Основы химии

Размещено на http://www.allbest.ru/

Задача 1

Избытком гидроксида калия подействовали на растворы: а) дигидрофосфата калия; б) нитрата дигидроксовисмута (III), Напишите уравнения реакций этих веществ с КОН и определите их эквиваленты и эквивалентные массы.

Решение:

KH2PO4 + 2KOH = K3PO4 + 2H2O

fэ(KH2PO4) = 1/2

Mэ(KH2PO4) = M(KH2PO4) / fэ(KH2PO4) = 136 / 2 = 68 г/моль-экв

Bi(OH)2NO3 + KOH = Bi(OH)3 + KNO3

fэ(Bi(OH)2NO3) = 1

Mэ(Bi(OH)2NO3) = M(Bi(OH)2NO3) / fэ(Bi(OH)2NO3) = 305 / 1 = 305 г/моль-экв

Задача 2

Напишите электронные формулы атомов элементов с порядковыми номерами 21 и 23. Сколько свободных d-орбиталей в атомах этих элементов?

Решение:

Элемент с порядковым номером 21 - Sc (скандий). Его электронная формула: 1s22s22p63s23p64s23d1. На d-подуровне 3-го энергетического уровня содержится 5 d-орбиталей. В соответствии с электронной формулой 1d- орбиталь элемента скандия занята одним электроном, таким образом в атоме данного элемента 4 свободных d-орбитали.

Элемент с порядковым номером 23 - V (ванадий). Его электронная формула: 1s22s22p63s23p64s23d3. В соответствии с электронной формулой 3d- орбитали элемента ванадия заняты тремя электронами (в атоме не могут одновременно находится два электрона в тождественных состояниях ), таким образом, в атоме данного элемента 2 свободных d-орбитали.

Задача 3

Исходя из степени окисления атомов соответствующих элементов, дайте мотивированный ответ на вопрос: какой из двух гидроксидов является более сильным основанием: CuOH или Cu(OH)₂; Fe(OH)₂ или Fe(OH)₃; Sn(OH)₂ или Sn(OH)₄? Напишите уравнения реакций, доказывающих амфотерность гидроксида олова (II).

Решение:

Чем ниже степень окисления металла, тем более сильные основные свойства проявляет его гидроксид. Связано это с тем, что чем больше гидроксогрупп присоединено к металлу, тем менее полярной оказывается связь металл-кислород, а значит более полярной связь кислород-водород.

СuOH cильнее Cu(OH)2

Fe(OH)2 сильнее Fe(OH)3

Sn(OH)2 сильнее Sn(OH)4

Sn(OH)2+2HCl=SnCl2+2H2O

Sn(OH)2+2NaOH=Na2[Sn(OH)4]

Задача 4

Какую химическую связь называют ионной? Каков механизм ее образования? Какие свойства ионной связи отличают ее от ковалентной? Приведите два примера типичных ионных соединений. Напишите уравнения превращения соответствующих ионов в нейтральные атомы.

Решение:

Прочная химическая связь , образующаяся между атомами с большой разностью (>1,7 по шкале Полинга) электроотрицательностей, при которой общая электронная пара полностью переходит к атому с большей электроотрицательностью, при этом образуются разноименно заряженные тела, которые называются ионами . Механизм образования ионной связи можно рассмотреть на примере реакции между натрием и хлором. Атом щелочного металла легко теряет электрон, а атом галогена - приобретает. В результате этого возникает катион натрия и хлорид-ион. Они образуют соединение за счет электростатического притяжения между ними.

Na + Cl =Na++[Cl]-

Na+ + 1e > Na0

Cl- > Cl0 + 1e

Li+ + 1e > Li0

F- > F0 + 1e

Важнейшие отличия ионной связи от других типов химической связи заключаются в ненаправленности (взаимодействие между катионами и анионами не зависит от направления, поэтому о ионной связи говорят как о ненаправленной) и ненасыщаемости (каждый катион может притягивать любое число анионов, и наоборот). Примером ионного соединения является поваренная соль FeCl2 и KCl

электролиз

FeCl2 Fe+ Cl2

электролиз

2KCl 2K+ Cl2 (электролиз расплава)

Задача 5

Реакция горения метилового спирта выражается термохимическим уравнением:

СН₃ОН(ж) + 3/2О₂(г) = СО₂(г) + 2Н₂О(ж); Н = ?

Вычислите тепловой эффект этой реакции, если известно, что мольная теплота парообразования СН₃ОН(ж) равна +37,4 кДж. Ответ: -726,62 кДж.

Решение:

CH₃OH_(ж) + ³/₂O_2(г) = CO_2(г) + 2H₂O_(ж), ?H = -726,62 кДж ?H_х.р. = 2*(-285,84) - 393,51 + 238,57 = -726,62 кДж/моль

Задача 6

Вычислите Н^o, S^o и G^o_T реакции, протекающей по уравнению: Fe₂O₃(к) + ЗН₂(г) = 2Fe(к) + 3Н₂О(г)

Возможна ли реакция восстановления Fе₂О₃ водородом при температурах 500 и 2000 К? Ответ: +96,61 кДж; 138,83 Дж/К; 27,2 кДж; -181,05 кДж.

Решение:

1. В химической реакции, протекающей по уравнению:

Fe2O3(к)+3Н2(г) = 2Fe(к) + 3Н2О (г)

Тепловой эффект реакции (?Нх.р.), исходя из следствия закона Гесса, равен сумме теплот образования ?Нобр. продуктов реакции за вычетом суммы теплот образования исходных веществ с учетом коэффициентов перед формулами этих веществ в уравнении реакции.

?Нх.р.= ?Нобр.прод. - ?Нобр.исх.

?Нх.р.= (2 ?НFe(к) +3?НН2О (г)) - (?Н Fe2O3(к) + 3 ?НН2г)

- теплоты образования простых веществ условно приняты равными нулю;

- теплота образования Н2О (г) равна -241.83

- теплота образования Fe2O3(к) равна -822.10

Исходя из указанных данных:

?Нх.р.= 3(-241.83) - (-822.10) = -725.49 - (-822.10) = 96.61 кДж

Ответ: ?Нх.р.= 96.61 кДж

2. Изменение энтропии продуктов химической реакции, протекающей по уравнению

Fe2O3(к)+3Н2(г) = 2Fe(к) + 3Н2О (г),

Рассчитывается по формуле:

?Sх.р.= ?Sпрод. - ?Sисх.

?Sх.р.= (2 ?SFe(к) +3?SН2О (г)) - (?S Fe2O3(к) + 3 ?SН2г), где:

?SFe(к)= 27.2 Дж/(моль*К)

?SН2О (г))= 188.72 Дж/(моль*К)

?S Fe2O3(к) = 89.96 Дж/(моль*К)

?S O/H2(г) = 130.59 Дж/(моль*К)

С учетом этих данных:

?Sх.р.= (2*27.2 +3*188.72) - (89.96+3*130.59) = 620.56-481.73 = 138.83 Дж/(моль*К)

Ответ: ?Sх.р.= 138.83 Дж/(моль*К)

3. Мерой химического сродства (?G) является убыль энергии Гиббса

Убыль энергии Гиббса ?Gх.р. в химической реакции

Fe2O3(к)+3Н2(г) = 2Fe(к) + 3Н2О (г)

вычисляем по формуле:

?Gх.р = ?Н - Т*?S

?Gх.р = 96.61 - 298*0.13883 = 96.61-41.37 = +55.24кДж

Ответ: ?Gх.р = +55.24кДж

Т.к. ?Gх.р. > 0, то реакция при стандартных условиях невозможна; при этих условиях пойдет обратная реакция - окисление железа (коррозия).

Определяем температуру, при которой ?Gх.р.= 0

?Н = Т*?S,

отсюда Т = ?Н/?S = 96.61/0.13883 = 695.9К,

отсюда находим убыль энергии при 500К :

?G500 =96.61-500*0.13883 кДж = +27.19 кДж

Таким образом, ?G при температуре 500К составляет +27.19 кДж,

т.е. ?G > 0 и реакция невозможна.

При температуре 2000К находим ?G2000 аналогично:

?G2000 = 96.61 - 2000*0.13883 = 96.61 -277.66 = - 181.кДж

?G2000 = - 181.кДж

?G2000 <0, значит при температуре 2000К реакция возможна.

Поскольку изначальная температура, при которой начинается реакция по уравнению

Fe2O3(к)+3Н2(г) = 2Fe(к) + 3Н2О (г),

из вышеприведенных расчетов равна 695.9К, то путем сравнения температур можно сразу определить, что при температуре 500К реакция не пойдет, а при температуре выше 695.9, т.е. при 2000К пойдет с получением продуктов согласно уравнению.

Задача 7

Напишите выражение для константы равновесия гетерогенной системы

С + H₂О(г)CO + Н₂. Как следует изменить концентрацию и давление, чтобы сместить равновесие в сторону обратной реакции - образования водяных паров?

Решение:

C + H₂O_(г) = CO + H₂

Kравн. = [CO]*[H2]/[H2O]

Исходя из принципа Ле Шаталье, чтобы сместить равновесие в сторону обратной реакции необходимо увеличить давление.

Задача 8

Какой объем 0,3 н. раствора кислоты требуется для нейтрализации раствора, содержащего 0,32 г NaOH в 40 см³? Ответ: 26,6 см³

Решение:

0,32 / 40 = 0 ,008 моль (количество молей гидроксида натрия, находящиеся в растворе (молекулярная масса 40 г /моль))

Пропорция:

0, 3 моль кислоты содержится в 1000 мл раствора

0,008 моль кислоты содержится в Х мл раствора

Найти Х:

Х=0,008*1000/0,3=26,67 мл

Задача 9

Вычислите температуру кристаллизации 2%-ного раствора этилового спирта C₂H₅OH. Криоскопическая константа воды 1,86. Ответ: -0,82С

Решение:

Понижение температуры кристаллизации раствора неэлектролита по сравнению с температурой начала кристаллизации чистого растворителя рассчитывается по формуле:

где - Криоскопическая константа растворителя, - молельная концентрация раствора неэлектролита (т.е количество моль растворенного вещества в 1000 граммах растворителя).

Найдем моляльность

М() = 46,069 г/моль.

(моль/кг)

Поэтому:

Поскольку температура начала кристаллизации чистого растворителя (воды) равна 0 град. Цельсия, то данный раствор начинает замерзать при -0,82 град. Цельсия.

Ответ: -0,82.

Задача 10

Составьте молекулярные и ионно-молекулярные уравнения реакций взаимодействия в растворах между: a) Na₃PO₄ и CaCl₂; б) К₂СОз и ВаСl₂; в) Zn(OH)₂ и КОН.

Решение:

2Na₃PO₄ + 3CaCl₂ > Ca₃(PO₄) ₂ v + 6NaCl

6Na⁺ + 2PO₄^3- + 3Ca²⁺ + 6Cl^- > Ca₃(PO₄)₂v + 6Na⁺ + 6Cl^-

3Ca²⁺ + 2PO₄^3- > Ca₃(PO₄)₂v

K₂CO₃ + BaCl₂ > BaCO₃v + 2KCl

2K⁺ + CO₃^2- + Ba²⁺ + 2Cl^- > BaCO₃v + 2K⁺ + 2Cl^-

Ba²⁺ + CO₃^2- > BaCO₃v

Zn( OH )₂ + 2KOH > K₂[Zn(OH)₄]

Zn(OH)₂ + 2K⁺ + 2OH^- > 2K⁺ + [Zn(OH)₄]^2-

Zn(OH)₂ + 2OH^- > [Zn(OH)₄]^2-

Задача 11

Какая из двух солей при равных условиях в большей степени подвергается гидролизу: Na₂СО₃ или Na₂SO₃; FеС1₃ или FeCl₂? Почему? Составьте ионно-молекулярные и молекулярные уравнения гидролиза этих солей.

Решение: Na₂CO₃ в большей степени подвергается гидролизу, т.к. соль образована более слабой кислотой, чем в случае Na₂SO₃. FeCl₃ образована более слабым основанием чем FeCl₂ и поэтому подвергается гидролизу в большей степени.

Na₂CO₃ + H₂O = NaHCO₃ + NaOH NaHCO₃ + H₂O = Na₂CO₃ + NaOH CO₃^2- + H₂O = HCO₃^- + OH^- HCO₃^- + H₂O = H₂CO₃ + OH^-, pH7, среда щелочная

FeCl₃ + H₂O = FeOHCl₂ + HCl FeOHCl₂ + H₂O = Fe(OH)₂Cl + HCl Fe(OH)₂Cl + H₂O = Fe(OH)₃ + HCl Fe³⁺ + H₂O = FeOH²⁺ + H⁺ FeOH²⁺ + H₂O = Fe(OH)₂⁺ + H⁺ Fe(OH)₂⁺ + H₂O = Fe(OH)₃ + H⁺, рН?7, среда кислая

Задача 12

Составьте электронные уравнения. Расставьте коэффициенты в уравнениях реакций. Для каждой реакции укажите, какое вещество является окислителем, какое - восстановителем; какое вещество окисляется, какое - восстанавливается.

Решение:

HNO₃ + Zn N₂O + Zn(NO₃)₂ + H₂O

FeSO₄ + KClO₃ + H₂SO₄ Fe₂(SO₄)₃ + KCl + H₂O

10HNO₃ + 4Zn = 5N₂O + 4Zn(NO₃)₂ + 2H₂O Zn - 2e = Zn²⁺¦4¦2 окисляется (восстановитель)

N⁵⁺ + 4e = N¹⁺¦2¦1 восстанавливается (окислитель)

6FeSO₄ + KClO₃ + 3H₂SO₄ = 3Fe₂(SO₄)₃ + KCl + 3H₂O Fe²⁺ - 1e = Fe³⁺¦6 окисляется (восстановитель)

ClO₃^1- + 6H⁺ + 6e = Cl^1- + 3H₂O¦1 восстанавливается (окислитель)

Задача 13

Составьте схемы двух гальванических элементов, в одном из которых никель является катодом, а в другом - анодом. Напишите для каждого из этих элементов электронные уравнения реакций, протекающих на катоде и на аноде.

Решение:

Гальванический элемент в котором никель является катодом.

А(-) Zn|Zn²⁺ || Ni²⁺|Ni (+)К А: Zn^o > Zn²⁺ + 2e К: Ni²⁺ + 2e > Ni^o

Суммарная реакция:

Zn + Ni²⁺ > Ni + Zn²⁺

Гальванический элемент в котором никель является анодом.

А(-) Ni|Ni⁺² || Cu⁺²|Cu (+)К А: Ni^o > Ni⁺² + 2e К: Cu⁺² + 2e > Cu^o

Суммарная реакция:

Ni + Cu²⁺ > Cu + Ni²⁺

Задача 14

Составьте электронные уравнения процессов, происходящих на графитовых электродах при электролизе расплавов и водных растворов NaCl и КОН. Сколько литров (н.у.) газа выделится на аноде при электролизе гидроксида калия, если электролиз проводить в течение 30 мин при силе тока 0,5 А? Ответ: 0,052 л. термохимический гидроксид дигидрофосфат калий

Решение:

1. Уравнения электролиза раствора NaCl.

На катоде: 2Н2О +2eЇ = H2 + 2 OHЇ На аноде : 2ClЇ -2eЇ = Cl2 ( газ )

Суммарное в ионной форме:

2Н2О +2eЇ = H2 + 2 OHЇ

2ClЇ -2eЇ = Cl2 ( газ )

2Н2О+2ClЇ электролиз H2 +Cl2 + 2 ОНЇ

Суммарное в молекулярной форме:

2 Н2О + 2NaCl электролиз H2 +Cl2 + 2 ОНЇ

На катоде выделяется водород, на аноде - хлор,

а в растворе накапливается NaOH (Na+ + OHЇ)

2. Уравнения электролиза раствора KOH

KOH -K+ + OHЇ

На катоде :2Н2О +2eЇ = H2 + 2 OHЇ /2

На аноде : 4ОНЇ -4 eЇ = 2 H2O +O2 ( газ )/1

Суммарное : 4Н2О +4eЇ +4ОНЇ -4 eЇ = 2H2 + 4OHЇ + 2 H2O +O2 ( газ )

2 Н2О электролиз 2H2( газ ) + O2 ( газ )

На катоде выделяется водород, на аноде кислород, а в растворе

накапливается КOH (К+OHЇ)

3. Уравнения электролиза расплава NaCl .

NaCl - Na+ +ClЇ

На катоде : Na+ +eЇ = Na(мет) /2

На аноде : 2 ClЇ -2eЇ = Cl2 ( газ /1

Суммарное:

2 Na+ 2+eЇ +2ClЇ -2eЇ электролиз 2Na(мет) +Cl2( газ )

2 Na2Cl электролиз 2Na(мет) +Cl2( газ )

4. Уравнения электролиза расплава КОН .

КОН -К+1 + ОНЇ

На катоде: К+1 +eЇ = K(мет)/4

На аноде: 4ОНЇ - eЇ = 2 H2O +2O +4e

4ОНЇ - eЇ = 2 H2O +O2 +4e/1

Суммарное:

4К+ + 4ОНЇ = K(мет) + 2 H2O +O2

КОН электролиз K(мет) + 2 H2O +O2

На аноде выделяется кислород, его количество определяем по формуле, выражающей закон Фарадея

m= mэ *I*t/96500, где:

m - масса вещества, окисленного или восстановленного на электроде ;

mэ - молярная масса эквивалента вещества; mэО2 =8г

I =0.5А

t- продожительность электролиза, сек, t =30*60=1800сек;

m= mэ *I*t/96500 = 8*0.5*30*60/96500 = 0.0746г

Исходя из того, что 1г-моль кислорода (32г) занимает объем 22.4 л (н.у.), определенная масса кислорода 0.0746г займет объем:

0.0746*22.4/32 = 0.052л (н.у.)

Ответ: при указанных условиях на аноде выделится 0.052л О2.

Задача 15

Две железные пластинки, частично покрытые одна оловом, другая медью, находятся во влажном воздухе. На какой из этих пластинок быстрее образуется ржавчина? Почему? Составьте электронные уравнения анодного и катодного процессов коррозии этих пластинок. Каков состав продуктов коррозии железа?

Решение:

Быстрее прокорродирует пластина, покрытая медью . В обоих случаях железо покрыто более электроположительным металлом и является анодом. Поскольку медь более электроположительна, чем олово , разность потенциалов между медью и железом больше, чем между железом и оловом , соответственно и скорость коррозии в паре железо-медь выше.

В обоих случаях коррозия катодная и анодная реакции одинаковы для обеих систем:

K:

A:

Растворяющееся железо образует с гидроксильной группой нерастворимый гидроксид железа Fe(OH)3, который и является основных продуктом коррозии железа во влажном воздухе.

Размещено на Allbest.ru

...