ХИМИЯ 10

2. Рассчитаем массу сгоревшего алюминия:

m(Al) = n(Al)·M(Al) = 0,1 моль·27 г/моль = 2,7 г. Ответ: 0,1 моль; 2,7 г.

Термохимические исследования и расчёты широко используются в научных целях, в том числе и для определения энергетической ценности (калорийности) различных видов топлива, кормов для животных, продуктов питания.

В целом, чем больше теплоты выделяется при сгорании данного продукта, тем выше его калорийность, т. е. питательные свойства.

Протекание любой химической реакции сопровождается выделением или поглощением теплоты.

Количество теплоты, выделяющейся или поглощающейся в ходе реакции, называется её тепловым эффектом. Уравнения реакций, в которых указываются их тепловые эффекты, называются термохимическими.

Вопросы и задания

1. Укажите, какие из реакций, схемы которых приведены ниже, относятся к экзотермическим, а какие — к эндотермическим:

а) 2KNO3 =t 2KNO2 + O2↑ – Q;

б) CO + 2H2 =t CH3OH + Q;

в) CH4 + H2O =t 3H2 + CO – Q;

г) 2NaOH + H2SO4 = Na2SO4 + 2H2O + Q.

2.Что обозначает утверждение: «Тепловой эффект реакции горения магния в кислороде равен +1202 кДж»? Напишите соответствующее термохимическое уравнение реакции.

3.Используя данные, приведённые в задании 2, рассчитайте количество теплоты, выделившейся в результате сгорания в кислороде магния массой 9,6 г.

4.Ацетилен С2Н2 химическим количеством 0,1 моль сожгли в кислороде, в результате чего выделилось 130 кДж теплоты. Рассчитайте тепловой эффект данной реакции

инапишите её термохимическое уравнение.

5.Рассчитайте объём (н. у.) метана, сгоревшего в кислороде в соответствии с термохимическим уравнением

СН4(г) + 2О2(г) = СО2(г) + 2Н2О(г) + 804 кДж, если в результате реакции выделилось 40,2 кДж теплоты.

6. В результате сгорания серы массой 8 г в кислороде выделилось 74,25 кДж теплоты. Рассчитайте тепловой эффект данной реакции и напишите её термохимическое уравнение.

7. В результате полного термического разложения образца карбоната кальция выделился углекислый газ объёмом (н. у.) 6,72 дм3. Рассчитайте тепловой эффект данной реакции и напишите её термохимическое уравнение, если известно, что в указанном эксперименте поглотилось 53,4 кДж теплоты.

§ 26. Скорость химических реакций

Вы уже знаете, что для осуществления различных химических реакций требуются разные интервалы времени. Например, процесс, во время которого на железе во влажном воздухе образуется ржавчина, длится в течение нескольких лет или даже десятилетий. В то же время железная канцелярская скрепка растворяется в соляной кислоте в течение 15–20 минут. Эти примеры свидетельствуют о том, что химические реакции осуществляются с разной скоростью.

Чем же определяется скорость химических реакций? Рассмотрим это на примере реакции, выражающейся условным уравнением:

А+ В = С + D.

Стечением времени химические количества исходных веществ n(А) и n(В) уменьшаются, а химические количества продуктов реакции n(С) и n(D) увеличиваются. Чем быстрее происходит это изменение, тем больше скорость химической реакции, и наоборот — чем медленнее изменяются количества веществ

входе реакции, тем меньше её скорость.

Для определения величины скорости химической реакции v нужно знать изменение химического количества n какого-либо одного вещества (А, В, С или D),

произошедшее за интервал времени t, и объём сосуда V, в котором идёт реакция.

'n

Соотношение этих величин, записанное в виде дроби V 't, является математичес-

ким выражением скорости химической реакции в указанном интервале времени. Вы уже знаете (см. § 8), что величина, равная отношению химического количества вещества n к объёму V реакционной смеси, называется молярной кон-

центрацией этого вещества с:

с(в-ва) = n(в ва).

V

v = r 'c(в ва) (моль/дм3·с).

't

Из него следует определение:

Скорость химической реакции — величина, равная отношению изменения молярной концентрации вещества к интервалу времени, в течение которого произошло данное изменение.

Рис. 38. Изменение концентрации вещества А (1) и вещества D (2) со временем

Поскольку вещество А, вступая в реакцию, постепенно расходуется, изменение его концентрации с(А) = с2(А) – с1(А) имеет отрицательное значение (рис. 38, 1). С учётом того, что скорость реакции — только положительная величина, в уравнении скорости реакции перед дробью ставится знак «–»:

В то же время продукты реакции накапливаются, поэтому изменение их концентраций, например с(D), имеет положительное значение (рис. 38, 2), и в уравнении скорости реакции перед дробью ставится знак «+»:

Скорость реакции по мере её протекания уменьшается (рис. 39) и через некоторое время реакция заканчивается.

Рис. 39. Изменение скорости реакции со временем

Раздел химии, посвящённый изучению скорости химических реакций, называется химической кинетикой (от греч. кинесис — движение). Знание её законов позволяет грамотно управлять различными химическими реакциями.

Скорость химической реакции определяется изменением молярной концентрации одного из реагентов или одного из продуктов реакции за единицу времени.

Вопросы и задания

1.Как изменяются химические количества исходных веществ и продуктов в ходе химических реакций?

2.Как, зная изменение химического количества вещества за определённый интервал времени, можно рассчитать среднюю скорость химической реакции? Напишите соответствующее уравнение.

3.В каких единицах выражается скорость химических реакций? Что значит выражение: «Скорость химической реакции равна 0,285 моль/дм3 · с»?

4.Химическая реакция между газами X + Y = Z + D протекала в сосуде объёмом 2 дм3.

Вначальный момент времени химическое количество вещества Y составляло 0,5 моль, а через 10 секунд оно оказалось равным 0,3 моль. Рассчитайте скорость данной реакции в указанном интервале времени.

5.Как и почему изменяются молярные концентрации исходных веществ по мере протекания реакций? Что при этом происходит с концентрациями продуктов реакций?

6.В начале реакции A + 2B = C концентрация газа А была равна 0,3 моль/дм3. Через 20 с она оказалась равной 0,2 моль/дм3. Рассчитайте скорость этой реакции в указанном

интервале времени. Как при этом изменились концентрации газов В и С?

§ 27. Факторы, влияющие на скорость химических реакций

От чего же зависит скорость химических реакций, какие факторы определяют её величину? Такими факторами являются природа реагирующих веществ, их концентрации, температура, присутствие катализаторов, площадь поверхности соприкосновения реагентов. Познакомимся с каждым из них подробнее.

Химическая природа реагирующих веществ

Поскольку химическая природа различных веществ неодинакова, они обладают разными химическими свойствами, разной реакционной способностью. Например, при комнатной температуре оксид азота(II) реагирует с кислородом быстро, а оксид углерода(II) в тех же условиях окисляется медленно. Почему эти оксиды, в равной мере контактирующие с кислородом, окисляются с разной скоростью? Ответ на этот вопрос в следующем. Из огромного числа частиц (в нашем примере — молекул NO и CO) в реакцию вступают лишь те, которые обладают необходимым для этого повышенным запасом энергии. Такие частицы называются активными. Чем больше доля активных частиц в веществе, тем выше скорость реакции с его участием, и наоборот. При комнатной температуре число активных молекул в оксиде азота(II) намного больше, чем в оксиде углерода(II). Именно поэтому NO окисляется кислородом намного быстрее, чем CO.

Для того чтобы реакция протекала с заметной скоростью, неактивные частицы нужно перевести в активное состояние, сообщив им недостающую энергию, например, нагревая вещество. Эта энергия называется энергией актива-

ции Ea. Таким образом, энергия активации — это минимальная энергия

(кДж/моль), которую необходимо сообщить неактивным частицам реагирующих веществ для перевода их в активное состояние.

Получая извне избыточную энергию, неактивные частицы преодолевают так называемый энергетический барьер (рис. 40) подобно человеку, который преодолевает высокую гору, предварительно получив энергию из пищи.

Каждая реакция характеризуется строго определённым значением энергии активации, от величины которой зависит скорость химического взаимодействия. Чем меньше величина энергии активации Ea реакции, тем ниже «энергетический барьер», тем выше скорость реакции; чем больше величина энергии активации Ea реакции, тем её скорость ниже.

Рис. 40. Энергетическая диаграмма реакции А2 + В2 = 2АВ

Температура

Поскольку у разных реакций значения энергии активации Еа сильно различаются, то и скорости этих реакций при одной и той же температуре всегда различны.

Как показывает эксперимент, скорость химических реакций сильно зависит от температуры. При её повышении неактивные молекулы поглощают энергию, равную или большую энергии активации, и становятся активными. Поскольку число активных молекул возрастает, скорость реакции увеличивается.

Количественную зависимость скорости реакций от температуры установил в 1884 году голландский химик Вант-Гофф. Он сформулировал правило, которое назвали его именем: «При повышении температуры на каждые 10 С скорость большинства химических реакций увеличивается в 2–4 раза». Математическое выражение этой зависимости имеет вид:

vt2 J't vt1 10 .

В этом уравнении:

vt2 — скорость реакции при более высокой температуре t2; vt1 — скорость реакции при более низкой температуре t1;t — разность температур;

(гамма) — температурный коэффициент скорости реакции. Он принимает значения от 2 до 4 и показывает, во сколько раз увеличивается скорость реакции при повышении температуры на каждые 10 С.

Концентрация реагирующих веществ

Чем выше молярные концентрации исходных веществ в смеси, тем больше частиц содержится в ней и тем чаще эти частицы сталкиваются между собой, а это, как вы уже знаете, приводит к увеличению скорости реакции. При уменьшении молярных концентраций реагентов число сталкивающихся частиц становится меньше и скорость их взаимодействия понижается.

Чтобы изучить влияние температуры и концентраций реагирующих веществ на скорость химических реакций, проведём небольшой эксперимент.

Лабораторный опыт 2

Исследование влияния температуры и концентрации кислоты на скорость взаимодействия цинка и соляной кислоты

1.В пробирку поместите одну гранулу цинка и прилейте небольшой объём соляной кислоты с молярной концентрацией HCl, равной 0,1 моль/дм3. Отметьте интенсивность выделения водорода. Затем прилейте в пробирку столько воды, чтобы объём раствора увеличился в 2 раза. При этом концентрация кислоты уменьшится в 2 раза. Сравните интенсивность выделения газа с первоначальной и сделайте вывод о влиянии концентрации кислоты на скорость её взаимодействия с цинком.

2.Нагрейте содержимое пробирки и обратите внимание на увеличение интенсивности выделения водорода. Сделайте вывод о влиянии температуры на скорость реакции.

Катализаторы

Один из важнейших способов увеличения скорости реакций — проведение их в присутствии катализаторов. Из курсов химии 7-го и 8-го классов вы знае-

те, что катализаторы — это вещества, ускоряющие химические реакции.

В присутствии катализаторов скорость реакций увеличивается в тысячи и даже миллионы раз. Катализаторы активно участвуют в химических реакциях, но, в отличие от реагентов, остаются химически неизменными.

Катализаторы — вещества, которые увеличивают скорость химических реакций, но сами при этом не расходуются и не входят в состав конечных веществ.

Увеличение скорости реакций в присутствии катализаторов называется ката-

лизом. Различают гомогенный и гетерогенный катализ. При гомогенном ка-

тализе катализатор и реагенты находятся в одной фазе, а при гетерогенном — в разных фазах.

Рис. 41. Энергетическая схема гомогенного катализа реакции А2 + В2 = 2АВ

Почему же в присутствии катализаторов скорость реакции увеличивается? Оказывается, катализатор «направляет» реакцию по «более лёгкому пути», уменьшая её энергию активации. Рассмотрим это на примере реакции А2 + В2 = 2АВ. Без катализатора (рис. 41, кривая а) эта реакция протекает медленно, так как её энергия активации Еа1 высока. При гомогенном катализе (рис. 41, кривая б) в присутствии катализатора К он реагирует с одним из исходных веществ, например А2, образуя активное промежуточное соединение 2А·K:

А2 + K = 2А·K (энергия активации Еа2).

Оно быстро взаимодействует с другим реагентом В2, превращаясь в смесь продукта реакции — вещества АВ — с катализатором K, который выделяет-

ся в исходном количестве:

2А·K + В2 = 2АВ + K (энергия активации Еа3).

Поскольку энергии активации этих промежуточных процессов Еа2 и Еа3 меньше Еа1, в присутствии катализатора реакция в целом протекает быстрее по общему уравнению:

А2 + K + В2 = 2АВ + K.

Выделившийся катализатор ускоряет взаимодействие новых порций исходных веществ.

Таким образом, чем больше площадь поверхности соприкосновения исходных веществ, тем больше реагирующих частиц сталкиваются друг с другом и тем выше скорость их взаимодействия.

Исходя из этого, для увеличения скорости гетерогенных реакций с участием твёрдых веществ их предварительно измельчают до состояния мелких кусочков или порошка.

На скорость химических реакций влияют: природа реагирующих веществ, величина энергии активации реакции, температура, концентрации реагентов, катализаторы, площадь поверхности соприкосновения реагирующих веществ.

Вопросы и задания

1.Перечислите факторы, влияющие на скорость химических реакций.

2.Почему при комнатной температуре оксид азота NO реагирует с кислородом намного быстрее, чем оксид углерода(II)?

3.Что такое энергия активации реакции? Как зависит скорость химической реакции от величины энергии её активации?

4.Как и почему изменяется скорость химических реакций при повышении температуры? Как нужно изменить температуру для уменьшения скорости химической реакции? Почему скоропортящиеся продукты нужно хранить в холодильнике?

5.Имеются растворы, в которых молярные концентрации HCl равны 2 моль/дм3 и 1 моль/дм3. В каждый из этих растворов поместили одинаковые по величине кусочки мрамора CaCO3. Какой из них растворится быстрее? Почему?

6.Какие вещества называются катализаторами? Какие два вида катализа вы знаете? В чём заключается суть гомогенного катализа?

7.Почему мелкодисперсный порошок железа при комнатной температуре самовоспламеняется на воздухе, а железный гвоздь — нет?

§ 28. Обратимые химические реакции

Изучая химические свойства различных веществ, вы до сих пор знакомились с необратимыми реакциями. Они называются так потому, что протекают лишь в одном направлении, в результате чего исходные вещества полностью превращаются в продукты реакций. В уравнениях необратимых химических реакций между формулами исходных и конечных веществ ставится знак «=».

После начала необратимой реакции концентрации исходных веществ постепенно уменьшаются, вследствие чего её скорость также уменьшается. Через не-