Решение задач по разделу «Химическая термодинамика и кинетика»
Тема «Химическая термодинамика и кинетика», предполагающая изучение условий, влияющих на скорость химической реакции, встречается в школьном курсе химии дважды – в 9-м и в 11-м классах. Однако именно эта тема является одной из наиболее трудных и достаточно сложной не только для понимания «средним» учеником, но даже для изложения некоторыми учителями, особенно неспециалистами, работающими в сельской местности, для которых химия является дополнительным предметом, с учетом часов которого у педагога набирается ставка, а значит, и надежда на более-менее приличную зарплату. В условиях резкого уменьшения числа учащихся в сельских школах, в силу хорошо известных причин, учитель вынужден быть универсалом. Посетив 2–3 курса, он начинает преподавание предметов, зачастую очень далеких от его основной специальности. Данная разработка ориентирована в первую очередь на начинающих учителей и предметников, вынужденных преподавать химию в условиях рыночной экономики. Материал содержит задачи на нахождение скоростей гетерогенных и гомогенных реакций и увеличения скорости реакции при повышении температуры. Несмотря на то, что данные задачи базируются на школьном, хотя и сложном для усвоения «средним» учеником материале, целесообразно прорешать несколько из них на уроке химии в 11-м классе, а остальные предложить на кружковом или факультативном занятии учащимся, которые планируют свою дальнейшую судьбу связать с химией. Помимо подробно разобранных и снабженных ответами задач данная разработка содержит теоретический материал, который поможет учителю химии, в первую очередь неспециалисту, понять суть этой сложной темы курса общей химии. С опорой на предлагаемый материал можно создать свой вариант урока-лекции, в зависимости от способностей учащихся в классе, причем использовать предложенную теоретическую часть можно при изучении этой темы как в 9-м, так и в 11-м классе. Наконец, материал, содержащийся в данной разработке, будет нелишним разобрать самостоятельно выпускнику, готовящемуся к поступлению в вуз, в том числе и в тот, в котором химия является профилирующим предметом.
Условия, влияющие на скорость химической реакции
1. Скорость химической реакции зависит от природы реагирующих веществ.
Металлический натрий, имеющий щелочную природу, бурно реагирует с водой с выделением большого количества теплоты, в отличие от цинка, имеющего амфотерную природу, который реагирует с водой медленно и при нагревании:
Порошкообразное железо более энергично взаимодействует с сильной минеральной соляной кислотой, чем со слабой органической уксусной кислотой:
2. Скорость химической реакции зависит от концентрации реагирующих веществ, находящихся в растворенном или газообразном состоянии.
В чистом кислороде сера горит более энергично, чем на воздухе:
С 30%-м раствором соляной кислоты порошкообразный магний реагирует более энергично, чем с 1%-м ее раствором:
3. Скорость химической реакции прямо пропорциональна площади поверхности реагирующих веществ, находящихся в твердом агрегатном состоянии.
Кусок древесного угля (углерод) очень трудно поджечь спичкой, но древесная угольная пыль сгорает со взрывом:
Алюминий в виде гранулы не реагирует с кристаллом йода количественно, но измельченный йод энергично соединяется с алюминием в виде пудры:
4. Скорость химической реакции зависит от температуры, при которой происходит процесс.
При повышении температуры на каждые 10 °С скорость большинства химических реакций увеличивается в 2–4 раза. Конкретное увеличение скорости химической реакции определяется особым температурным коэффициентом (гамма).
Рассчитаем, во сколько раз возрастет скорость реакции:
если температурный коэффициент равен 3, а температура процесса возросла с 10 °С до 50 °С.
Изменение температуры составляет:
t = 50 °С – 10 °С = 40 °С.
где – скорость химической реакции при повышенной температуре, – скорость химической реакции при начальной температуре.
Следовательно, скорость химической реакции при повышении температуры с 10 °С до 50 °С возрастет в 81 раз.
5. Скорость химической реакции зависит от присутствия некоторых веществ.
Катализатор – это вещество, ускоряющее ход химической реакции, но само в процессе реакции не расходующееся. Катализатор понижает активационный барьер химической реакции.
Ингибитор – это вещество, замедляющее ход химической реакции, но само в процессе реакции не расходующееся.
Катализатором, ускоряющим ход данной химической реакции, является оксид марганца(IV).
Катализатором, ускоряющим ход данной химической реакции, является красный фосфор.
Ингибитором, замедляющим ход данной химической реакции, является вещество органической природы – уротропин (гексаметилентетрамин).
• Скорость гомогенной химической реакции измеряется числом молей вещества, вступившего в реакцию или образовавшегося в результате реакции за единицу времени в единице объема:
где гомог – скорость химической реакции в гомогенной системе, – число молей одного из вступивших в реакцию или одного из образовавшихся в результате реакции веществ, V – объем, t – время, – изменение числа молей вещества за время реакции t.
Поскольку отношение числа молей вещества к объему системы представляет собой концентрацию с, то
Скорость гомогенной химической реакции измеряется в моль/(л•с).
Учитывая это, можно дать следующее определение:
• скорость гомогенной химической реакции равна изменению концентрации одного из вступивших в реакцию или одного из образующихся в результате реакции веществ в единицу времени.
Если реакция протекает между веществами в гетерогенной системе, то реагирующие вещества соприкасаются между собой не во всем объеме, а только на поверхности твердого тела. Так, например, при горении кусочка кристаллической серы молекулы кислорода реагируют только с теми атомами серы, которые находятся на поверхности кусочка. При измельчении кусочка серы площадь реагирующей поверхности возрастает, и скорость горения серы увеличивается.
В связи с этим определение скорости гетерогенной химической реакции следующее:
• скорость гетерогенной химической реакции измеряется числом молей вещества, вступившего в реакцию или образовавшегося в результате реакции в единицу времени на единице поверхности:
где S – площадь поверхности.
Скорость гетерогенной химической реакции измеряется в моль/(см 2 •с).
Задачи по теме «Химическая термодинамика и кинетика»
1. В сосуд для проведения химических реакций ввели 4 моль оксида азота(II) и избыток кислорода. Через 10 с количество вещества оксида азота(II) оказалось равным 1,5 моль. Найдите скорость данной химической реакции, если известно, что объем сосуда равен 50 л.
2. Количество вещества метана в сосуде для проведения химических реакций равно 7 моль. В сосуд ввели избыток кислорода и смесь взорвали. Опытным путем было установлено, что через 5 с количество вещества метана уменьшилось в 2 раза. Найдите скорость данной химической реакции, если известно, что объем сосуда равен 20 л.
3. Начальная концентрация сероводорода в сосуде для сжигания газов была равна 3,5 моль/л. В сосуд ввели избыток кислорода и смесь взорвали. Через 15 с концентрация сероводорода составила 1,5 моль/л. Найдите скорость данной химической реакции.
4. Начальная концентрация этана в сосуде для сжигания газов была равна 5 моль/л. В сосуд ввели избыток кислорода и смесь взорвали. Через 12 с концентрация этана составила 1,4 моль/л. Найдите скорость данной химической реакции.
5. Начальная концентрация аммиака в сосуде для сжигания газов была равна 4 моль/л. В сосуд ввели избыток кислорода и смесь взорвали. Через 3 с концентрация аммиака составила 1 моль/л. Найдите скорость данной химической реакции.
6. Начальная концентрация оксида углерода(II) в сосуде для сжигания газов была равна 6 моль/л. В сосуд ввели избыток кислорода и смесь взорвали. Через 5 с концентрация оксида углерода(II) уменьшилась вдвое. Найдите скорость данной химической реакции.
7. Кусочек серы с площадью реагирующей поверхности 7 см 2 сожгли в кислороде с образованием оксида серы(IV). За 10 с количество вещества серы уменьшилось с 3 моль до 1 моль. Найдите скорость данной химической реакции.
8. Кусочек углерода с площадью реагирующей поверхности 10 см 2 сожгли в кислороде с образованием оксида углерода(IV). За 15 с количество вещества углерода уменьшилось с 5 моль до 1,5 моль. Найдите скорость данной химической реакции.
9. Кубик магния с общей площадью реагирующей поверхности 15 см 2 и количеством вещества 6 моль сожгли в избытке кислорода. При этом через 7 с после начала реакции количество вещества магния оказалось равным 2 моль. Найдите скорость данной химической реакции.
10. Брусок из кальция с общей площадью реагирующей поверхности 12 см 2 и количеством вещества 7 моль сожгли в избытке кислорода. При этом через 10 с после начала реакции количество вещества кальция оказалось в 2 раза меньше. Найдите скорость данной химической реакции.