁰ → Cl⁻ (принимает e⁻, окислитель)

б) MgO + H₂SO₄ → MgSO₄ + H₂O

• Тип: реакция обмена

• Гетерогенная (твёрдое MgO и жидкость)

• Не ОВР

в) 2Al + 3CuCl₂ → 2AlCl₃ + 3Cu

• Тип: реакция замещения

• Гетерогенная (твердое Al и раствор соли)

• ОВР:

Al⁰ → Al³⁺ (отдаёт e⁻, восстановитель)

Cu²⁺ → Cu⁰ (принимает e⁻, окислитель)

г) BaCl₂ + ZnSO₄ → BaSO₄↓ + ZnCl₂

• Тип: реакция обмена

• Гомогенная

• Не ОВР

Вывод:

ОВР: а) и в)

Гомогенные: а), г)

Гетерогенные: б), в)

Окислитель: Cl₂ (в а), Cu²⁺ (в в)

Восстановитель: H₂ (в а), Al (в в)

Окисление: повышение степени окисления

Восстановление: понижение степени окисления

Стр. 19

Используйте дополнительную информацию

10. Тепловые эффекты реакций нейтрализации между соляной кислотой и гидроксидом натрия, серной кислотой и гидроксидом калия, азотной кислотой и гидроксидом лития примерно одинаковы. Как вы думаете, почему? Для ответа на вопрос используйте Интернет.

Тепловые эффекты реакций нейтрализации между разными кислотами (соляной, серной, азотной) и щелочами (гидроксидами натрия, калия, лития) примерно одинаковы, потому что во всех этих случаях происходит одна и та же основная химическая реакция — нейтрализация ионов водорода и гидроксид-ионов:

(H⁺ + OH⁻ → H₂O + 57 кДж)

Эта реакция — главная причина выделения теплоты. Независимо от того, из какой кислоты происходит H⁺ (соляной, азотной или серной) и из какой щёлочи — OH⁻, сам процесс остаётся одинаковым: образование молекулы воды из ионов.

Следовательно, основная часть теплоты выделяется при соединении H⁺ и OH⁻, а не при участии самих кислотных или щелочных остатков. Именно поэтому тепловые эффекты этих реакций близки по значению — около 57 кДж на моль воды.