Готовимся к олимпиадам, страница 34 - гдз по химии 9 класс учебник Шиманович, Василевская

Готовимся к олимпиадам

1. Пищевая сода интенсивно реагирует с уксусной кислотой $CH_3COOH$, образуя соль ацетат натрия, который используется для изготовления согревающих «солевых грелок». Если из раствора этого вещества выпарить часть воды и приготовленный насыщенный раствор осторожно охладить, можно получить пересыщенный раствор. Он даже при незначительном механическом воздействии мгновенно кристаллизуется, превращаясь в смесь кристаллов. Этот процесс сопровождается выделением теплоты — от 264 до 289 кДж/кг. Объясните описанные процессы.

Описанные в задаче процессы можно объяснить, разделив их на три основных этапа.

1. Реакция пищевой соды с уксусной кислотой

Первый процесс — это химическая реакция между пищевой содой (гидрокарбонатом натрия, $NaHCO_3$) и уксусной кислотой ($CH_3COOH$). Это реакция нейтрализации, в результате которой образуются соль ацетат натрия ($CH_3COONa$), вода ($H_2O$) и углекислый газ ($CO_2$). Интенсивность реакции, сопровождающаяся шипением, обусловлена активным выделением газообразного диоксида углерода. Уравнение реакции выглядит следующим образом:

$CH_3COOH + NaHCO_3 \rightarrow CH_3COONa + H_2O + CO_2\uparrow$

Ответ: Происходит химическая реакция нейтрализации между уксусной кислотой и гидрокарбонатом натрия с образованием ацетата натрия, воды и углекислого газа, который вызывает вспенивание.

2. Приготовление пересыщенного раствора

Растворимость большинства твердых веществ, включая ацетат натрия, увеличивается с повышением температуры. Чтобы приготовить пересыщенный раствор, сначала готовят насыщенный раствор при высокой температуре (растворяя большое количество соли или выпаривая часть воды из ненасыщенного раствора). Затем этот горячий насыщенный раствор очень медленно и осторожно охлаждают. При отсутствии центров кристаллизации (пылинок, неровностей на стенках сосуда) избыток растворенного вещества не выпадает в осадок. В результате получается пересыщенный раствор — метастабильная (неустойчивая) система, в которой концентрация растворенного вещества превышает его равновесную растворимость при данной (низкой) температуре.

Ответ: Пересыщенный раствор получают путем осторожного охлаждения насыщенного при высокой температуре раствора ацетата натрия. В таком растворе содержится больше соли, чем может быть растворено при данной температуре в равновесных условиях.

3. Кристаллизация и выделение теплоты

Пересыщенный раствор находится в неустойчивом состоянии. Любое незначительное механическое воздействие (встряхивание, удар, введение кристаллика-затравки) создает центр кристаллизации, запуская лавинообразный процесс перехода растворенного вещества в твердую фазу. Ионы ацетата натрия, хаотично двигавшиеся в растворе, выстраиваются в упорядоченную кристаллическую решетку, образуя кристаллогидрат ацетата натрия ($CH_3COONa \cdot 3H_2O$). Процесс образования кристаллической решетки сопровождается переходом системы из состояния с более высокой энергией (раствор) в состояние с более низкой энергией (кристалл). Эта разница в энергии выделяется в окружающую среду в виде теплоты. Именно поэтому кристаллизация ацетата натрия является экзотермическим процессом, что и используется в солевых грелках. Выделение от 264 до 289 кДж/кг теплоты обеспечивает согревающий эффект.

Ответ: Механическое воздействие на пересыщенный раствор провоцирует мгновенную кристаллизацию избытка соли. Этот процесс является экзотермическим (происходит с выделением тепла), так как образование упорядоченной кристаллической структуры из раствора энергетически выгодно.