РАБОЧИЕ ТЕТРАДИ

Ю.И.ПАХОМОВ

Сборник
практических работ
по химии

11 класс

Продолжение. Начало см. в № 10, 11, 12/2004

Практическая работа 7.
Действие катализаторов

Цели. Повторить и обобщить понятия о катализе, катализаторах, сущности их действия в определенной среде, ингибиторах и промоторах.
Оборудование и реактивы. Лучина, спиртовка, спички, шпатель, стеклянная палочка, штатив с пробирками, санитарная склянка; растворы пероксида водорода, гидроксида тетраамминмеди(II)
[Сu(NH₃)₄](OH)₂, Na₂SO₃, MnCl₂, CoCl₂, BaCl₂, cоляной кислоты (разб.), оксид железа(III) Fe₂O₃, ацетон (диметилкетон).

Катализ – явление увеличения скорости химических реакций за счет присутствия определенных веществ (катализаторов).
Катализаторы – вещества, изменяющие скорость реакции, но сами к концу процесса остающиеся неизменными по составу и массе.
Ускорение процесса – катализ.

Схему катализа можно представить в таком виде:

Здесь А и В – реагирующие вещества, К – катализатор, АК – промежуточное соединение, АВ – продукт реакции.

Замедление процесса – ингибирование.
Существует два вида катализа – гомогенный и гетерогенный. При гомогенном катализе реагенты, продукты реакции и катализатор составляют одну фазу (газовую или жидкую), поверхность раздела отсутствует. Особый случай гомогенного катализа – автокатализ (ускорение процесса одним из продуктов реакции). Например, в кислой среде скорость реакции перманганата калия с сульфитом калия возрастает за счет образования ионов Mn²⁺:

Многие реакции в растворах ускоряются ионами H₃O⁺ (pH < 7) и ОН^- (pH > 7): гидролиз крахмала, омыление эфиров, гидролиз сахарозы и др. Ионы , , CH₃COO^– также сильно ускоряют реакции органических веществ.

Особенность гетерогенного катализа состоит в том, что катализатор (обычно твердое вещество) находится в ином фазовом состоянии, чем реагенты и продукты. Реакция на поверхности твердого вещества идет за счет координационных связей с участием электронных пар, не участвующих в образовании связей внутри веществ. В результате внутренние связи ослабевают, и молекулы либо разрушаются, либо образуют активные радикалы.
Чем лучше адсорбируются реагенты на поверхности твердого вещества и чем слабее удерживаются продукты реакции, тем выше каталитическая активность этого вещества. Не вся поверхность гетерогенного катализатора проявляет каталитическую активность. Активные центры занимают лишь часть поверхности.

Применение каталитических методов сжигания топлива позволит в два раза поднять коэффициент его использования (сейчас 0,45) и тем самым решить вопрос обеспечения большой химии углеводородным сырьем.

Порядок работы

Задания

Наблюдения и выводы

В пробирку налить 1–2 мл раствора пероксида водорода и добавить приблизительно 1 мл заранее приготовленного раствора аммиаката меди(II)

Написать уравнение реакции каталитического разложения пероксида водорода. Проверить продукты тлеющей лучинкой. Kакой это вид катализа?

…

В две пробирки поместить оксид железа(III) объемом с горошину и прилить по 4–5 мл соляной кислоты (разб. 1:1). В одну из порций кислоты предварительно добавить 2–3 капли ацетона. Растворы перемешать стеклянной палочкой

Чем в данном процессе является диметилкетон? Kакое влияние он оказывает на скорость реакции? Написать соответствующее уравнение реакции. Указать вид катализа

…

Проверить действие катализатора на окисление сульфита натрия кислородом. В три пробирки налить по 2–3 мл разбавленного раствора Na₂SO₃ и в одну из них добавить 2–3 капли раствора MnCl₂, в другую – раствора CoCl₂. Энергично перемешать растворы и через 5–6 мин во все пробирки прилить 1–1,5 мл раствора BaCl₂

Есть ли разница в скорости реакций? Сделать выводы о действии катализаторов на реакцию

2Na₂SO₃ + O₂ = 2Na₂SO₄.

Cоставить электронный баланс процесса

Сульфит натрия широко используется как восстановитель в фотографии (для восстановления AgBr, cкрытого изображения), удаления О₂ из воды на ТЭС (антикоррозионный агент), …

Практическая работа 8.
Химическое равновесие и его смещение

Цели. Повторить понятия о химическом равновесии, константе равновесия, смещении равновесия в зависимости от условий реакций (правило Ле Шателье).
Оборудование и реактивы. Керамическая плитка, фильтровальная бумага, штатив с пробирками, санитарная склянка; растворы йода в водном йодиде калия, крахмала, NaOH, CuCl₂, HCl, CoCl₂,
KBr (NaBr) (конц. р-р), соляная кислота, H₂O (дистил.).

При нагревании азот соединяется с водородом. Эта реакция обратимая и протекает с выделением
теплоты Q:

N₂ + 3H₂ 2NH₃ + Q.

Cкорости прямой ₁ и обратной ₂ реакций можно выразить следующим образом:

₁ = k₁•c(N₂)•c³(H₂), ₂ = k₂•c²(NH₃),

где c(N₂), c(Н₂) и c(NН₃) – концентрации реагирующих веществ, k₁ и k₂ – константы скорости прямой и обратной реакций соответственно.
При ₁ = ₂ наступает состояние химического равновесия. В начале реакции ее скорость определяется концентрациями исходных веществ, ₂ = 0. Однако по мере расходования N₂ и Н₂ происходит накопление NH₃. Cкорость прямой реакции уменьшается, а обратной возрастает. При химическом равновесии число молекул NH₃, образующихся и распадающихся в единицу времени, становится одинаковым:

k₁•c(N₂)•c³(H₂) = k₂•c²(NH₃),

где К – константа химического равновесия.

В случае гетерофазных реакций для определения К учитывают только концентрации веществ в газообразном или жидком состоянии (в растворах). Например, для реакции

CO₂ + C (тв.) 2CO

имеем K = [CO]²/[CO]₂.

Величина К зависит от природы реагирующих веществ, температуры и давления, но не зависит от концентрации и участия катализатора. Катализатор лишь ускоряет время наступления равновесия. По величине k можно судить о полноте протекания реакции: при К > 1 ₁ > ₂, при К < 1 ₁ < ₂.

Правило Ле Шателье. Если изменить хотя бы одно из условий, при которых система находится в состоянии химического равновесия (концентрацию веществ, давление, температуру), то равновесие смещается в направлении, способствующем ослаблению этого воздействия.

Задание 1. Вывести математическое выражение константы равновесия для реакции
N₂ + O₂ 2NO – Q. Как, используя численное значение К и принцип Ле Шателье, можно предсказать сдвиг равновесия этой реакции?

Порядок работы	Задания	Наблюдения и выводы
В пробирку налить 0,5–1 мл раствора йода в водном йодиде калия, добавить 1–2 капли раствора крахмала. Раствор окрашиваетсяв сине-фиолетовый цвет. K полученному раствору добавить несколько капель раствора щелочи до обесцвечивания. K бесцветному раствору добавить (медленно, при взбалтывании) несколько капель разбавленного раствора HCl до появления синей окраски, затем– снова щелочи до обесцвечивания. (Эти же реакции можно провести на фильтровальной бумаге, наложенной на керамическую плитку.)	Составить электронный баланс и написать уравнение реакции в ионном виде. Объяснить смещение равновесия в системе под влиянием среды (кислой или щелочной)	3I₂ + 6KOH 5KI + KIO₃ + 3H₂O…
В пробирку налить 0,5–1 мл концентрированного раствора CoCl₂ и добавить несколько капель соляной кислоты. Наблюдать изменение окраски от слабо-розовой до синей за счет образования комплексного иона [CoCl₃]^1–. Разбавить раствор водой и наблюдать изменение окраски	Закончить уравнение реакции в молекулярном виде и написать ионное уравнение. Вывести константу равновесия реакции. Объяснить смещение равновесия при изменении концентрации ионов хлора	[Co(H₂O)₆]Cl₂ + HCl …
В пробирку налить 0,5 мл раствора CuCl₂ и по каплям добавить концентрированный раствор KBr (или NaBr) до появления темно-коричневого недиссоциированного бромида меди(II). Добавить (по каплям) воду до появления голубой окраски, обусловленной образованием комплексного иона [Cu(H₂O)₄]²⁺	Закончить уравнение реакции в молекулярном виде и написать в ионном виде. Обосновать изменение окраски после добавления воды уравнением реакциив ионной форме, вывести константу равновесия данной реакции. Объяснить, почему изменение концентрации бромид-ионов вызывает смещение химического равновесия	CuCl₂ + KBr …

Практическая работа 9.
Восстановительные свойства металлов.
Работа гальванического элемента

Цели. Повторить и закрепить знания о восстановительных свойствах металлов и электрохимическом ряде напряжений, работе гальванического элемента.
Оборудование и реактивы. Железный штатив с лапкой, медная проволока с изоляцией и оголенными концами (2 электрода), стеклянная палочка, широкая объемная пробирка или химический стакан на 100–150 мл, санитарная склянка, электроды (могут быть графитовыми (от батарейки) с обмоткой концов медной проволокой), штатив с пробирками; NaOH (р-р, = 5–10%), фильтровальная бумага с небольшими отверстиями, пропитанная фенолфталеином, раствор KI (NaI) в жидком крахмальном клейстере, Al (гранулы).

Металлы и их свойства

Электрохимический ряд напряжений металлов
(стандартные электродные потенциалы (в В) в водной среде при 25 °С)

Li
–3,02

K
–2,92

Ca
–2,87

Na
–2,71

Mg
–2,31

Al
–1,67

Zn
–0,76

Fe
–0,44

Ni
–0,23

Sn
–0,14

Pb
–0,13

H₂
0

Cu
+0,34

Ag
+0,8

Hg
+0,85

Pt
+1,2

Au
+1,42

Слева направо стандарные электродные потенциалы увеличиваются

Слева направо восстановительные свойства металлов ослабевают

В природе встречаются только в виде соединений

Встречаются в чистом виде и в соединениях

Встречаются в чистом виде

Хранят в плотно закрытых сосудах под керосином

Хранят в плотно закрытых сосудах

Хранят на открытом воздухе

Получают пироэлектрометаллургическим способом

Получают пироэлектрометаллургическим
или гидрометаллургическим способом

Добывают в самородном виде

Окисляются при комнатной температуре

При комнатной температуре окисляются только с поверхности

Окисляются только при нагревании

Не окисляются даже при нагревании

При обычных условиях взаимодействуют с водой с образованием основания и Н₂

С водой взаимодействуют только при нагревании

С водой не взаимодействуют

Kоррозионная устойчивость чистых металлов усиливается в ряду слева направо

Соединения металлов

Ионы, характерные для соединений металлов

Li⁺

K⁺

Ca²⁺

Na⁺

Mg²⁺

Al³⁺

Zn²⁺

Fe²⁺

Ni²⁺

Sn²⁺

Pb²⁺

H⁺

Cu²⁺

Ag⁺

Hg²⁺

Pt²⁺

Au³⁺

Окислительные свойства ионов усиливаются в ряду слева направо

Оксиды

Оксиды растворяются в воде с образованием оснований

Оксиды не растворяются
в воде

При нагревании оксиды не разлагаются

При нагревании
оксиды разлагаются

Основания

Гидроксиды
растворяются в воде

Гидроксиды
не растворяются в воде

Гидроксиды
разлагаются
в воде

Гидроксиды при повышенной температуре не разлагаются

Гидроксиды при нагревании
разлагаются на воду и оксиды

Разлагаются на металлы,
Н₂О и О₂

Действие металлов на кислоты

Из растворов кислот вытесняют водород
(исключение – HNO₃)

Из растворов кислот водород
не вытесняют

Взаимодействуют с разбавленной и концентрированной HNO₃.
В зависимости от условий, восстановительных свойств металлов
и концентрации кислоты образуются N₂, N₂O, NO, N₂O₃, NO₂ и NH₃ (NH₄NO₃).
Al, Cr и Fe в концентрированной HNO₃ пассивируются

С HNO₃ не взаимо-
действуют

Взаимодействуют с концентрированной H₂SO₄. В зависимости от условий и восстановительных свойств металлов образуются SO₂, S, H₂S. Fe, Ni и некоторые другие металлы в концентрированной H₂SO₄пассивируются

С концентри-
рованной H₂SO₄ не взаимо-
действуют

С разбавленной H₂SO₄ взаимодействую
с образованием Н₂

С разбавленной H₂SO₄
не взаимодействуют

С соляной кислотой взаимодействуют с выделением Н₂

С HCl не взаимодействуют

Соли

При нагревании нитраты разлагаются
на нитриты и кислород

При нагревании нитраты разлагаются
на оксид металла, NO₂ и кислород

Разлагаются на металл,
NO₂ и кислород

Активные металлы вытесняют правее стоящие металлы из растворов и расплавов их солей

Соли сильных кислот не гидролизуются

Соли, образованные сильными кислотами,
гидролизуются с образованием кислой среды (pH < 7)

Cоли слабых кислот гидролизуются
с образованием щелочной среды
(pH > 7)

Cуществующие и растворимые соли,
образованные слабыми кислотами,
гидролизуются полностью

При электролизе водных растворов солей на катоде восстанавливаются
ионы водорода

При электролизе водных растворов
солей на катоде восстанавливаются
ионы металла

При электролизе сначала изменяется тот катион-металл, который находится правее в электрохимическом ряду напряжений металлов

Порядок работы

Задания

Наблюдения и выводы

В пробирку, закрепленную в штативе, или в химический стакан поместить два медных электрода. Оголенным концом одного из них обмотать гранулу алюминия. На оголенных выводах электродов укрепить пропитанную фенолфталеином бумагу (предварительно сделать в бумаге небольшие отверстия), смочить ее раствором крахмального клейстера и йодида калия KI. Для повышения электропроводности использовать раствор с

(KI) = 5–10% (наносить раствор стеклянной палочкой). Затем в сосуд осторожно налить 2–3 мл 5–10%-го раствора щелочи. Через 2–3 мин наблюдать около одного из электродов появление на бумаге небольшого пятна розового цвета, на другом электроде происходит выделение йода, который сначала, реагируя с медью, не дает посинения с крахмалом

Записать уравнения реакции алюминия со щелочью в растворе, считая, что образуется комплексный анион диакватетрагидроксоалюминат [Al(H₂O)₂(OH)₄]^–. Kакой полюс является положительным, а какой – отрицательным? Написать в электронной форме, что происходит на электродах с йодидом калия (или натрия). Объяснить, почему водород выделяется (из H₃O⁺ при восстановлении) и на алюминии (больше), и на медном электроде. Написать электронное уравнение выделения водорода

…

Ю.И.ПАХОМОВ

Сборник практических работ по химии