§4. Химические реакции. Скорость химической реакции

Лабораторный опыт №3

Замещение железом меди в растворе сульфата меди (II)
Налейте в пробирку 2 мл раствора сульфата меди (II) и поместите в него канцелярскую кнопку или скрепку. Что наблюдаете? Запишите уравнения реакции в молекулярной и ионной формах. Рассмотрите окислительно−восстановительные процессы. На основе молекулярного уравнения отнесите эту реакцию к той или иной группе реакций на основании следующих признаков:
• «число и состав исходных веществ и продуктов реакции» (как вы наверняка помните, по этому признаку различают реакции соединения, разложения, замещения и обмена, в том числе реакции нейтрализации);
• «направление» (напомним, что по этому признаку реакции делят на две группы: обратимые и необратимые);
• «тепловой эффект» (различают реакции эндо−экзотермические, в том числе реакции горения);
• «изменение степеней окисления элементов, образующих вещества, участвующие в реакции» (окислительно−восстановительные и без изменения степеней окисления):
• «агрегатное состояние реагирующих веществ»
(гомогенные и гетерогенные);
• «участие катализатора» (некаталитические и каталитические, в том числе ферментативные).
Теперь проверьте себя.
$CuSO_{4} + Fe = FeSO_{4} + Cu$.
1) Это реакция замещения, так как из исходных простого и сложного веществ образуются новое простое и новое сложное вещества.
2) Эта реакция необратимая, так как протекает только в одном направлении.
3) Эта реакция, вероятно, экзотермическая, т.е. протекает с незначительным выделением теплоты (такой вывод вы можете сделать на основании того, что для протекания этой реакции не требуется непрерывного нагревания содержимого пробирки).
4) Это окислительно восстановительная реакция, так как свои степени окисления изменили медь и железо:
(окислитель) $Cu^{2+}$ + 2е → $С^{0}$ (восстановление);
(восстановитель) $Fe^{0}$ → 2é $Fe^{2+}$ (окисление).
5) Эта реакция гетерогенная, так как протекает между твёрдым веществом и раствором.
6) Реакция протекает без участия катализатора − некаталитическая.
(Вспомните из курса 8 класса, какие вещества называются катализаторами. Верно, это вещества, которые ускоряют химическую реакцию.)

Ответ:

Замещение железом меди в растворе сульфата меди (II)
$CuSO_{4} + Fe = FeSO_{4} + Cu$.
1) Это реакция замещения, так как из исходных простого и сложного веществ образуются новое простое и новое сложное вещества.
2) Эта реакция необратимая, так как протекает только в одном направлении.
3) Эта реакция, вероятно, экзотермическая, т.е. протекает с незначительным выделением теплоты (такой вывод вы можете сделать на основании того, что для протекания этой реакции не требуется непрерывного нагревания содержимого пробирки).
4) Это окислительно восстановительная реакция, так как свои степени окисления изменили медь и железо:
(окислитель) $Cu^{2+}$ + 2е → $С^{0}$ (восстановление);
(восстановитель) $Fe^{0}$ → 2é $Fe^{2+}$ (окисление).
5) Эта реакция гетерогенная, так как протекает между твёрдым веществом и раствором.
6) Реакция протекает без участия катализатора − некаталитическая.

Лабораторный опыт №4

Зависимость скорости химической реакции от природы реагирующих веществ на примере взаимодействия кислот с металлами
Поместите в одну пробирку гранулу цинка, а в другую − кусочек железа такого же размера и налейте в обе пробирки по 1−2 мл соляной кислоты. Природа какого реагента оказывает влияние на скорость взаимодействия кислоты с металлом? Почему? Запишите уравнения реакций в молекулярной и ионной формах.
Рассмотрите их с позиции окисления−восстановления.
Далее поместите в две другие пробирки по одинаковой грануле цинка и прилейте к ним растворы кислот одинаковой концентрации: в 1−ю − соляной кислоты, во 2−ю − уксусной. Природа какого реагента оказывает влияние на скорость взаимодействия кислоты с металлом? Почему? Зацишите уравнения реакций в молекулярной и ионной формах. Рассмотрите их с позиции окисления восстановления.

Ответ:

Зависимость скорости химической реакции от природы реагирующих веществ на примере взаимодействия кислот с металлами
Поместили в одну пробирку гранулу цинка, а в другую − кусочек железа такого же размера и налили в обе пробирки по 1−2 мл соляной кислоты.
Быстрее реакция протекает в пробирке с цинком, так как цинк − более активный металл, чем железо.
$2HCl + Zn = ZnCl_{2} + H_{2}↑$
$2H^{+} + 2Cl^{-} + Zn = Zn^{2+} + 2Cl^{-} + H_{2}↑$
$2H^{+} + Zn = Zn^{2+} + H_{2}↑$
$2H^{+} + 2ē ⟶ H_{2}^{0}$ − окислитель
$Zn^{0} - 2ē ⟶ Zn^{+2}$ − восстановитель
$2HCl + Fe = FeCl_{2} + H_{2}↑$
$2H^{+} + 2Cl^{-} + Fe = Fe^{2+} + 2Cl^{-} + H_{2}↑$
$2H^{+} + Fe = Fe^{2+} + H_{2}↑$
$2H^{+} + 2ē ⟶ H_{2}^{0}$ − окислитель
$Fe^{0} - 2ē ⟶ Fe^{+2}$ − восстановитель
Далее поместили в две другие пробирки по одинаковой грануле цинка и прилили к ним растворы кислот одинаковой концентрации: в 1−ю − соляной кислоты, во 2−ю − уксусной.
Быстрее реакция протекает в пробирке с соляной кислотой, так как соляная кислота − более сильная, чем уксусная.
$2HCl + Zn = ZnCl_{2} + H_{2}↑$
$2H^{+} + 2Cl^{-} + Zn = Zn^{2+} + 2Cl^{-} + H_{2}↑$
$2H^{+} + Zn = Zn^{2+} + H_{2}↑$
$2H^{+} + 2ē ⟶ H_{2}^{0}$ − окислитель
$Zn^{0} - 2ē ⟶ Zn^{+2}$ − восстановитель
$2CH_{3}COOH + Zn = (CH_{3}COO)_{2}Zn + H_{2}↑$
$2H^{+} + 2ē ⟶ H_{2}^{0}$ − окислитель
$Zn^{0} - 2ē ⟶ Zn^{+2}$ − восстановитель

Лабораторный опыт №5

Зависимость скорости химической реакции от концентрации реагирующих веществ на примере взаимодействия цинка с соляной кислотой различной концентрации
Налейте в три пробирки соляную кислоту: в 1−ю пробирку 3 мл, во 2−ю − 2 мл, в 3−ю − 1 мл. Затем добавьте во 2−ю пробирку 1 мл воды, а и 3−ю − 2 мл. Следовательно, в пробирках одинаковые объёмы раствора кислоты, которые, однако, будут отличаться концентрацией. В какой из пробирок концентрация кислоты
выше, а в какой ниже? Поместите в каждую пробирку по грануле цинка. В какой из пробирок выделение водорода происходит интенсивнее? Почему?

Ответ:

Зависимость скорости химической реакции от концентрации реагирующих веществ на примере взаимодействия цинка с соляной кислотой различной концентрации
Налили в три пробирки соляную кислоту: в 1−ю пробирку 3 мл, во 2−ю − 2 мл, в 3−ю − 1 мл. Затем добавили во 2−ю пробирку 1 мл воды, а и 3−ю − 2 мл. Следовательно, в пробирках одинаковые объёмы раствора кислоты, которые, однако, будут отличаться концентрацией.
Концентрация кислоты выше в той пробирке, куда не приливалась вода, а ниже там, куда прилили 2 мл воды.
Поместили в каждую пробирку по грануле цинка.
В первой пробирке выделение водорода происходит интенсивнее, так как в этой пробирке концентрация кислоты наивысшая.

Лабораторный опыт №6

Зависимость скорости химической реакции от площади соприкосновения реагирующих веществ
Поместите в одну пробирку гранулу цинка (или кусочек мрамора), а в другую порошок цинка (или мраморную крошку) и налейте в обе пробирки по 1 мл соляной кислоты. В какой из пробирок скорость выделения газа выше? Почему?

Ответ:

Зависимость скорости химической реакции от площади соприкосновения реагирующих веществ
Поместили в одну пробирку гранулу цинка (или кусочек мрамора), а в другую порошок цинка (или мраморную крошку) и налили в обе пробирки по 1 мл соляной кислоты.
Скорость выделения газа будет выше в пробирке с порошком цинка (или мраморной крошкой), так как площадь соприкосновения реагирующих веществ будет больше.

Лабораторный опыт №7

Моделирование «кипящего слоя»
Смоделируйте «кипящий слой». Для этого на кольце лабораторного штатива закрепите кусочек сетчатой ткани. Насыпьте на неё 1− 2 столовые ложки манной крупы. Снизу осторожно продувайте воздух с помощью резиновой груши или насоса. Что наблюдаете?

Ответ:

Моделирование «кипящего слоя»
Смоделировали «кипящий слой». Для этого на кольце лабораторного штатива закрепили кусочек сетчатой ткани. Насыпали на неё 1− 2 столовые ложки манной крупы. Снизу осторожно продували воздух с помощью резиновой груши или насоса.
Наблюдаем подпрыгивание частиц крупы.

Лабораторный опыт №8

Зависимость скорости химической реакции от температуры реагирующих веществ на примере взаимодействия оксида меди (II) с раствором серной кислоты различной температуры
В две пробирки с помощью шпателя насыпьте немного чёрного порошка оксида меди (II) и налейте в каждую по 3−4 мл раствора серной кислоты. Одну пробирку поместите в стакан с горячей водой, другую нагрейте на пламени спиртовки (используйте пробиркодержатель). Что наблюдаете? Объясните результаты наблюдений. Запишите уравнение реакции в молекулярной и ионной формах.

Ответ:

Зависимость скорости химической реакции от температуры реагирующих веществ на примере взаимодействия оксида меди (II) с раствором серной кислоты различной температуры
В две пробирки с помощью шпателя насыпали немного чёрного порошка оксида меди (II) и налили в каждую по 3−4 мл раствора серной кислоты. Одну пробирку поместили в стакан с горячей водой, другую нагрели на пламени спиртовки.
Заметили, что в пробирке нагретой на пламени спиртовки растворение порошка оксида меди (II) произошло быстрее, чем в пробирке с горячей водой.
$CuO + H_{2}SO_{4} = CuSO_{4} + H_{2}O$
$CuO + 2H^{+} + SO_{4}^{2-} ⟶ Cu^{2+} + SO_{4}^{2-} + H_{2}O$
$CuO + 2H^{+} ⟶ Cu^{2+} + H_{2}O$

i

1. Найдите в Интернете электронные адреса, раскрывающие содержание ключевых слов и словосочетаний параграфа для создания классного банка данных.

Ответ:

Электронные адреса, раскрывающие содержание ключевых слов и словосочетаний параграфа для создания классного банка данных:
1) Сайт "Infourok".
2) Сайт "Multiurok".
3) Сайт "Foxford".

2. Используя ресурсы Интернета, подготовьте информационный продукт (по выбору): презентацию по теме урока или сообщение по одному из ключевых слов (словосочетаний) параграфа.

Ответ:

Классификация химической реакции
Химические реакции классифицируют по нескольким признакам:
1) число и состав исходных веществ и продуктов реакции;
2) направление;
3) тепловой эффект;
4) изменение степеней окисления элементов, образующих вещества, участвующие в реакции;
5) агрегатное состояние реагирующих веществ;
6) участие катализатора.
Приведем пример:
$4P + 5O_{2} = 2P_{2}O_{5}$
1) Это реакция соединения, так как из двух исходных веществ образуется одно сложное вещество.
2) Эта реакция необратимая, так как протекает только в одном направлении.
3) Это реакция экзотермическая, то есть протекает с незначительным выделением теплоты.
4) Это окислительно−восстановительная реакция, так как свои степени окисления изменили фосфор и кислород.
$P^{0} - 5ē ⟶ P^{+5}$
$O_{2} - 4ē ⟶ 2O^{-2}$
5) Эта реакция гетерогенная, так как протекает между твердым веществом и газом.
6) Реакция протекает без участия катализатора − некаталитическая.

?

1. Что такое химическая реакция? В чём суть химических процессов?

Ответ:

Химическая реакция − это ответное действие веществ на воздействие других веществ и физических факторов.
В результате химической реакции разрушаются старые химические связи, а возникают новые и, как следствие, из исходных веществ образуются новые вещества.

2.Дайте полную классификационную характеристику следующих химических процессов:
а) горению фосфора;
б) взаимодействию раствора серной кислоты с алюминием;
в) реакции нейтрализации;
г) образованию оксида азота (IV) из оксида азота (II) и кислорода.

Ответ:

а) $4P + 5O_{2} = 2P_{2}O_{5}$
1) Это реакция соединения, так как из двух исходных веществ образуется одно сложное вещество.
2) Эта реакция необратимая, так как протекает только в одном направлении.
3) Это реакция экзотермическая, то есть протекает с незначительным выделением теплоты.
4) Это окислительно−восстановительная реакция, так как свои степени окисления изменили фосфор и кислород.
$P^{0} - 5ē ⟶ P^{+5}$
$O_{2} - 4ē ⟶ 2O^{-2}$
5) Эта реакция гетерогенная, так как протекает между твердым веществом и газом.
6) Реакция протекает без участия катализатора − некаталитическая.

б) $2Al + 3H_{2}SO_{4} = Al_{2}(SO_{4})_{3} + 3H_{2}$
1) Это реакция замещения, так как из исходных простого и сложного веществ образуются новое простое и новое сложное вещества.
2) Эта реакция необратимая, так как протекает только в одном направлении.
3) Это реакция экзотермическая, то есть протекает с незначительным выделением теплоты.
4) Это окислительно−восстановительная реакция, так как свои степени окисления изменили алюминий и водород.
$Al^{0} - 3ē ⟶ Al^{+3}$
$2H^{+} - 2ē ⟶ H_{2}^{0}$
5) Эта реакция гетерогенная, так как протекает между твердым веществом и раствором.
6) Реакция протекает без участия катализатора − некаталитическая.

в) $HCl + KOH = KCl + H_{2}O$
1) Это реакция обмена, так как из исходных сложных веществ образуются новые сложные вещества.
2) Эта реакция необратимая, так как протекает только в одном направлении.
3) Это реакция экзотермическая, то есть протекает с незначительным выделением теплоты.
4) Это не окислительно−восстановительная реакция, так как степени окисления не изменяются.
5) Эта реакция гетерогенная, так как протекает между твердым веществом и раствором.
6) Реакция протекает без участия катализатора − некаталитическая.

г) $2NO + O_{2} = 2NO_{2}$
1) Это реакция соединения, так как из двух исходных веществ образуется новое сложное вещество.
2) Эта реакция необратимая, так как протекает только в одном направлении.
3) Это реакция экзотермическая, то есть протекает с незначительным выделением теплоты.
4) Это окислительно−восстановительная реакция, так как свои степени окисления изменили азот и кислород.
$N^{+2} - 2ē ⟶ N^{+4}$
$O_{2} - 4ē ⟶ 2O^{-2}$
5) Эта реакция гомогенная, так как протекает между двумя газообразными веществами.
6) Реакция протекает без участия катализатора − некаталитическая.

3. На основе личного опыта приведите примеры химических реакций, протекающих с различной скоростью.

Ответ:

Реакция образования ржавчины протекает с небольшой скоростью:
$4Fe + 3O_{2} + 6H_{2}O = 4Fe(OH)_ {3}$
Реакция взаимодействие водорода и азота протекает с большой скоростью:
$N_{2} + 3H_{2} = 2NH_{3}$

4. Что такое скорость химической реакции? От каких факторов она зависит?

Ответ:

Скорость химической реакции − это изменение концентрации реагирующих веществ в единицу времени.
Скорость химической реакции зависит от:
1) природы реагирующих веществ;
2) концентрации реагирующих веществ;
3) площади соприкосновения реагирующих веществ;
4) температуры;
5) наличия катализатора.

5. Приведите примеры влияния различных факторов на биохимические и производственные химические процессы.

Ответ:

Концентрацию газообразных веществ для гомогенных производственных процессов повышают, увеличивая давление. Например, так поступают при производстве серной кислоты, аммиака, этилового спирта.
Фактор зависимости скорости химической реакции от концентрации реагирующих веществ учитывается не только на производстве, но и в других областях жизнедеятельности человека, например, в медицине. Больным с заболеваниями легких, у которых скорость взаимодействия гемоглобина крови с кислородом воздуха низкая, облегчают дыхание с помощью кислородных подушек.

6. На основе личного опыта приведите примеры влияния различных факторов на химические реакции, протекающие в повседневной жизни.

Ответ:

Природа реагирующих веществ: ртуть не растворяется в соляной кислоте, в отличие алюминия.
Концентрация реагирующих веществ: гидрокарбонат натрия быстрее реагирует с 9% уксусом, чем с 3%.
Площадь соприкосновения реагирующих веществ: медный порошок быстрее реагирует с кислородом, чем гранула меди.
Температура: для ускорения дрожжевого брожения повышают температуру.

7. Почему продукты питания хранят в холодильнике?

Ответ:

Продукты питания хранят в холодильнике, так как там низкая температура, поэтому продукты питания дольше хранятся. Высокие температуры ускоряют процесс брожения, из−за которого продукты портятся.

8. Химическую реакцию начали проводить при температуре 100°C, затем подняли до 150°C. Температурный коэффициент этой реакции равен 2. Во сколько раз возрастёт скорость химической реакции?

Ответ:

Дано:
$t_{1}$ = 100°C
$t_{2}$ = 150°C
γ = 2
Найти:
$\frac{v_{2}}{v_{1}}$ = ?
Решение:
По закону Вант−Гоффа при повышении температуры на каждые 10°С скорость химической реакции возрастает в 2−4 раза (эта величина называется температурным коэффициентом).
$v_{2}$ = $v_{1}$ * $γ^{\frac{t_{2}-t_{1}}{10}}$
$\frac{v_{2}}{v_{1}}$ = $2^{\frac{150 - 100}{10}}$ = $2^{5}$ = 32.
Ответ: скорость химической реакции возрастет в 32 раза.