Номер 1448, страница 224 - гдз по химии 11 класс сборник задач Хвалюк, Резяпкин

1448. При уменьшении размеров частиц химические свойства веществ могут существенно изменяться. Так, например, железо в компактном состоянии (т. е. в виде массивного куска) достаточно устойчиво в сухом воздухе. Однако то же железо, будучи раздробленным до очень маленьких частиц («пирофорное железо»), способно самовозгораться при контакте с воздухом при комнатной температуре. Попытайтесь объяснить, с чем может быть связано такое значительное изменение свойств железа.

Решение

Значительное изменение химических свойств железа при его измельчении до состояния пирофорного порошка связано с резким увеличением его удельной площади поверхности, что, в свою очередь, многократно увеличивает скорость химической реакции с кислородом воздуха.

Рассмотрим этот процесс подробнее:

1. Зависимость скорости реакции от площади поверхности. Химическая реакция между твердым веществом (железо) и газом (кислород) является гетерогенной, то есть протекает на границе раздела фаз. Скорость таких реакций напрямую зависит от площади поверхности твердого реагента. Чем больше площадь, тем больше молекул могут одновременно вступать в реакцию, и тем выше ее скорость.

2. Эффект измельчения. Когда массивный кусок вещества дробят на множество мелких частиц, его общая масса остается прежней, но суммарная площадь поверхности всех частиц резко возрастает. Чтобы это представить, можно рассмотреть куб с ребром $a$. Его площадь поверхности равна $S_1 = 6a^2$. Если этот куб разрезать на 8 одинаковых кубиков с ребром $a/2$, то суммарная площадь их поверхности станет $S_8 = 8 \times (6 \cdot (a/2)^2) = 8 \times 6 \times a^2/4 = 12a^2$, то есть увеличится в два раза. При дальнейшем измельчении до состояния порошка площадь поверхности увеличивается в тысячи и миллионы раз.

3. Экзотермический характер реакции. Окисление железа кислородом воздуха — это экзотермический процесс, идущий с выделением тепла:

   $4Fe_{(тв)} + 3O_{2(г)} \rightarrow 2Fe_2O_{3(тв)} + Q$

   где $Q$ — количество выделившейся теплоты.

4. Причина самовозгорания.

   • В случае массивного куска железа площадь поверхности мала. Реакция окисления идет очень медленно, и выделяющееся тепло успевает рассеяться в окружающую среду и вглубь самого куска, не вызывая его значительного нагрева.

   • В случае пирофорного железа (порошка) огромная площадь поверхности обеспечивает очень высокую скорость реакции. В единицу времени выделяется большое количество тепла. Поскольку порошок обладает низкой теплопроводностью, это тепло не успевает рассеяться. Температура частиц быстро растет. В свою очередь, повышение температуры экспоненциально увеличивает скорость реакции (согласно правилу Вант-Гоффа и уравнению Аррениуса). Возникает самоускоряющийся процесс (положительная обратная связь): реакция выделяет тепло → температура растет → скорость реакции возрастает → тепла выделяется еще больше. Этот лавинообразный процесс приводит к разогреву железа до температуры воспламенения, и оно загорается на воздухе.

Ответ: Такое значительное изменение свойств железа связано с резким увеличением удельной площади поверхности при его измельчении. Скорость реакции окисления железа кислородом воздуха прямо пропорциональна площади контакта. У пирофорного (мелкодисперсного) железа эта площадь огромна, что приводит к очень высокой скорости экзотермической реакции. Выделяющаяся теплота не успевает рассеиваться, что вызывает быстрый разогрев частиц до температуры самовоспламенения.