Номер 4, страница 119 - гдз по химии 11 класс учебник Мычко, Прохоревич

4. Предложите пути увеличения скорости реакции: $2Al(OH)_3 = Al_2O_3 + 3H_2O - Q$

Скорость химической реакции — это изменение концентрации одного из реагирующих веществ или продуктов реакции в единицу времени. Для гетерогенной реакции, такой как термическое разложение гидроксида алюминия, скорость зависит от нескольких факторов. Рассмотрим данную реакцию:

$2Al(OH)_3(тв) \rightarrow Al_2O_3(тв) + 3H_2O(г) - Q$

Эта реакция является эндотермической (протекает с поглощением теплоты, на что указывает $-Q$), гетерогенной (реагент в твердой фазе, один из продуктов — в газообразной) и обратимой. Исходя из этих характеристик, можно предложить следующие способы увеличения скорости реакции.

1. Повышение температуры

Повышение температуры является одним из самых эффективных способов увеличения скорости химической реакции. Согласно эмпирическому правилу Вант-Гоффа, при повышении температуры на каждые 10 градусов Цельсия скорость большинства реакций возрастает в 2-4 раза. Для данной реакции это особенно важно, так как она эндотермическая. С точки зрения кинетики, повышение температуры увеличивает среднюю кинетическую энергию частиц, что приводит к более частым и более энергичным столкновениям между ними. Это увеличивает долю "активных" молекул, обладающих энергией, достаточной для преодоления активационного барьера. С точки зрения термодинамики, согласно принципу Ле Шателье, для эндотермической реакции повышение температуры смещает химическое равновесие в сторону продуктов, что также способствует увеличению скорости прямой реакции.

2. Увеличение площади поверхности реагента

Реакция является гетерогенной, поскольку исходное вещество, гидроксид алюминия $Al(OH)_3$, находится в твердом состоянии. В таких системах реакция протекает на границе раздела фаз, то есть на поверхности твердого вещества. Следовательно, скорость реакции прямо пропорциональна площади этой поверхности. Чтобы увеличить площадь поверхности, необходимо измельчить гидроксид алюминия. Перевод реагента из кускового состояния в мелкодисперсный порошок многократно увеличивает его удельную поверхность и, как следствие, скорость его разложения.

3. Удаление продуктов реакции из сферы реакции

Данная реакция обратима. Продукты реакции, оксид алюминия и вода, могут реагировать между собой, образуя исходный гидроксид алюминия: $Al_2O_3 + 3H_2O \rightarrow 2Al(OH)_3$. Чтобы увеличить скорость прямой реакции (разложения), необходимо предотвратить или замедлить обратную реакцию. Один из продуктов — вода ($H_2O$) — находится в газообразном состоянии. Её удаление из реакционной системы (например, путем проведения реакции в открытом сосуде, в токе инертного газа или при пониженном давлении/в вакууме) будет, в соответствии с принципом Ле Шателье, смещать равновесие вправо. Это приведет к увеличению наблюдаемой (суммарной) скорости образования оксида алюминия.

4. Использование катализатора

Катализатор — это вещество, которое увеличивает скорость реакции, но само в ходе реакции не расходуется. Механизм действия катализатора заключается в предоставлении альтернативного пути реакции с более низкой энергией активации ($E_a$). Снижение активационного барьера приводит к экспоненциальному росту скорости реакции, что описывается уравнением Аррениуса. Теоретически, подбор подходящего катализатора мог бы значительно ускорить процесс разложения $Al(OH)_3$, позволив проводить его при более низкой температуре и с большей эффективностью.

Ответ: для увеличения скорости реакции разложения гидроксида алюминия $2Al(OH)_3 = Al_2O_3 + 3H_2O - Q$ можно: 1) повысить температуру; 2) измельчить твердый гидроксид алюминия для увеличения площади его поверхности; 3) удалять образующийся водяной пар из зоны реакции; 4) использовать подходящий катализатор.