Условие
Разложение пероксида водорода идёт по уравнению 2H₂O₂ → 2H₂O + O₂. Три опыта: в первом к раствору ничего не добавляют, во втором добавляют порошок оксида марганца(IV), в третьем — крупный кусочек того же оксида той же массы. Сравните скорость выделения кислорода в опытах, объясните разницу и ответьте, изменится ли масса оксида марганца к концу опыта и изменится ли тепловой эффект реакции.
Что известно и что ищем
- Известны уравнение реакции и три варианта опыта.
- Ищем сравнение скоростей, объяснение через площадь поверхности и ответы на два вопроса «изменится ли».
- Отдельно проверяем понимание того, что катализатор не расходуется и не меняет тепловой эффект.
Ход решения
- Шаг 1. Определяем тип реакции по агрегатному состоянию. Жидкость и твёрдый катализатор — это разные фазы, значит катализ гетерогенный, и реакция идёт на поверхности твёрдого вещества.
- Шаг 2. Сравниваем первый и второй опыт. Без катализатора распад идёт медленно, потому что энергия активации высокая; с оксидом марганца появляется путь с меньшим барьером, и кислород выделяется бурно.
- Шаг 3. Сравниваем второй и третий опыт. Масса одна и та же, но у порошка открытая поверхность во много раз больше, чем у кусочка той же массы. Чем больше площадь, тем больше «мест», где может начаться реакция, поэтому порошок работает быстрее. Это и есть площадь поверхности как фактор скорости в гетерогенной реакции.
- Шаг 4. Отвечаем про массу катализатора. Катализатор не расходуется: он то отдаёт, то забирает электроны, но в итоге возвращается в исходное состояние. Значит, если отделить оксид марганца и высушить, масса останется прежней. Это можно проверить опытом.
- Шаг 5. Отвечаем про тепловой эффект. Катализатор меняет путь реакции, но не разницу энергий между исходными веществами и продуктами. Тепловой эффект остаётся тем же: реакция была экзотермической и остаётся такой.
- Шаг 6. Формулируем итог одной фразой: катализатор ускоряет, но не «двигает» ни равновесие, ни энергию.
Проверь себя
- Ответ: быстрее всех третий опыт (та же масса, но большая поверхность), затем второй, затем первый; масса катализатора не меняется; тепловой эффект не меняется.
- Проверка вывода: сравнение опытов два и три изолирует именно площадь поверхности, потому что масса и вещество одинаковые.
- Ловушка: считать, что катализатор «входит в реакцию» и расходуется. Если бы он расходовался, его нельзя было бы использовать многократно, а в промышленности и в школьном опыте его используют именно много раз.
Как объяснить ребёнку
«Катализатор — это как проход во двор: пока его не было, приходилось идти вокруг дома. Проход не толкает тебя и не делает путь короче, он просто даёт более удобную дорогу. И сам проход при этом никуда не исчезает. А порошок вместо целого куска — это как много маленьких проходов вместо одного широкого».
Тема для отчёта родителю
«Гетерогенный катализ: почему порошок быстрее и почему катализатор не тратится».
Формулировка задания — наш аналог по теме, а не текст из учебника.