Решебник по химии 9 класс Габриелян §3

Скорость химических реакций. Катализ

Стр. 19

Вопрос

Отношение изменения какой-либо величины ко времени, за которое произошло это изменение, называют скоростью. Какие величины используют для расчёта скорости химической реакции?

Для расчёта скорости химической реакции используют изменение концентрации вещества (реагента или продукта) и промежуток времени, за который произошло это изменение. Формула для расчёта скорости выглядит так:

v = Δc / Δt

где:

v — скорость реакции,

Δc — изменение концентрации вещества (в моль/л),

Δt — время, за которое произошло изменение (в секундах).

Таким образом, чтобы определить скорость химической реакции, нужно знать, насколько изменилась концентрация вещества за определённый промежуток времени.

Стр. 19

Лабораторный опыт 6

В две пробирки налейте по 2—3 мл раствора тиосульфата натрия. В первую пробирку добавьте несколько капель раствора хлорида бария, во вторую — несколько капель соляной кислоты. Что наблюдаете? В чём различие процессов, происходящих в обеих пробирках?

В первой пробирке (Na₂S₂O₃ + BaCl₂) реакция идёт мгновенно. Сразу после добавления хлорида бария появляется белый осадок — сульфат бария (BaSO₄), что указывает на быстрое протекание химической реакции по уравнению обмена:

(Na₂S₂O₃ + BaCl₂ → BaSO₄↓ + 2NaCl + SO₂ + S↓ + H₂O)

Во второй пробирке, где добавлена соляная кислота, осадок появляется не сразу. Раствор сначала остаётся прозрачным, но через некоторое время начинает мутнеть, появляется белесый осадок серы и запах сернистого газа. Это говорит о медленной реакции, происходящей с образованием нестойких промежуточных веществ.

Различие процессов:

– В первой пробирке реакция идёт быстро, сразу появляется осадок.

– Во второй пробирке реакция идет медленно, продукты (сера, SO₂) образуются не сразу.

Таким образом, основное отличие — это скорость протекания реакции: быстрая в первой пробирке (реакция ионного обмена) и медленная во второй (сложная реакция с участием кислоты).

Стр. 20

Лабораторный опыт 7

В две пробирки налейте по 2—3 мл 10%-ной соляной кислоты. В одну пробирку опустите кусочек железа (стальную скрепку), в другую — такой же кусочек магния. В какой из пробирок выделение пузырьков газа интенсивнее? Почему? Запишите уравнения происходящих реакций.

Выделение пузырьков газа будет интенсивнее в пробирке с магнием.

Это связано с тем, что магний (Mg) — более активный металл, чем железо (Fe). В ряду активности металлов магний находится выше железа, поэтому он быстрее и энергичнее реагирует с кислотой, вытесняя водород.

Уравнение реакции в пробирке с магнием:

(Mg + 2HCl → MgCl₂ + H₂↑)

Уравнение реакции в пробирке с железом:

(Fe + 2HCl → FeCl₂ + H₂↑)

Обе реакции являются реакциями замещения, в которых металл вытесняет водород из кислоты. Однако скорость реакции зависит от активности металла, поэтому магний даёт более бурное выделение газа (водорода).

Стр. 21

Лабораторный опыт 8

В одну пробирку налейте 2—3 мл соляной кислоты, в другую — 2—3 мл раствора уксусной кислоты такой же концентрации. В каждую из пробирок опустите по одной грануле цинка. В какой из пробирок образование пузырьков газа интенсивнее? Почему?

Интенсивнее образование пузырьков газа будет в пробирке с соляной кислотой.

Это связано с тем, что соляная кислота (HCl) — это сильная кислота, она полностью диссоциирует в воде и отдаёт больше ионов H⁺, которые участвуют в реакции.

Уксусная кислота (CH₃COOH) — слабая кислота, она диссоциирует неполностью, а значит, даёт меньше ионов водорода.

Поэтому при взаимодействии с цинком в соляной кислоте реакция идёт быстрее, выделяется больше пузырьков водорода:

Уравнение реакции с соляной кислотой:

(Zn + 2HCl → ZnCl₂ + H₂↑)

Уравнение реакции с уксусной кислотой:

(Zn + 2CH₃COOH → (CH₃COO)₂Zn + H₂↑)

Таким образом, разница в интенсивности выделения газа объясняется силой кислот: сильная кислота вызывает более быструю реакцию и интенсивное выделение водорода.

Стр. 21

Лабораторный опыт 9

В пробирку налейте 5 мл 5%-ного раствора серной кислоты и опустите стальную кнопку. Что наблюдаете? Нагревайте содержимое пробирки на пламени спиртовки. Что наблюдаете? Как изменилась скорость реакции?

Сразу после того как в пробирку с серной кислотой опускают стальную кнопку (железо), реакция идёт медленно — можно наблюдать слабое или незаметное выделение пузырьков газа (водорода), потому что железо реагирует с кислотой с небольшой скоростью при комнатной температуре.

После нагревания пробирки на пламени спиртовки реакция резко ускоряется: появляется интенсивное выделение пузырьков газа, раствор начинает «кипеть» — это водород, выделяющийся в ходе реакции.

Скорость реакции увеличилась, потому что при повышении температуры частицы начинают двигаться быстрее, чаще сталкиваются, и это ускоряет ход реакции.

Уравнение реакции:

(Fe + H₂SO₄ → FeSO₄ + H₂↑)

Таким образом, опыт показывает, что температура — один из факторов, влияющих на скорость химической реакции: при её повышении скорость возрастает.

Стр. 21

Лабораторный опыт 10

В три пробирки налейте соответственно 1 мл, 3 мл и 5 мл раствора тиосульфата натрия. В первую пробирку добавьте 4 мл воды, во вторую — 2 мл. Во всех трёх пробирках объём растворов одинаков — 5 мл. В какой из пробирок концентрация тиосульфата натрия максимальна, в какой — минимальна? В каждую пробирку добавьте по 2 мл соляной кислоты. Что наблюдаете?

Объём раствора в каждой пробирке — 5 мл, но количество вещества (тиосульфата натрия) разное:

• В первой пробирке: 1 мл Na₂S₂O₃ + 4 мл воды → самая низкая концентрация

• Во второй пробирке: 3 мл Na₂S₂O₃ + 2 мл воды → средняя концентрация

• В третьей пробирке: 5 мл Na₂S₂O₃, без разбавления → максимальная концентрация

После добавления в каждую пробирку 2 мл соляной кислоты, начинается реакция:

Na₂S₂O₃ + 2HCl → 2NaCl + SO₂↑ + S↓ + H₂O

Наблюдение

Во всех пробирках происходит помутнение раствора и образование осадка серы, а также выделение сернистого газа с характерным запахом.

Но скорость появления помутнения и осадка разная:

• В третьей пробирке (максимальная концентрация) осадок появляется быстрее всего.

• Во второй пробирке — позже.

• В первой пробирке (минимальная концентрация) — самое медленное помутнение.

Вывод: Чем выше концентрация реагирующего вещества (тиосульфата натрия), тем быстрее протекает реакция. Это связано с тем, что при высокой концентрации больше частиц взаимодействуют между собой, и скорость химической реакции возрастает.

Стр. 22

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?

В результате взаимодействия мрамора (CaCO₃) с соляной кислотой (HCl) происходит химическая реакция с выделением углекислого газа:

Уравнение реакции:

(CaCO₃ + 2HCl → CaCl₂ + CO₂↑ + H₂O)

Наблюдение:

• В первом стакане, где кусочек мрамора целый, реакция идёт медленно, выделяется небольшое количество пузырьков газа.

• Во втором стакане, где мрамор измельчён, реакция проходит намного быстрее, наблюдается бурное выделение пузырьков газа.

Объяснение

При измельчении увеличивается площадь соприкосновения мрамора с кислотой. Чем больше площадь поверхности твердого вещества, тем быстрее идёт химическая реакция, так как большее количество частиц может одновременно вступать в взаимодействие.

Вывод: Скорость химической реакции увеличивается при увеличении площади соприкосновения реагирующих веществ. Измельчение твердого вещества ускоряет реакцию.

Стр. 22

Вопрос

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. Однако 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.

Учёный Константин Сигизмундович Кирхгоф совершил открытие катализаторов — веществ, которые ускоряют химическую реакцию, но не расходуются в ходе самой реакции. Он установил, что разложение крахмала на сахара (гидролиз) в присутствии серной кислоты идёт гораздо быстрее.

Роль серной кислоты в этой реакции — каталитическая: она выступает в роли катализатора, ускоряя процесс гидролиза, но при этом не входит в состав продуктов реакции и не изменяется.

Это наблюдаемое явление можно назвать катализом, а конкретно — кислотным катализом, так как ускорение реакции происходит за счёт присутствия кислоты.

Стр. 23

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?

При добавлении оксида марганца(IV) (MnO₂) в раствор пероксида водорода (H₂O₂) наблюдается бурное выделение пузырьков газа — это кислород, который образуется в ходе разложения пероксида водорода. Реакция становится значительно быстрее, чем без добавления оксида марганца.

Уравнение реакции:

(2H₂O₂ → 2H₂O + O₂↑)

Оксид марганца(IV) в этом процессе не расходуется и остаётся в растворе даже после завершения реакции. Он только ускоряет её, но сам в реакцию не вступает.

Вывод: Оксид марганца(IV) играет роль катализатора — вещества, которое ускоряет химическую реакцию, но не изменяется в процессе. Это классический пример катализа. Таким образом, чёрный порошок оксида марганца(IV) не исчезает после завершения реакции.

Стр. 23

Проверьте свои знания

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

Скоростью химической реакции называют изменение концентрации вещества (реагента или продукта) в единицу времени. Скорость показывает, как быстро протекает реакция — насколько быстро расходуются исходные вещества или образуются продукты.

Пример реакции с высокой скоростью:

(2NaOH + H₂SO₄ → Na₂SO₄ + 2H₂O) — нейтрализация щёлочи кислотой происходит почти мгновенно.

Пример реакции с низкой скоростью:

(Fe + O₂ → Fe₂O₃) — ржавление железа на воздухе занимает много времени (дни, недели).

2. От каких факторов зависит скорость химической реакции? Кратко охарактеризуйте влияние каждого из них на скорость реакции.

Скорость химической реакции зависит от следующих факторов:

• Природа веществ. Реакции между более активными веществами протекают быстрее. Например, Mg реагирует с кислотой быстрее, чем Fe.

• Температура. При повышении температуры скорость реакции увеличивается, так как частицы движутся быстрее, чаще сталкиваются.

• Концентрация веществ. Чем выше концентрация, тем больше частиц, чаще столкновения, быстрее реакция.

• Площадь соприкосновения. Твёрдые вещества реагируют быстрее, если измельчены (например, порошок мела реагирует быстрее, чем кусок).

• Катализатор. Вещества, ускоряющие реакцию, не расходуясь при этом. Например, MnO₂ ускоряет разложение H₂O₂.

Стр. 23

Примените свои знания

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

Уравнение реакции:

(Zn + H₂SO₄ → ZnSO₄ + H₂↑)

Способы увеличения скорости реакции:

1. Измельчение цинка (увеличение площади соприкосновения реагентов).

2. Повышение температуры раствора.

3. Повышение концентрации серной кислоты.

4. Использование катализатора (например, медь ускоряет некоторые реакции водорода с металлами, но в этом случае обычно не применяется).

Все эти меры способствуют увеличению частоты столкновений частиц, а значит, ускоряют реакцию.

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

Продукты хранят при низких температурах, потому что при понижении температуры скорость химических реакций уменьшается. Это замедляет процессы гниения, брожения, разложения и размножения микроорганизмов, из-за чего продукты дольше сохраняются свежими.

Примеры из жизни:

• Увеличение скорости реакции: подогревание уксуса с содой для усиленного выделения углекислого газа при выпечке.

• Уменьшение скорости реакции: хранение лекарств в холодильнике — это замедляет их разложение.

• Увеличение скорости реакции: добавление дрожжей и тёплой воды в тесто для ускорения брожения.

• Уменьшение скорости: покрытие железа краской для замедления реакции с кислородом (защита от коррозии).

5. В химической реакции, протекающей по уравнению: (2H₂S + SO₂ → 3S↓ + 2H₂O), концентрация газообразного сероводорода за 2 мин уменьшилась с 0,86 моль/л до 0,26 моль/л. Рассчитайте скорость химической реакции за указанный промежуток времени.

Скорость химической реакции (v) рассчитывается по формуле:

v = Δc / Δt

Где:

Δc = 0,86 − 0,26 = 0,60 моль/л

Δt = 2 мин = 120 с

v = 0,60 моль/л / 120 с = 0,005 моль/(л·с)

Ответ: Скорость химической реакции составляет 0,005 моль/(л·с).

Стр. 23

Используйте дополнительную информацию

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

Я нашёл видео опыта, в котором проводится разложение пероксида водорода с использованием оксида марганца(IV) в качестве катализатора.

Уравнение реакции:

(2H₂O₂ → 2H₂O + O₂↑)

Катализатор:

Оксид марганца(IV) — MnO₂

Катализатор ускоряет разложение пероксида водорода на воду и кислород. Без катализатора реакция идёт очень медленно, но при его добавлении начинается быстрое выделение пузырьков газа (кислорода). Катализатор при этом не расходуется, остаётся в реакции в неизменном виде.