Натрий энергичнее реагирует с водой чем железо поскольку

Спросите Итана: каковы квантовые причины реакции натрия с водой?

Если поместить кусочек натрия в воду, можно вызвать бурную, часто взрывную реакцию

Иногда мы узнаём что-то в начале жизни и просто принимаем, как данность, что мир работает именно так. К примеру, если бросить кусочек чистого натрия в воду, можно получить легендарную взрывную реакцию. Как только кусочек намокнет, реакция заставляет его шипеть и разогреваться, он прыгает по поверхности воды и даже выдаёт язычки пламени. Это, конечно, просто химия. Но не происходит ли чего-то ещё на фундаментальном уровне? Именно это и хочет узнать наш читатель Семён Стопкин из России:

Какие силы управляют химическими реакциями, и что происходит на квантовом уровне? В частности, что происходит, когда вода взаимодействует с натрием?

Реакция натрия с водой — это классика, и у неё есть глубокое объяснение. Начнём с изучения прохождения реакции.

Первое, что нужно знать о натрии — на атомном уровне у него всего на один протон и один электрон больше, чем у инертного, или благородного газа, неона. Инертные газы не реагируют ни с чем, и всё из-за того, что все их атомные орбитали полностью заполнены электронами. Эта сверхстабильная конфигурация рушится, когда вы переходите на один элемент далее в периодической таблице Менделеева, и это происходит со всеми элементами, демонстрирующими похожее поведение. Гелий сверхстабилен, а литий чрезвычайно активен химически. Неон стабилен, а натрий активен. Аргон, криптон и ксенон — стабильны, но калий, рубидий и цезий — активны.

Причина заключается в дополнительном электроне.

Таблица Менделеева рассортирована по периодам и группам согласно количеству свободных и занятых валентных электронов — а это первейший фактор в определении химических свойств элемента

Когда мы изучаем атомы, мы привыкаем считать ядро твёрдым, мелким, положительно заряженным центром, а электроны — отрицательно заряженными точками на орбите вокруг него. Но в квантовой физике этим дело не заканчивается. Электроны могут вести себя, как точки, в особенности если выстрелить в них другой высокоэнергетической частицей или фотоном, но если их оставить в покое, они расплываются и ведут себя, как волны. Эти волны способны самонастраиваться определённым образом: сферически (для s-орбиталей, содержащих по 2 электрона), перпендикулярно (для p-орбиталей, содержащих по 6 электронов), и далее, до d-орбиталей (по 10 электронов), f-орбиталей (по 14) и т.д.

Орбитали атомов в состоянии с наименьшей энергией находятся вверху слева, и при продвижении вправо и вниз энергии растут. Эти фундаментальные конфигурации управляют поведением атомов и внутриатомными взаимодействиями.

Заполняются эти оболочки из-за принципа запрета Паули, запрещающего двум одинаковым фермионам (например, электронам) занимать одно и то же квантовое состояние. Если в атоме электронная орбиталь заполнилась, то единственное место, где можно разместить электрон — это следующая, более высокая орбиталь. Атом хлора с удовольствием примет дополнительный электрон, поскольку ему не хватает всего одного для заполнения электронной оболочки. И наоборот, атом натрия с удовольствием отдаст свой последний электрон, поскольку он у него лишний, а все остальные заполнили оболочки. Поэтому натрий хлор так хорошо и получается: натрий отдаёт электрон хлору, и оба атома находятся в энергетически предпочтительной конфигурации.

Элементы первой группы периодической таблицы, особенно литий, натрий, калий, рубидий и т.д. теряют свой первый электрон гораздо легче всех остальных

На самом деле количество энергии, необходимое для того, чтобы атом отдал свой внешний электрон, или энергия ионизации, оказывается особенно низкой у металлов с одним валентным электроном. Из чисел видно, что гораздо легче забрать электрон у лития, натрия, калия, рубидия, цезия и т.п., чем у любого другого элемента

Кадр из анимации, демонстрирующей динамическое взаимодействие молекул воды. Отдельные молекулы H₂O имеют V-образную форму и состоят из двух атомов водорода (белые), соединённых с атомом кислорода (красные). Соседние молекулы H₂O кратковременно реагируют друг с другом через водородные связи (бело-голубые овалы)

В присутствии большого количества чрезвычайно полярных молекул воды одна из нескольких миллионов молекул распадётся на ионы гидроксила и свободные протоны — этот процесс называется автопротолиз

Последствия этого довольно важны для таких вещей, как кислоты и основания, для процессов растворения солей и активизации химических реакций, и т.п. Но нас интересует, что происходит при добавлении натрия. Натрий — этот нейтральный атом с одним плохо держащимся внешним электроном — попадает в воду. А это не просто нейтральные молекулы H₂O, это ионы гидроксила и отдельные протоны. Важны нам прежде всего протоны — они и подводят нас к ключевому вопросу:

Что энергетически предпочтительнее? Иметь нейтральный атом натрия Na вместе с отдельным протоном H+, или ион натрия, потерявший электрон Na + вместе с нейтральным атомом водорода H?

Ответ прост: в любом случае электрон перепрыгнет с атома натрия на первый же встречный отдельный протон, который попадётся ему на пути.

Потеряв электрон, ион натрия с удовольствием растворится в воде, как делает ион хлора, приобретя электрон. Гораздо более выгодно энергетически — в случае натрия — чтобы электрон спарился с ионом водорода

Именно поэтому реакция происходит так быстро и с таким выходом энергии. Но это ещё не всё. У нас получились нейтральные атомы водорода, и, в отличие от натрия, они не выстраиваются в блок отдельных атомов, связанных вместе. Водород — это газ, и он переходит в ещё более энергетически предпочтительное состояние: формирует нейтральную молекулу водорода H₂. И в результате образуется много свободной энергии, уходящей в разогрев окружающих молекул, нейтральный водород в виде газа, который выходит из жидкого раствора в атмосферу, содержащую нейтральный кислород O₂.

Удалённая камера снимает вблизи главный двигатель Шатла во время тестового прогона в космическом центре имени Джона Стенниса. Водород — предпочтительное топливо для ракет благодаря его низкому молекулярному весу и избытку кислорода в атмосфере, с которым он может реагировать

Если накопить достаточное количество энергии, водород и кислород тоже вступят в реакцию! Это яростное горение выдаёт водяной пар и огромное количество энергии. Поэтому при попадании кусочка натрия (или любого элемента их первой группы периодической таблицы) в воду случается взрывной выход энергии. Всё это происходит из-за переноса электронов, управляемого квантовыми законами Вселенной, и электромагнитных свойств заряженных частиц, составляющих атомы и ионы.

Энергетические уровни и волновые функции электронов, соответствующие различным состояниям атома водорода — хотя почти такие же конфигурации присущи всем атомам. Уровни энергии квантуются кратно постоянной Планка, но даже минимальная энергия, основное состояние, имеет две возможные конфигурации в зависимости от соотношения спинов электрона и протона

Итак, повторим, что происходит, когда кусочек натрия падает в воду:

Всё это можно просто и элегантно объяснить при помощи правил химии, и именно так это часто и делают. Однако правила, управляющие поведением всех химических реакций, происходит из ещё более фундаментальных законов: законов квантовой физики (таких, как принцип запрета Паули, управляющий поведением электронов в атомах) и электромагнетизм (управляющий взаимодействием заряженных частиц). Без этих законов и сил не будет никакой химии! И благодаря им каждый раз, уронив натрий в воду, вы знаете, чего следует ожидать. Если вы ещё не поняли — нужно надевать защиту, не брать натрий руками и отходить подальше, когда начинается реакция!

Итан Сигель – астрофизик, популяризатор науки, автор блога Starts With A Bang! Написал книги «За пределами галактики» [Beyond The Galaxy], и «Трекнология: наука Звёздного пути» [Treknology].

Источник

Натрий: способы получения и химические свойства

Натрий — это щелочной металл, серебристо-белого цвета. Легкий, очень мягкий, низкая температура плавления.

Относительная молекулярная масса Mr = 22,990; относительная плотность по твердому состоянию d = 0,968; относительная плотность по жидкому состоянию d = 0, 27; t_пл = 97,83º C; t_кип = 886º C.

Способ получения

1. Натрий получают в промышленности электролизом расплава гидроксида натрия, в результате образуется натрий, кислород и вода:

4NaOH → 4Na + O₂↑ + 2H₂O

Качественная реакция

Химические свойства

Натрий — активный металл; на воздухе реагирует с кислородом и покрывается оксидной пленкой. Воспламеняется при умеренном нагревании; окрашивает пламя газовой горелки в темно-красный цвет.

1.1. Натрий легко реагирует с галогенами с образованием галогенидов:

2Na + I₂ = 2NaI

1.2. Натрий реагирует с серой с образованием сульфида натрия:

2Na + S = Na₂S

3Na + P = Na₃P

2Na + H₂ = 2NaH

1.4. С азотом натрий реагирует при температуре 100º С и электрическом разряде с образованием нитрида:

1.5. Натрий реагирует с углеродом с образованием карбида:

1.6. При взаимодействии с кислородом при температуре 250–400º C натрий образует пероксид натрия:

2. Натрий активно взаимодействует со сложными веществами:

2Na 0 + 2 H₂ O = 2 Na + OH + H₂ 0

2Na + 2HCl = 2NaCl + H₂ ↑

2.4. Н атрий может взаимодействовать с гидроксидами:

2Na + 2NaOH = 2Na₂O + H₂

Источник

Прикладные аспекты темы «Скорость химической реакции и катализ» на уроках химии в средней школе (стр. 3 )

Из за большого объема этот материал размещен на нескольких страницах: 1 2 3

SO3(г) + H2O(г) ( H2SO4(г) ( H2SO4(туман) ; Q > 0

Туман плохо улавливается в обычной абсорбционной аппаратуре и в основном уносится с отходящими газами в атмосферу. Оптимальным абсорбентом является 98,3%-ная серная кислота (моногидрат). Действительно, над этой кислотой практически нет ни паров воды, ни паров SO3. Протекающий при этом процесс можно условно описать уравнением реакции:

SO3 + nH2SO4 + H2O = (n+1) H2SO4

Глава 3. Тесты и задачи прикладного характера

1. Равновесие реакции 2Н2S (г.) + 3О2 (г.) = 2Н2О (г.) + 2SO2 (г.) при повышении давления смещается:

в) давление не влияет на равновесие.

2. Вещество, ускоряющее ход реакции, но при этом не расходующееся:

3. Повышение температуры в реакции 2Н2 + О2 = 2Н2О + Q кДж сказывается следующим образом:

а) не оказывает влияния;

б) смещает равновесие вправо;

в) смещает равновесие влево. +

4. Натрий энергичнее реагирует с водой, чем железо, поскольку:

а) натрий – газообразный элемент;

б) натрий – катализатор этой реакции;

в) натрий – ингибитор этой реакции;

г) натрий – щелочной металл. +

5. Реакцию, протекающую с поглощением тепла, называют:

экзотермической; 3) реакцией разложения;

реакцией соединения; 4) эндотермической. +

6. Реакцию, уравнение которой 2H2O + 2Na = 2NaOH + H2( + Q, относят к реакциям:

(«17») разложения, экзотермическим;

7. Реакцию, уравнение которой 3H2+N2 ( 2NH3 + Q, относят к реакциям:

1) обратимым, экзотермическим; +

2) необратимым, экзотермическим;

3) обратимым, эндотермическим;

4) необратимым, эндотермическим.

8. В ходе химических реакций тепловая энергия реакционной системы:

может поглощаться или выделяться. +

9. С наибольшей скоростью при комнатной температуре протекает реакция взаимодействия:

углерода с кислородом;

железа с раствором уксусной кислоты;

железа с соляной кислотой;

растворов гидроксида натрия и серной кислоты. +

10. Какое из перечисленных условий не повлияет на смещение равновесия в системе: 2SO2 + O2 ( 2SО3 + Q?

(«18») повышение давления;

повышение концентрации кислорода;

11 – 12. Реакция, сопровождающаяся 11. выделением теплоты 12. поглощением теплоты называется

обратимой 3) прямой

эндотермической (12+) 4) экзотермической (11+)

13. При протекании химической реакции теплота

поглощается или выделяется +

условие недостаточно для однозначного ответа

1Скорость реакции А(г) + В(гувеличивается при

понижении концентрации А

повышении концентрации В +

нагревании 3) добавлении инертного газа

2) повышение давления + 4) охлаждении

16. Состояние химического равновесия характеризуется

изменением химической природы продуктов

(«19») постоянством концентраций веществ +

17. Состояние химического равновесия означает, что

все реагенты исчезли, полностью образовались продукты

все реагенты сохранились, полностью образовались продукты

часть реагентов исчезла, частично образовались продукты +

часть реагентов исчезла, но продукты не образовались

18. Способ, смещающий равновесие реакции CО2(r) + 2SО3(г) ( CS2(г) + 4О2(г) – Q вправо ((), — это

увеличение концентрации О2

увеличение концентрации CS2

19. Способ, смещающий равновесие реакции 2NH3(г) + 3CuO(T) ( 3Cu(T) + N2(г) + 3Н2О(ж) + Q вправо ((), — это

20. Способ, смещающий равновесие гомогенной реакции 2SO2 + О2 ( 2SO3 вправо ((), — это

уменьшение концентрации SO2

(«20») уменьшение концентрации кислорода

уменьшение концентрации продукта +

21. Способ, смещающий равновесие гомогенной реакции РСl3 + Сl2 ( РС15 влево ((), — это

уменьшение концентрации продукта

увеличение концентрации хлора

уменьшение концентрации хлора +

увеличение концентрации РС13

22. При повышении давления равновесие реакции S(T) + 2HI ( I2 + H2 сместится вправо 3) не сместится +

сместится влево 4) не знаю

23. При понижении давления равновесие реакции СO2 + Н2 ( СО + Н2O(Ж)

сместится влево + 3) не сместится

сместится вправо 4) не знаю

24. При охлаждении равновесие реакции Н2 + S ( H2S + Q

сместится влево 3) не сместится

сместится вправо + 4) не знаю

25. При нагревании равновесие реакции N2 + O2 ( 2NO – Q

сместится вправо + 3) не сместится

сместится влево 4) не знаю

26. Равновесие в гетерогенной системе СаО(т) + СО2(г) ( СаСО3(т) + Q

(«21») сместится влево (() при

добавлении СаО 3) сжатии

добавлении СаСО3 + 4) нагревании +

27. Скорость прямой реакции N2 + 3H2 ( 2NH3 + Q возрастает при:

1) увеличении концентрации азота; +

2) уменьшении концентрации азота;

3) увеличение концентрации аммиака;

4) уменьшение концентрации аммиака; +

28. При повышении температуры равновесие эндотермической химической реакции смещается в сторону:

1) продуктов реакции; +

2) исходных веществ;

3) эндотермической реакции;

4) экзотермической реакции. +

29. Какой из факторов не оказывает влияния на скорость химической реакции в растворах:

1) концентрация веществ;

2) использование катализатора;

3) использование индикатора; +

4) объем реакционного сосуда. +

30. Для увеличения выхода аммиака по уравнению реакции N2 + 3H2 ( 2NH3 + Q необходимо одновременно:

1) повысить температуру, понизить давление;

(«22») 2) повысить давление, понизить температуру; +

3) повысить давление и температуру;

4) понизить давление и температуру.

31. Скорость химической реакции между металлом и серой не зависит от:

2) площади поверхности соприкосновения веществ;

32. С наименьшей скоростью протекает реакция между:

1) железным гвоздем и 4%-ным раствором CuSO4; +

2) железной стружкой и 4%-ным раствором CuSO4;

3) железным гвоздем и 10%-ным раствором CuSO4;

2) железной стружкой и 10%-ным раствором CuSO4;

33. Химическое равновесие в системе СО2(г) + С(т) ( 2СО(г) – 173 кДж смещается в сторону продукта реакции при:

1) повышении давления;

2) повышении температуры; +

3) понижении температуры;

4) использовании катализаторов. [13 – 15]

1. Скорость химической реакции характеризует:

(«23») изменение количеств веществ за единицу времени в единице объема или единице площади; +

время, за которое заканчивается химическая реакция;

число структурных единиц вещества, вступивших в химическую реакцию;

движение молекул или ионов реагирующих веществ относительно друг друга.

2. Скорость химической реакции между медью и азотной кислотой зависит от:

3. Скорость химической реакции между цинком и кислотой зависит от:

4. При увеличении температуры на 30 °С скорость реакции возрастает в 8 раз. Чему равен температурный коэффициент реакции?

5. С большей скоростью идет взаимодействие соляной кислоты с:

1) Сu; 2) Fe; 3) Mg; 4) Zn. +

6. Скорость химической реакции горения угля в кислороде уменьшается при:

увеличении концентрации кислорода;

(«24») повышении температуры;

7. Молекулы оксида азота (IV) (бурого цвета) могут в определенных условиях димеризоваться, образовав бесцветную жидкость N2O4: 2NO2 ( N2O4 + 55 кДж/моль.

Чтобы оксид азота (IV) максимально перевести в бесцветный димер, необходимо систему:

подвергнуть облучению солнечным светом;

выдерживать при комнатной температуре длительное время.

8. Химическое равновесие в системе C4H10(г) ( C4H8(г) + H2(г) – Q

можно сместить в сторону продуктов реакции:

повышением температуры и повышением давления;

повышением температуры и понижением давления; +

понижением температуры и повышением давления;

понижением температуры и понижением давления.

11. NH4C1 = NH3 = НС1 + Q

4Cr + 3O2 = 2Cr203 + Q

эндотермической реакцией соединения (12+)

экзотермической реакцией разложения (11+)

экзотермической реакцией соединения (10+)

эндотермической реакцией разложения (9+)

13. С + СuО = СО + Сu – Q

14. Na2S + H2O = NaHS + NaOH – Q

15. CdO + H2S = CdS + H2O + Q

16. 2KI + C12 = I2( + 2KC1 + Q

экзотермической реакцией замещения (15+)

экзотермической реакцией обмена (14+)

эндотермической реакцией замещения (12+)

эндотермической реакцией обмена (13+)

17. Скорость реакции 2Н2O2 ( 2Н2O + О2( будет выше, если использовать

30%-и раствор Н2О2 без катализатора

(«26») 18. Скорость реакции Мn + кислота ( соль + Н2( будет выше при использовании

кислоты НСl и охлаждения

кислоты HF и нагревания +

кислоты НСl и нагревания

кислоты HF и охлаждения

1)2 раза 2)3 раза 3)6 раз 4) 9 раз +

20. Скорость реакции Н2(г) + I2(г) ( 2HI понизится в 16 раз при одновременном уменьшении молярных концентраций реагентов в

1) 2 раза 2) 4 раза + 3) 8 разраз

21. Скорость реакции N2 + О2 ( 2NO при уменьшении давления системы в 4 раза понизится в

1) 4 раза 2) 8 раз 3)16 раз +раза

22. Скорость реакции СО2 + Н2 ( СО + Н2О при увеличении молярных концентраций в 3 раза (СО2) и в 2 раза (Н2) возрастет в

1)2 раза 2) 3 раза 3) 5 раз 4) 6 раз +

23—24. Скорость реакции

23. С(Т) + О2 ( СО2 24. С(Т) + 2Сl2 ( ССl4 при V = const и увеличении количества реагентов в 4 раза возрастет в 1) 4 раза (23+) 2) 8 разраз (24+)раза

25. В гомогенной реакции

4НС1 + О2 ( 2С12 + 2Н2О

при повышении давления равновесие сместится

1) влево 2) вправо + 3) не сместится 4) не знаю

26. В гомогенной реакции 2H2S +3О2 ( 2SO2 + 2Н2О

(«27») при понижении давления равновесие сместится

1) влево + 2) вправо 3) не сместится 4) не знаю

27. Доменный процесс Fe2O3 + 3СО ( 2Fe + 3СО2 сопровождается экзо-эффектом, следовательно, при охлаждении выход продуктов

увеличивается + 3) не изменяется

уменьшается 4) не знаю

28. Гашение извести СаО сопровождается выделением энергии в форме теплоты, следовательно, при нагревании выход продукта

увеличивается 3) не изменяется

уменьшается + 4) не знаю

29. Выход продукта реакции СаS(т) + 2О2 ( СаSO4(т) + Q можно увеличить

добавлением CaS + 3) введением катализатора

нагреванием 4) повышением давления

30. Во сколько раз увеличивается скорость химической реакции при повышении температуры на 20 (С, если температурный коэффициент равен 3:

1) в 3 раза; 2) в 6 раз; 3) в 9 раз; + 4) в 90 раз

31. В каком случае повышение давления и понижение температуры в системе приводит к повышению выхода продукта реакции:

1) 2H2O ( 2H2 + O2 – Q

2) N2 + 3H2 ( 2NH3 + Q +

32. Как повлияет на скорость реакции СаО + СО2 ( CaCO3 увеличение давления углекислого газа в 3 раза:

1) скорость увеличится в 3 раза; +

(«28») 2) скорость уменьшится в 9 раз;

3) скорость уменьшится в 3 раза;

4) скорость не изменится.

33. Химическое равновесие в системе 2NO(г) + O2(г) ( 2NО2(г) + Q смещается в сторону продукта реакции при:

1) повышении давления; +

2) повышении температуры;

3) понижении температуры; +

4) использовании катализаторов.

34. Растворение железа в соляной кислоте будет замедляться при:

1) увеличении концентрации кислоты;

2) раздроблении железа;

3) разбавлении кислоты; +

4) повышении температуры.

35. Химическое равновесие в системе H2O(ж) + SO2(г) ( H2SО3(р-р) + Q смещается в сторону исходных веществ при:

1) повышении давления;

2) повышении температуры; +

3) понижении температуры;

4) перемешивании. [13 – 15]

1. Не оказывает воздействия на реакции, протекающие в твердой фазе, следующий фактор:

(«29») а) концентрация реагентов; +

в) природа реагирующих веществ;

г) степень измельчения реагентов.

2. Увеличение температуры проведения реакции:

влияет на ее скорость, так как теплота не может быть признаком превращения веществ;

увеличивает скорость реакции, так как увеличивается число эффективных соударений молекул; +

повышает скорость реакции, так как увеличивается число упругих соударений молекул;

не влияет на скорость реакции, так как в равной мере увеличивается число эффективных и упругих соударений молекул.

3. Замедлить гидролиз сульфата меди возможно добавлением:

1) ВаС12; 2) КОН; 3) H2SO4; + 4) Н2О.

4. При растворении нитрата калия температура смеси понижается, следовательно, процесс растворения сопровождается

эндо-эффектом + 3) нулевым тепловым эффектом

экзо-эффектом 4) не знаю

0,01 моль/л + 3) 0,03 моль/л

0,02 моль/л 4) 0,04 моль/л

6. Скорости реакции А + В ( D выше в том случае, где через 30 с масса (в граммах) продукта равна

Cxbnfnm. 7 – 9. При взаимодействии Н2 с Сl2, Вr2 и I2 в сосудах одинакового объема через 27 с образуется

(«30») 7. по 0,04 моль продукта

8. по 25 г продукта

9. 18,25 г НС1, 40,5 г НВr и 64 г HI следовательно, скорость реакции

выше для I2 3) одинакова (7+ 8+ 9+)

выше для С12 4) выше для Вг2

10. Скорость реакции

Fe + Н2SO4(разб.) ( FeSO4 + Н2( будет наибольшей при использовании

стружек Fe, 1,5%-го раствора H2SO4

11. Скорость реакции с температурным коэффициентом 2 при 10 °С равна 2 моль/(л • с), а ее численное значение при 30 °С составит4) 8 +

12. Для увеличения скорости реакции в 64 раза (температурный коэффициент 4) необходимо повысить температуру на 1) 10°С 2) 20°С 3) 30°С + 4) 40°С

13. При одновременном повышении давления и охлаждении смещение равновесия в гомогенной реакции N2 + 3Н2 ( 2NH3 + Q будет однонаправленным 1) влево 2) вправо + 3) не будет 4) не знаю

14. При одновременном понижении давления и температуры в гомогенной реакции С(т) + 2N2O ( СО2 + 2N2 + Q выход продуктов

увеличится + 3) не изменится

уменьшится 4) не знаю

15. Катализатор AlCl3 увеличивает скорость:

1) любой химической реакции между органическими веществами;

2) некоторых реакций между органическими веществами; +

(«31») 3) любой химической реакции между неорганическими веществами;

4) некоторых химических реакций между неорганическими веществами.

16. Во сколько раз изменится скорость реакции 2А + В = 2С, если концентрацию вещества А уменьшить в 2 раза:

1) увеличится в 4 раза;

2) уменьшиться в 2 раза;

3) уменьшится в 4 раза; +

4) увеличится в 2 раза.

17. С наименьшей скоростью при комнатной температуре протекает взаимодействие между:

1) цинком и разбавленной серной кислотой;

2) магнием и разбавленной серной кислотой;

3) железом и кислородом; +

4) раствором карбоната натрия и соляной кислотой. [13 – 15]

3.4 Решение производственных задач по теме «Химическое равновесие»

Цель. Создание условий для активного, сознательного, творческого применения на практике полученных знаний и умений.

Задачи. Выявление качества усвоения теоретического материала по теме «Химическая кинетика». Создание условий для применения учащимися ранее полученных знаний в новой ситуации. Расширение кругозора учащихся.

Постановка цели урока.

Учитель. Здравствуйте, ребята! Рада вас приветствовать сегодня на уроке. Hа предыдущих занятиях мы с вами изучали законы химической кинетики – одного из важнейших разделов химии. Напомните мне, пожалуйста, что же изучает химическая кинетика?

(«32») (Ответ. Скорость химической реакции.)

Где на практике могут быть вами использованы знания законов химической кинетики?

(Ответ. Знание законов химической кинетики позволяет предсказать время прохождения той или иной реакции.)

Если реакция обратимая, можем ли мы с вами повлиять на выход продукта, увеличив или уменьшив его?

Знание какого закона или принципа позволит нам это сделать?

(Ответ. Прицип Ле Шателье.)

Пользуясь этим принципом, мы теоретически можем предсказать, в какую сторону сместится равновесие при изменении того или иного условия проведения реакции. А как вы думаете, на конкретном производстве достаточно ли будет только теоретических прогнозов, не подкрепленных расчетами?

(Ответ. Hет. Необходимо более точно знать время прохождения реакции и предполагаемый выход продукта.)

Хорошо. Чтобы быть грамотными специалистами, нам необходимо с вами этому научиться. И тема нашего урока – «Химическое равновесие. Решение производственных задач».

Создание проблемной ситуации

Учитель. Представим себе, что мы – расчетная лаборатория химической кинетики. В нашу лабораторию поступил запрос от руководства завода «Хлорин» по производству хлора. Обратите внимание на запрос (на столах перед каждым учеником).

В расчетную лабораторию химической кинетики от руководства химического завода по производству хлора.

Для производства хлора на заводе используется метод Дикона, заключающийся в окислении хлороводорода кислородом воздуха:

В настоящее время при высокой температуре и умеренном давлении равновесие в реакционной системе устанавливается при следующих концентрациях реагирующих веществ: [HCl] = 0,2 моль/л, [O2] = 0,3 моль/л, [H2O] = 0,1 моль/л, [Cl2] = 0,1 моль/л.

1. Дайте полную характеристику этой реакции.

2. Оцените эффективность производства хлора при данных условиях.

3. Определите, какие внешние факторы необходимо изменить, чтобы увеличить выход хлора (ответ обоснуйте теоретически).

(«33») 4. Производственные мощности позволяют:

а) увеличить общее давление в системе в 3 раза;

б) повысить температуру в системе на 20 градусов, если температурные коэффициенты прямой и обратной реакций равны 2,9 и 3,7 соответственно.

Определите, приведут ли данные изменения внешних факторов к увеличению выхода хлора. Ответ подтвердите расчетами.

Области применения хлора

Немного поясню ситуацию: на этот завод пришел новый коммерческий директор. Он изучил условия производства, подсчитал затраты на энергоресурсы и пришел к выводу о неэффективности производства. Поэтому руководство завода обратилось к нам с просьбой подтвердить правильность вывода о неэффективности производства при данных условиях расчетами и предложить способы увеличения выхода продукта. Прочитайте, пожалуйста, текст запроса. Наша задача – составить полный отчет по данному запросу, подтвердив все предположения расчетами.

Решение производственной задачи

Учитель. Начнем с характеристики реакции. В тетради делаем записи.

1. Характеристика реакции.

Запишем уравнение данной реакции и по известному нам плану охарактеризуем ее. (План на столе перед каждым учеником – приложение 2. Ребята составляют характеристику реакции в тетради.)

А. Это реакция неполного окисления хлороводорода.

Б. Это окислительно-восстановительная реакция. Ион хлора – восстановитель, кислород – окислитель.

В. Это гомогенная реакция, т. к. все участвующие в ней вещества – газы.

Г. Это обратимая реакция. Формула для расчета константы равновесия имеет вид:

Д. Реакция экзотермическая.

Е. Реакция каталитическая (катализаторы – хлорид меди(II) и хлорид железа(III).)

Мы ответили на первый пункт запроса. Переходим к следующему пункту запроса.

(«34») 2. Оценка эффективности производства.

Давайте подумаем, какой фактор позволит нам оценить эффективность производства.

(Ответ. Константа равновесия.)

Как константа равновесия связана с эффективностью производства?

(Ответ. Чем выше значение константы равновесия, тем выше содержание в реакционной смеси продуктов реакции, тем эффективнее производство.)

Нам нужно рассчитать константу равновесия. Формула для расчета нами уже составлена, воспользуемся ею (один ученик рассчитывает константу у доски):

Вывод (формулируют учащиеся). Поскольку значение константы равновесия меньше 1, значит, производство малоэффективно. (Учащиеся записывают в тетрадь.)

Учитель. Итак, вывод нового коммерческого директора оказался верным – производственные затраты не окупаются вследствие малого выхода продукта реакции. Переходим к следующему пункту запроса.

3. Факторы, влияющие на повышение эффективности производства.

Данная реакция обратимая. Какие факторы влияют на смещение равновесия?

(Ответ. Температура, давление, концентрации исходных веществ и продуктов реакции.)

Подумайте, в какую сторону нужно сместить равновесие реакции, чтобы повысить эффективность производства, и как нужно изменить перечисленные факторы, чтобы равновесие реакции сместилось в нужную нам сторону.

(Ответ. Поскольку необходимый нам продукт реакции – хлор – образуется в результате прямой реакции, значит, равновесие нужно сместить вправо. Тогда повысится эффективность производства. Для этого:

а) давление необходимо повысить (прямая реакция идет с уменьшением давления);

б) температуру понизить (прямая реакция – экзотермическая);

в) концентрации исходных веществ увеличить;

г) концентрации продуктов реакции уменьшить (например, осушить при помощи серной кислоты).)

Переходим к четвертому пункту запроса.

(«35») Химическое равновесие характеризуется равенством скоростей прямой и обратной реакций. Если изменить одно из внешних условий (давление или температуру), происходит смещение равновесия. Следовательно, нарушается равенство скоростей прямой и обратной реакций. Наша задача – расчетами доказать нарушение этого равенства. Рассмотрим сначала воздействие давления на смещение равновесия. Какой закон химической кинетики определяет зависимость скорости химической реакции от давления?

(Ответ. Поскольку давление находится в прямо пропорциональной зависимости от концентрации реагирующих веществ, то для расчетов можно применить закон действующих масс.) (Учащиеся дают формулировку закона.)

Давайте запишем выражение закона действующих масс для прямой и обратной реакций для начальных условий и после изменения давления.

Страничку тетради учащиеся делят пополам на две колонки: в первой колонке производят расчеты для прямой реакции, во второй – для обратной.

Учитель. Проверяем результаты расчетов и делаем вывод.

Один ученик записывает результаты расчетов на доске и формулирует вывод, который все остальные записывают в тетрадь.

Вывод. В результате увеличения давления в три раза скорость прямой реакции будет превосходить скорость обратной реакции в три раза, что приведет к смещению равновесия вправо и увеличению выхода продукта реакции.

Учитель. Производственные мощности завода позволяют увеличить температуру на 20 градусов. Используя принцип Ле Шателье, ответьте, пожалуйста, приведет ли это к увеличению выхода продукта.

(Ответ. Hет, т. к. прямая реакция – экзотермическая и увеличение температуры приведет к ее замедлению.)

Давайте проверим это расчетами. Какое правило нам поможет в этом?

Учащиеся формулируют правило. Один ученик записывает на доске его выражение и рассчитывает изменение скорости для прямой и обратной реакций после повышения температуры на 20 градусов:

(обр1/(обр = 3,72 = 13,69.

Учащиеся формулируют вывод и записывают его в тетрадь.

(«36») Вывод. Повышение температуры на 20 градусов на данном производстве нецелесообразно, т. к. приводит к снижению выхода продукта (после повышения температуры скорость обратной реакции превышает скорость прямой реакции в 1,6 раза).

Подведение итогов урока

Учитель. Ребята, на уроке мы с вами составили ответ на запрос химического производства. Подумайте, знания каких законов помогли нам это сделать.

(Ответ. Принцип Ле Шателье, закон действующих масс, правило Вант-Гоффа.) Каков же главный итог нашего урока? Чему вы научились?

(Ответ. Научились применять полученные ранее знания на практике. Узнали, что изученные нами законы химической кинетики применимы на конкретных химических производствах и позволяют оценить эффективность производства.)

Домашнее задание. Выполнить задания 1–4, приведенные ниже.

2NO + Cl2 2NOCl + 73,3 кДж

протекает с выделением теплоты.

Определите, в сторону какой реакции сместится равновесие, если общее давление в системе понизить в 4 раза и одновременно повысить температуру на 40 градусов (температурные коэффициенты прямой и обратной реакций равны 2 и 5 соответственно).

Реакция между газами протекает по уравнению:

В какую сторону сместится равновесие этой реакции, если давление увеличить в 3 раза и одновременно повысить температуру на 20 градусов? Температурные коэффициенты прямой и обратной реакций равны 2,9 и 3,7 соответственно.

Сместится ли равновесие обратимой газофазной реакции

при понижении давления в 2 раза и одновременном понижении температуры на 25 градусов, если температурные коэффициенты прямой и обратной реакций соответственно равны 3,0 и 2,1?

(«37») При состоянии равновесия системы

концентрации реагирующих веществ были следующими (моль/л):

[N2] = 0,3, [H2] = 0,9, [NH3] = 0,4.

Рассчитайте, как изменятся скорости прямой и обратной реакций, если давление в системе увеличить в 5 раз. В каком направлении сместится равновесие? [5, 16]

Анализ результатов проведенной работы приводит к следующим выводам:

Закономерности протекания химических реакций, в том числе и обратимых, используются почти везде, например, в промышленности;

Естественно, на этих производствах образуются отходы, которые загрязняют окружающую среду;

Рациональное сочетание условий протекания реакций (в абсолюте – создание замкнутых, циклических процессов) приводит к сокращению выбросов в окружающую среду.

Можно привести множество примеров использования основных закономерностей протекания химических реакций в производствах. В узких рамках школьной программы отражены лишь 1 – 2 конкретных примера, хотя, на мой взгляд, изучение химии с прикладных позиций поможет привить ученикам устойчивый интерес к овладению данной дисциплиной.

Источник