Решение задач по разделу
«Химическая термодинамика и кинетика»

АВТОРСКАЯ РАЗРАБОТКА

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.

Теоретическая часть по теме
«Химическая термодинамика и кинетика»

Условия, влияющие на скорость химической реакции

1. Скорость химической реакции зависит от природы реагирующих веществ.

П р и м е р ы.

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.

П р и м е р ы.

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.

П р и м е р ы.

Кусок древесного угля (углерод) очень трудно поджечь спичкой, но древесная угольная пыль сгорает со взрывом:

С + О₂ = СО₂.

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.

П р и м е р.

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:

2NO + O₂ = 2NO₂,

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.

Используем формулу:

где – скорость химической реакции при повышенной температуре, – скорость химической реакции при начальной температуре.

Тогда

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.

П р и м е р ы.

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

Следовательно:

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/(см²•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 см² 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 см² 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 см² 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 см² 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.

Решения и ответы

1.

Дано:

₁(NO) = 4 моль,

О₂ – избыток,

t₂ = 10 c,

t₁ = 0 c,

₂(NO) = 1,5 моль,

V = 50 л.

Найти:

_р-ции.

Решение

2NO + О₂ = 2NO₂.

Используя формулу:

_р-ции = (4 – 1,5)/(50•(10 – 0)) = 0,005 моль/(л•с).

Ответ. _р-ции = 0,005 моль/(л•с).

2.

Дано:

₁(CH₄) = 7 моль,

О₂ – избыток,

t₂ = 5 c,

t₁ = 0 c,

₂(CH₄) = 3,5 моль,

V = 20 л.

Найти:

_р-ции.

Решение

CH₄ + 2О₂ = СО₂ + 2Н₂О.

Используя формулу:

найдем скорость данной химической реакции:

_р-ции = (7 – 3,5)/(20•(5 – 0)) = 0,035 моль/(л•с).

Ответ. _р-ции = 0,035 моль/(л•с).

3.

с₁(H₂S) = 3,5 моль/л,

О₂ – избыток,

t₂ = 15 c,

t₁ = 0 c,

с₂(H₂S) = 1,5 моль/л.

Найти:

_р-ции.

Решение

2H₂S + 3О₂ = 2SО₂ + 2Н₂О.

Используя формулу:

найдем скорость данной химической реакции:

_р-ции = (3,5 – 1,5)/(15 – 0) = 0,133 моль/(л•с).

Ответ. _р-ции = 0,133 моль/(л•с).

4.

с₁(С₂H₆) = 5 моль/л,

О₂ – избыток,

t₂= 12 c,

t₁ = 0 c,

c₂(С₂H₆) = 1,4 моль/л.

Найти:

_р-ции.

Решение

2С₂H₆ + 7О₂ = 4СО₂ + 6Н₂О.

Используя формулу:

найдем скорость данной химической реакции:

_р-ции = (5 – 1,4)/(12 – 0) = 0,3 моль/(л•с).

Ответ. _р-ции = 0,3 моль/(л•с).

5.

с₁(NH₃) = 4 моль/л,

О₂ – избыток,

t₂ = 3 c,

t₁ = 0 c,

с₂(NH₃) = 1 моль/л.

Найти:

_р-ции.

Решение

4NH₃ + 3О₂ = 2N₂ + 6Н₂О.

Используя формулу:

найдем скорость данной химической реакции:

_р-ции = (4 – 1)/(3 – 0) = 1 моль/(л•с).

Ответ. _р-ции. = 1 моль/(л•с).

6. Ответ. _р-ции. = 0,6 моль/(л•с).

7.

Дано:

₁(S) = 3 моль,

t₂ = 10 c,

t₁ = 0 с,

₂(S) = 1 моль,

S(кус. S) = 7 см².

Найти:

 _р-ции.

Решение

S + О₂ = SО₂.

Используя формулу:

найдем скорость данной химической реакции:

_р-ции = (3 – 1)/(7•(10 – 0)) = 0,0286 моль/(см²•с).

Ответ. _р-ции = 0,0286 моль/(см²•с).

8. Ответ. _р-ции = 0,0233 моль/(см²•с).

9.

Дано:

₁(Мg) = 6 моль,

О₂ – избыток,

t₂ = 7 c,

t₁ = 0 с,

₂(Mg) = 2 моль,

S(куб. Мg) = 15 см².

Найти:

 _р-ции.

Решение

2Мg + О₂ = 2МgО.

Используя формулу:

найдем скорость данной химической реакции:

_р-ции = (6 – 2)/(15•(7 – 0)) = 0,0381 моль/(см²•с).

Ответ. _р-ции = 0,0381 моль/(см²•с).

10. Ответ. _р-ции = 0,0292 моль/(см²•с).

Литература

Глинка Н.Л. Общая химия, 27-е изд. Под ред. В.А.Рабиновича. Л.: Химия, 1988; Ахметов Н.С. Общая и неорганическая химия. М.: Высш. шк., 1981; Зайцев О.С. Общая химия. М.: Высш. шк,, 1983; Карапетьянц М.Х., Дракин С.И. Общая и неорганическая химия. М.: Высш. шк., 1981; Корольков Д.В. Основы неорганической химии. М.: Просвещение, 1982; Некрасов Б.В. Основы общей химии. 3-е изд., М.: Химия, 1973; Новиков Г.И. Введение в неорганическую химию. Ч. 1, 2. Минск: Вышэйш. шк., 1973–1974; Щукарев С.А. Неорганическая химия. Т. 1, 2. М.: Высш. шк., 1970–1974; Шретер В., Лаутеншлегер К.-Х., Бибрак Х. и др. Химия. Справочное изд. Пер. с нем. М.: Химия, 1989; Фельдман Ф.Г., Рудзитис Г.Е. Химия-9. Учебник для 9 класса средней школы. М.: Просвещение, 1990; Фельдман Ф.Г., Рудзитис Г.Е. Химия-9. Учебник для 9 класса средней школы. М.: Просвещение, 1992.

В.А.Демидов,
учитель химии Синегорской средней школы
(с. Синегорье, Нагорский р-н, Кировская обл.)