Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
1. Определите температурный коэффициент (γ) реакции, если при понижении температуры на 40ºС ее скорость уменьшается в 81 раз.
РЕШЕНИЕ
|
Дано: Δt = 40ºC Δυ = 81 γ = ? |
В области умеренных температур выполняется эмпирическое правило Вант-Гоффа, согласно которому: , где γ — температурный коэффициент скорости, Δυ — изменение скорости, Δt — изменение температуры. Рассчитаем температурный коэффициент реакции, если при повышении температуры на 40ºС скорость возросла в 256 раз: |
|
Ответ: |
γ = 3 |
2. Используя справочные данные для стандартных условий (Т=298 К) рассчитайте ЭДС гальванического элемента, состоящего из титановой и кобальтовой пластин, опущенных в растворы своих солей. Составить схему гальванического элемента.
РЕШЕНИЕ
Для расчета ЭДС необходимо рассчитать потенциалы электродов по уравнению Нернста: , где E0 – стандартный потенциал металла, В; R – универсальная газовая постоянная, 8,31 Дж/моль×К; T – температура, 298 К, К; z – число электронов, принимающих участие в электродной реакции; F – число Фарадея, 96500 Кл/моль; [Ме] – концентрация катионов металла, моль/л.
Приняв концентрации солей металлов равными 1 моль/л, вычислим потенциалы электродов при заданных условиях:
Электрод с меньшим равновесным потенциалом – анод, с большим – катод. Рассчитаем ЭДС гальванического элемента, как разность потенциалов электродов:
Схема гальванического элемента:
Анод (+) Ti | 1 М Ti2+ || 1 М Co2+ | Co (-) Катод
Движение электронов во внешней цепи – от анода к катоду, направление электрического тока – противоположное.
Катодный и анодный процессы в этом гальваническом элементе можно представить в виде уравнений реакций:
Анод: Ti → Ti2+ + 2e |2| 1 - окисление
Катод: Co2+ + 2e → Co |2| 1 - восстановление
Суммарное уравнение реакции:
Ti + Co2+ → Ti2+ + Co
3. В каком направлении в стандартных условиях может протекать реакция: 4NH3(г) + 5O2(г) = 4NO(г) + 6H2O(г)? Ответ дайте на основании расчетов изменения энергии Гиббса реакции ΔGº298 по значениям стандартных энергий Гиббса ΔfGº298 образования веществ, участвующих в реакции.
РЕШЕНИЕ
4NH3(г) + 5O2(г) = 4NO(г) + 6H2O(г)
Критерием, определяющим возможность самопроизвольного протекания реакции при определённой температуре является изменение значения энергии Гиббса (∆G): , где ∆H – изменение энтальпии, кДж; Т – абсолютная температура, К; ∆S – изменение энтропии, кДж/К.
Если ∆G<0, процесс может идти самопроизвольно, если ∆G>0, то процесс самопроизвольно не идет. При ∆G=0 устанавливается равновесие.
Cтандартные энергии Гиббса образования реагентов и продуктов реакции равны:
|
вещество |
NH3(г) |
O2(г) |
NO(г) |
H2O(г) |
|
ΔGо298, Дж/моль |
-16,71 |
0 |
86,58 |
-237,24 |
По закону Гесса изменение энергии Гиббса (ΔrG°298) химической реакции при стандартных условиях можно найти исходя из формулы: , где ni и mi – число молей продуктов и исходных веществ, принимающих участие в реакции.
Вычислим изменение энергии Гиббса реакции в стандартных условиях:
Т.к. значение ∆G<0, то реакция при стандартных условиях будет протекать в прямом направлении.
4. К какому типу покрытий относится никелирование меди? Напишите уравнения анодного и катодного процессов и суммарное уравнение коррозии, протекающей во влажном воздухе и сернокислой среде при частичном нарушении этого покрытия.
РЕШЕНИЕ
Стандартные электродные потенциалы меди и никеля:
Cu2+ + 2e → Cu, Eº= 0.35 В Ni2+ + 2e → Ni, Eº= -0,25 В
Сравнивая электродные потенциалы, получаем, что медь более электроположительна, чем никель. Следовательно, покрытие медного изделия никелем является анодным покрытием, в котором металл покрытия (никель) более электроотрицателен, чем медь. Поэтому в возможном коррозионном процессе никелевое покрытие является анодом, а медь — катодом:
A (-) Ni|| Cu (+) K
Т.е. пока никель контактирует с медью, коррозии будет подвергаться преимущественно никель.
Во влажном воздухе Н2О+О2 деполяризатором служит кислород. Термодинамическую возможность коррозии оценивают путем сравнения стандартных потенциалов каждого из металлов с потенциалом кислородного электрода:
O2 + 2H2O + 4e → 4OH-
Так как потенциалы меди и никеля меньше потенциала кислородного электрода (-0,25 В < 0,35 В < 0,82 В), то термодинамически возможна коррозия обоих металлов с кислородным деполяризатором. Но из-за образования гальванопары преимущественно корродировать будет никель:
Анодная реакция: Ni0 → Ni2+ + 2e |2| - окисление
Катодная реакция: O2 + 2H2O + 4e → 4OH- |4| - восстановление
Суммарная молекулярная реакция:
2Ni + O2 + 2H2O → 2Ni(OH)2
Схема никель-медной гальванопары в среде Н2О + О2:
Анод (-) Ni | H2O, O2 | Cu (+) Катод
Движение электронов во внешней цепи – от анода к катоду, направление электрического тока – противоположное.
В результате продукт коррозии – гидроксид никеля(II).
В сернокислой среде деполяризующим элементом выступают ионы водорода Н+. Потенциал водородного электрода и катодная реакция его восстановления в кислой среде:
2H+ + 2e → H2
Термодинамическую возможность коррозии оцениваем сравнением стандартных потенциалов каждого из металлов с потенциалом водородного электродов. Если потенциал металла меньше потенциала водородного электрода, то коррозия термодинамически возможна и наоборот.
Так как потенциалы никеля меньше потенциала водородного электрода, то термодинамически в серной кислоте возможна коррозия никеля с водородной деполяризацией (-0,25 В < 0,00 В < 0,35 В):
Анодная реакция: Ni0 → Ni2+ + 2e |2| - окисление
Катодная реакция: 2H+ + 2e → H2 |2| - восстановление
Суммарная молекулярная реакция:
Ni + 2H+ → Ni2+ + H2
Схема никель-медной гальванопары в кислой среде:
Анод (-) Ni | H2O, H+ | Cu (+) Катод
Движение электронов во внешней цепи – от анода к катоду, направление электрического тока – противоположное.
В результате продукт коррозии – ионы никеля(II).
5. Расставить коэффициенты в уравнении реакции с помощью электронного баланса:
FeSO4 + K2Cr2O7 + H2SO4 → Fe2(SO4)3 + Cr2(SO4)3 + K2SO4 + H2O
РЕШЕНИЕ
Метод полуреакций:
+6 +2 +3 +3
K2Cr2O7 + FeSO4 + H2SO4 → Fe2(SO4)3 + Cr2(SO4)3 + K2SO4 + H2O
восстановитель Fe+2 → Fe+3 + 1e | 1 | 6 процесс окисления
окислитель Cr2O72–+ 6e + 14H+ → 2Cr+3 + 7H2O | 6 | 1 процесс восстановления
K2Cr2O7 + 6FeSO4 + 7H2SO4 → 3Fe2(SO4)3 + Cr2(SO4)3 + K2SO4 + 7H2O
Метод электронного баланса:
+6 +2 +3 +3
K2Cr2O7 + FeSO4 + H2SO4 → Fe2(SO4)3 + Cr2(SO4)3 + K2SO4 + H2O
восстановитель Fe+2 → Fe+3 + 1e | 1 | 6 процесс окисления
окислитель 2Cr+6 + 6e → 2Cr+3 | 6 | 1 процесс восстановления
K2Cr2O7 + 6FeSO4 + 7H2SO4 → 3Fe2(SO4)3 + Cr2(SO4)3 + K2SO4 + 7H2O
6. Напишите электронную формулу невозбужденного атома 31Ga. Приведите графическую схему распределения электронов для двух внешних энергетических уровней и определите валентные возможности элемента.
РЕШЕНИЕ
Электронная формула невозбужденного атома галлия имеет вид (валентные электроны подчеркнуты):
31Ga 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d10 4s2 4p1
Распределение электронов галлия по квантовым ячейкам:
Галлий принадлежит к семейству р-элементов. Валентность галлия в основном (невозбужденном) состоянии равна I. При возбуждении один 4s-электрон галлия переходит на свободную р-орбиталь, при этом галлий становится способным проявлять валентность III.
7. В 250 г воды растворили 10 г неэлектролита. Определить молекулярную массу растворенного вещества, если раствор кипит при 100,226 ºС. (Эбулиоскопическая константа воды 0,52 К·кг/моль)
РЕШЕНИЕ
|
Дано: m (вещества) = 10 г m(воды)=250г=0,25 кг М (воды) = 18 г/моль КЭб. = 0,52º T = 100,226ºС М (вещества) = ? |
Согласно закону Рауля, повышение температуры кипения раствора вещества-неэлектролита прямо пропорционально моляльной концентрации (моль/кг) раствора: . Так как , то, следовательно, . Найдем молекулярную массу вещества растворенного в 250 г воды, если раствор кипит при 100,226 ºС: |
|
Ответ: |
М (вещества) = 92 г/моль |
8. Найдите осмотическое давление при 0 ºС раствора, содержащего в 1 л 18,4 г глицерина С3Н8О3.
РЕШЕНИЕ
|
Дано: V = 1 л m (С3Н8О3) = 18,4 г М (С3Н8О3) = 92,09 г/моль R = 8,314 Дж/моль×К Т = 0ºС = 273 К π = ? |
Осмотическое давление неэлектролита в растворе можно вычислить исходя из формулы Вант-Гоффа: , где C — молярная концентрация раствора, выраженная через моль/м3; R — универсальная газовая постоянная, 8,314 Дж/моль×К, 8,314; T —температура раствора, К. Так как , то отсюда получим, что . Используя данную формулу, вычислим осмотическое давление при 0 ºС раствора, содержащего в 1 л 18,4 г глицерина С3Н8О3: |
|
Ответ: |
π = 453500 Па |
9. Вычислите ЭДС гальванического элемента: Al | Al2(SO4)3 (0,01 M) || SnCl2 (0,1 M) | Sn
РЕШЕНИЕ
Для расчета ЭДС необходимо рассчитать потенциалы электродов по уравнению Нернста: , где E0 – стандартный потенциал металла, В; R – универсальная газовая постоянная, 8,31 Дж/моль×К; T – температура, 298 К, К; z – число электронов, принимающих участие в электродной реакции; F – число Фарадея, 96500 Кл/моль; [Ме] – концентрация катионов металла, моль/л.
Вычислим потенциалы электродов при заданных условиях:
Электрод с меньшим равновесным потенциалом – анод, с большим – катод. Рассчитаем ЭДС гальванического элемента, как разность потенциалов электродов:
Схема гальванического элемента:
Анод (+) Al | Al2(SO4)3 (0,01 M) || SnCl2 (0,1 M) | Sn (-) Катод
Движение электронов во внешней цепи – от анода к катоду, направление электрического тока – противоположное.
Катодный и анодный процессы в этом гальваническом элементе можно представить в виде уравнений реакций:
Анод: Al → Al3+ + 3e |3| 2 - окисление
Катод: Sn2+ + 2e → Sn |2| 3 - восстановление
2Al + 3Sn2+ → 2Al3+ + 3Sn
Суммарное уравнение реакции:
2Al + 3SnCl2 → 2AlCl3 + 3Sn
10. Вычислите осмотическое давление раствора, содержащего в 1,4 л 63 г глюкозы С6Н12О6 при 0 ºС.
РЕШЕНИЕ
|
Дано: V = 1.4 л m (С6Н12О6) = 63 г М(С6Н12О6) = 180 г/моль R = 8,314 Дж/моль×К Т = 0ºС = 273 К π = ? |
Осмотическое давление неэлектролита в растворе можно вычислить исходя из формулы Вант-Гоффа: , где C — молярная концентрация раствора, выраженная через моль/м3; R — универсальная газовая постоянная, 8,314 Дж/моль×К, 8,314; T —температура раствора, К. Так как , то отсюда получим, что . Используя данную формулу, вычислим осмотическое давление содержащего в 1,4 л 63 г глюкозы С6Н12О6 при 0 ºС: |
|
Ответ: |
π = 7944500 Па |
11. Золь сульфата бария получен реакцией избытка хлорида бария с сульфатом алюминия. Написать формулу мицеллы этого золя.
РЕШЕНИЕ
При смешении растворов BaCl2 и Al2(SO4)3 протекает реакция, приводящая к получению золя:
3BaCl2 + Al2(SO4)3 → 3BaSO4↓ + 2AlCl3
Ядро мицеллы состоит из нерастворимого вещества – BaSO4. Сульфат бария имеет ионную кристаллическую решетку, состоит из ионов Ba2+ и SO42–. Состав ядра - m BaSO4(m – несколько, некоторое число).
По условия в растворе заведомо присутствует избыток сульфата алюминия. Сравним ионы вещества, находящиеся в растворе в избытке, с ионами, входящими в состав ядра.
Ядро Ba2+ и SO42–
Вещество в избытке Al3+ и SO42–
Одноименные или близкие по химической природе ионы могут быть ионами-стабилизаторами (потенциалопределяющими ионами). Ионы-стабилизаторы в данном случае SO42–, следовательно, ядром коллоидных частиц золя сульфата бария будут адсорбироваться ионы SO42–.
Запишем выделенные две части мицеллы – ядро и слой потенциалопределяющих ионов. В нашем случае это (mBaSO4) nSO42–.
Заряд образующейся системы – положительный.
Выберем противоионы. Это тоже ионы вещества, находящегося в избытке. В данном случае BaCl2 дает:
SO42– Al3+
потенциалопределяющие ионы противоионы
Продолжим схему строения мицеллы, записав слой противоионов:
ядро потенциалопределяющие ионы противоионы
m BaSO4 n SO42– (n-х)Al3+
Число противоионов должно быть столько, сколько их необходимо для полной нейтрализации зарядов потенциалопределяющих ионов. Часть противоионов (n-x) находятся в адсорбционном слое, а другая часть (х) из-за теплового движения и действия молекул растворителя – в диффузионном слое.
Ядро с адсорбционным слоем образуют компактную частицу – гранулу. Обычно, гранула – это заряженная частица.
m BaSO4 n SO42– (n-х)Al3+
ядро незаряжено отрицательно заряженный слой положительно заряженный слой
Поскольку n(n-x), то вся система заряжена отрицательно и частицы золя приобретают отрицательный заряд.
Формула мицеллы будет {[mBaSO4]n SO42–(n-x)Al3+}x-xAl3+ или более подробно:
12. К какому типу покрытий относится серебрение железа? Напишите уравнения анодного и катодного процессов и суммарное уравнение коррозии, протекающей во влажном воздухе и сернокислой среде при частичном нарушении этого покрытия.
РЕШЕНИЕ
Стандартные электродные потенциалы железа и серебра:
Fe2+ + 2e → Fe, Eº= -0.44 В Ag+ + e → Ag, Eº= 0.80 В
Сравнивая электродные потенциалы, получаем, что серебро более электроположительно, чем железо. Следовательно, покрытие железного изделия серебром является катодным покрытием, в котором металл покрытия (серебро) более электроположительно, чем железо. Поэтому в возможном коррозионном процессе серебряное покрытие является катодом, а железо — анодом:
A (-) Fe|| Ag (+) K
Т.е. пока серебро контактирует с железом, коррозии будет подвергаться преимущественно железо.
Во влажном воздухе Н2О+О2 деполяризатором служит кислород. Термодинамическую возможность коррозии оценивают путем сравнения стандартных потенциалов каждого из металлов с потенциалом кислородного электрода:
O2 + 2H2O + 4e → 4OH-
Так как потенциалы железа и никеля меньше потенциала кислородного электрода (-0,44 В < 0,80 В < 0,82 В), то термодинамически возможна коррозия обоих металлов с кислородным деполяризатором. Но из-за образования гальванопары корродировать будет исключительно железо:
Анодная реакция: Fe0 → Fe2+ + 2e |2| - окисление
Катодная реакция: O2 + 2H2O + 4e → 4OH- |4| - восстановление
Суммарная молекулярная реакция:
2Fe + O2 + 2H2O → 2Fe(OH)2
Схема железо-серебряной гальванопары в среде Н2О + О2:
Анод (-) Fe | H2O, O2 | Ag (+) Катод
Движение электронов во внешней цепи – от анода к катоду, направление электрического тока – противоположное.
В результате продукт коррозии – гидроксид железа(II), который затем подвергается обычному химическому окислению до гидроксида железа(III):
4Fe(OH)2 + O2 + 2H2O → 4Fe(OH)3
В сернокислой среде деполяризующим элементом выступают ионы водорода Н+. Потенциал водородного электрода и катодная реакция его восстановления в кислой среде:
2H+ + 2e → H2
Термодинамическую возможность коррозии оцениваем сравнением стандартных потенциалов каждого из металлов с потенциалом водородного электродов. Если потенциал металла меньше потенциала водородного электрода, то коррозия термодинамически возможна и наоборот.
Так как потенциалы железа меньше потенциала водородного электрода, то термодинамически в серной кислоте возможна коррозия железа с водородной деполяризацией (-0,44 В < 0,00 В < 0,80 В):
Анодная реакция: Fe0 → Fe2+ + 2e |2| - окисление
Катодная реакция: 2H+ + 2e → H2 |2| - восстановление
Суммарная молекулярная реакция:
Fe + 2H+ → Fe2+ + H2
Схема железо-серебряной гальванопары в кислой среде:
Анод (-) Fe | H2O, H+ | Ag (+) Катод
Движение электронов во внешней цепи – от анода к катоду, направление электрического тока – противоположное.
В результате продукт коррозии – ионы железа(II).
13. Какие коррозионные процессы могут протекать при контакте Cr и Ni а) в растворе HCl б) во влажном грунте? Составьте уравнения анодного и катодного процессов и суммарное уравнение коррозии. Если коррозия невозможна, то объясните почему.
РЕШЕНИЕ
Стандартные электродные потенциалы хрома и никеля:
Cr3+ + 3e → Cr, Eº= -0.71 В Ni2+ + e → Ni, Eº= -0.25 В
Сравнивая электродные потенциалы, получаем, что хром более электроотрицателен, чем никель. Поэтому в возможном коррозионном процессе никель будет является анодом, а хром — катодом:
A (-) Cr || Ni (+) K
Т.е. пока никель контактирует с хромом, коррозии будет подвергаться преимущественно хром.
В растворе HCl деполяризующим элементом выступают ионы водорода Н+. Потенциал водородного электрода и катодная реакция его восстановления в кислой среде:
2H+ + 2e → H2
Термодинамическую возможность коррозии оцениваем сравнением стандартных потенциалов каждого из металлов с потенциалом водородного электродов. Если потенциал металла меньше потенциала водородного электрода, то коррозия термодинамически возможна и наоборот.
Так как потенциалы хрома и никеля меньше потенциала водородного электрода (-0,71 В < -0,25 В < 0,00 В), то термодинамически то термодинамически в соляной кислоте возможна коррозия обоих металлов с водородным деполяризатором. Но из-за образования гальванопары преимущественно корродировать будет хром:
Анодная реакция: Cr0 → Cr3+ + 3e |3| - окисление
Катодная реакция: 2H+ + 2e → H2 |2| - восстановление
Суммарная молекулярная реакция:
2Cr + 6H+ → 2Cr3+ + 3H2
Схема никель-хромовой гальванопары в кислой среде:
Анод (-) Cr | H2O, H+ | Ni (+) Катод
Движение электронов во внешней цепи – от анода к катоду, направление электрического тока – противоположное.
В результате продукт коррозии – ионы хрома(III).
Во влажной почве Н2О+О2 деполяризатором служит кислород. Термодинамическую возможность коррозии оценивают путем сравнения стандартных потенциалов каждого из металлов с потенциалом кислородного электрода:
O2 + 2H2O + 4e → 4OH-
Так как потенциалы хрома и никеля меньше потенциала кислородного электрода (-0,71 В < -0,25 В < 0,82 В), то термодинамически возможна коррозия обоих металлов с кислородным деполяризатором. Но из-за образования гальванопары преимущественно должен был бы корродировать хром. В реальных условиях коррозия хрома во влажной среде насыщенной кислородом практически не происходит, так как хром в этих условиях покрыт плотной оксидной пленкой, которая препятствует его дальнейшему окислению. Термодинамически же, без учета оксидной пленки, хром мог бы во влажной почве корродировать, при этом протекали бы следующие процессы:
Анодная реакция: Cr0 → Cr3+ + 3e |3| - окисление
Катодная реакция: O2 + 2H2O + 4e → 4OH- |4| - восстановление
Суммарная молекулярная реакция:
4Cr + 3O2 + 6H2O → 4Cr(OH)4
Схема никель-хромовой гальванопары в среде Н2О + О2:
Анод (-) Cr | H2O, O2 | Ni (+) Катод
Движение электронов во внешней цепи – от анода к катоду, направление электрического тока – противоположное.
В результате продукт коррозии – гидроксид хрома(III).
14. Во сколько раз уменьшится скорость реакции: 4HCl + O2 = 2H2O +2Cl2, если уменьшить давление газовой смеси в 3 раза?
РЕШЕНИЕ
2NO(г)+ O2(г) ↔ 2NO2(г)
4HCl + O2 = 2H2O +2Cl2
Согласно закону действующих масс скорость гомогенной химической реакции в газовой фазе зависит от парциальных давлений реагирующих газообразных веществ. Отсюда кинетическое уравнение скорости прямой реакции запишется уравнением:
,
где Р – парциальное давление; k – коэффициент пропорциональности (константа скорости).
При уменьшении давления в системе в 3 раз, объем газообразных веществ и продуктов в 3 раза увеличивается, соответственно в 3 раза падает их концентрация, т.е. будет составлять 1/3 от изначальной концентрации.
Исходя из этого, запишем кинетическое уравнение скорости прямой реакции при данных условиях:
Изменение скорости прямой реакции равно:
Следовательно, при уменьшении давления в 3 раза, скорость прямой реакции будет составлять 0,004 от изначальной или уменьшится в раз.
15. Можно ли использовать KMnO4 в кислой среде для окисления а) H2S до S б) Fe2+ до Fe3+, если:
φ(MnO4–/Mn2+) = +1,51 B
φ(S/H2S) = +0,17 B
φ(Fe3+/ Fe2+) = +0,77 B
РЕШЕНИЕ
Окислительно-восстановительная реакция может идти только в том случае, когда потенциал предполагаемой полуреакции восстановления больше потенциала предполагаемой полуреакции окисления. Сравним потенциалы имеющихся полурекций.
a) H2S до S;
Реакции восстановления:
MnO4– + 8H+ + 5e → Mn2++ 4H2O φº =+1.51 В
Реакция окисления:
H2S → S + 2H+ + 2е φº = +0.17 В
Потенциал полуреакции восстановления больше потенциала полуреакции окисления, поэтому в кислой среде возможна окислительно-восстановительная реакция:
2KMnO4 + 5H2S + 6Н+ → 2Mn2+ + 2K+ + 5S + 8H2O
a) Fe2+ до Fe3+;
Реакции восстановления:
MnO4– + 8H+ + 5e → Mn2++ 4H2O φº =+1.51 В
Реакция окисления:
Fe2+ → Fe3+ + 1е φº = +0.77 В
Потенциал полуреакции восстановления больше потенциала полуреакции окисления, поэтому в кислой среде возможна окислительно-восстановительная реакция:
KMnO4 + 5Fe2+ + 8Н+ → Mn2+ + K+ + 5Fe3+ + 4H2O
16. Укажите тип химической связи в молекулах Н2, Br2, HBr. Приведите схему перекрывания электронных облаков. В какой из этих молекул связь наиболее полярна и почему?
РЕШЕНИЕ
Н2 - соединение двух одинаковых атомов неметалла. Электронная плотность в молекуле не смещается, т.к. соединение образовано атома одного и того же элемента, в результате образуется ковалентная неполярная связь. Схема перекрывания s-электронных облаков водорода:
Br2 - соединение двух одинаковых атомов неметалла. Электронная плотность в молекуле не смещается, т.к. соединение образовано атома одного и того же элемента, в результате образуется ковалентная неполярная связь.
Схема перекрывания р-электронных облаков брома:
HBr - соединение состоит из атомов двух различных неметаллов. Электронная плотность в молекуле смещена в сторону брома, как более электроотрицательного элемента, в результате образуется ковалентная полярная связь. Схема перекрывания р-электронных облаков брома и s-электронного облака водорода:
17. Можно ли использовать хлор для окисления а) H2S до S б) Mn2+ до MnO4– , если
φ(Сl2/Cl–) = +1,36 В
φ(MnO4–/Mn2+) = +1,51 B
φ(S/H2S) = +0,17 B
РЕШЕНИЕ
Окислительно-восстановительная реакция может идти только в том случае, когда потенциал предполагаемой полуреакции восстановления больше потенциала предполагаемой полуреакции окисления. Сравним потенциалы имеющихся полурекций.
a) H2S до S;
Реакции восстановления:
Cl2 + 2e → 2Cl– φº =+1.36 В
Реакция окисления:
H2S → S + 2H+ + 2е φº = +0.17 В
Потенциал полуреакции восстановления больше потенциала полуреакции окисления, поэтому возможна окислительно-восстановительная реакция:
Cl2 + H2S → 2Cl– + S + 2H+
a) Mn2+ до MnO4–;
Реакции восстановления:
Cl2 + 2e → 2Cl– φº =+1.36 В
Реакция окисления:
Mn2++ 4H2O → MnO4– + 8H+ + 5e φº = +1.51 В
Потенциал полуреакции восстановления меньше потенциала полуреакции окисления, поэтому НЕ возможна окислительно-восстановительная реакция:
5Cl2 + 2Mn2++ 8H2O → 2MnO4– + 16H+ + 10Cl–
18. В каком направлении в стандартных условиях может протекать реакция: Fe2O3(к) + 3CO(г) = 2Fe(к) + 3CO2(г)? Ответ дайте на основании расчетов изменения энергии Гиббса реакции ΔGº298 по значениям стандартных теплот образования ΔfHº298 и стандартных энтропий Sº298 веществ, участвующих в реакции.
РЕШЕНИЕ
|
Дано: ΔНо298(Fe2O3) = -822.2 кДж/моль ΔНо298(CO) = –110.5 кДж/моль ΔНо298(Fe)= 0 кДж/моль ΔНо298(CО2)= – 393,5 кДж/моль Sо298(Fe2O3) = 0.0874 кДж/моль×K Sо298(CO) = 0.1975 кДж/моль×K Sо298(Fe)= 0.02715 кДж/моль×K Sо298(CО2)= 0.2137 кДж/моль×K ΔG298 – ?
|
Fe2O3(т) + 3CO(г) ↔ 2Fe(т) + 3CO2(г) По закону Гесса изменение энтальпии химической реакции при стандартных условиях можно найти исходя из формулы: , где ni и mi – число молей продуктов и исходных веществ, принимающих участие в реакции. Отсюда стандартное изменение энтальпии в этой реакции равно: По закону Гесса изменение энтропии химической реакции при стандартных условиях можно найти исходя из формулы: , где ni и mi – число молей продуктов и исходных веществ, принимающих участие в реакции. Отсюда стандартное изменение энтальпии в этой реакции равно: Критерием, определяющим возможность самопроизвольного протекания реакции при определённой температуре является изменение значения энергии Гиббса (∆G): , где ∆H – изменение энтальпии, кДж/моль; Т – абсолютная температура, К; ∆S – изменение энтропии, кДж/моль×К. Если ∆G<0, процесс может идти самопроизвольно, если ∆G>0, то процесс самопроизвольно не идет. При ∆G=0 устанавливается равновесие. Найдем изменение значения энергии Гиббса (∆G) при стандартных условиях: Т.к. значение ∆G<0, то реакция восстановления оксида железа(III) монооксидом углерода при данных условиях возможна. |
|
Ответ: |
ΔG298 = -31,42 кДж |
19. Расставить коэффициенты в уравнении реакции с помощью электронного баланса: KMnO4 + KI + H2SO4 → MnSO4 + I2 + K2SO4 + H2O
РЕШЕНИЕ
Метод полуреакций:
+7 -1 +2 0
KMnO4 + KI + H2SO4 → MnSO4 + I2 + K2SO4 + H2O
восстановитель 2I– → I2 + 2e | 2 | 5 процесс окисления
окислитель MnO4– + 8H+ + 5e → Mn2++ 4H2O | 5 | 2 процесс восстановления
2KMnO4 + 10KI + H2SO4 → 2MnSO4 + 5I2 + 6K2SO4 + 8H2O
Метод электронного баланса:
+7 -1 +2 0
KMnO4 + KI + H2SO4 → MnSO4 + I2 + K2SO4 + H2O
восстановитель 2I–1 → I20 + 2e | 2 | 5 процесс окисления
окислитель Mn+7 + 5e → Mn+2 | 5 | 2 процесс восстановления
2KMnO4 + 10KI + H2SO4 → 2MnSO4 + 5I2 + 6K2SO4 + 8H2O
20. Электролиз раствора медного купороса с угольными электродами проводили в течение 1 часа при силе тока 6 А. Каков объем (н.у.) выделившегося на аноде газа? Что и в каком количестве выделилось на катоде?
РЕШЕНИЕ
Реакция диссоциация водного раствора CuSO4:
CuSO4 ↔ Cu2+ + SO42-
Схема электролиза водного раствора CuSO4 с угольными (инертными) электродами и электродные процессы:
Катод (–) ← Cu2+ | CuSO4, H2O | SO42- → (+) Анод
K(–): Cu2+ + 2e → Cu | 2 | 2 восстановление
А(+): 2H2O – 4e → 4H+ + O2↑ | 4 | 1 окисление
2Cu2+ + 2H2O → 2Сu + 4H+ + O2↑
—————————————————
Суммарная реакция электролиза:
2CuSO4 + 2H2O → 2Cu + 2H2SO4 + O2↑
При электролизе водного раствора сульфата меди(II) на катоде выделяется металлическая медь, на аноде образуется газообразный кислород, а в межэлектродном пространстве скапливается серная кислота.
Согласно объединенному закону Фарадея и где I – ток, А; M – молярная масса выделяющегося вещества, г/моль; VM – молярный объем выделившегося вещества, 22,4 л/моль; t – время, с; z – число электронов, принимающих участие в электродной реакции; F – число Фарадея, 96485 Кл/моль.
Отсюда найдем, сколько литров кислорода выделилось на аноде при электролизе за 1 час (3600 с)
Масса выделившейся на катоде меди равна:
21. Как изменится скорость реакции, имеющей энергию активации Еа=155 кДж/моль, при увеличении температуры от 350 до 400 К?
РЕШЕНИЕ
|
Дано: T1 = 350 К Т2 = 400 К Ea = 155 кДж/моль = ? |
Согласно уравнению Аррениуса , константа скорости реакции находится в экспоненциальной зависимости от величины энергии активации. При этом для двух различных температур справедливо соотношение . Используя данное выражение, вычислим как изменится скорость реакции при повышении температуры от 350 К до 400 К, если энергия активации равна 155 кДж/моль: Следовательно, при нагревании от 350 до 400 К скорость реакции увеличится в 780 раз. |
|
Ответ: |
Скорость увеличится в 780 раз |
22. Пользуясь графическим изображением молекулы SO2, определите тип гибридизации ее центрального атома и укажите пространственную форму этой молекулы.
РЕШЕНИЕ
Для объяснения формы молекул SO2 необходимо определить тип гибридизации АО центрального атома по методу валентных связей.
Атом серы (р-элемент с конфигурацией 1s22s22p63s23p4) в нормальном состоянии имеет два неспаренных электрона на двух р-эрбиталях.
Изменить свою «форму» атомная орбиталь может лишь при возбуждении атома, гибридизируясь с другими атомными орбиталями иной симметрии этого же атома. При образовании молекулы SO2 происходит возбуждение атома серы, в результате которого один электрон переходит с 3р-подуровня на пустующую орбиталь 3d-подуровня.
Таким образом, образуются орбитали различного строения, которые при образовании химической связи с неспаренными электронами атомов кислорода преобразуются в две одинаковые гибридные sp3d-орбитали.
Для определения формы молекулы, воспользуемся методом Гиллеспи.
Четыре электрона атома серы участвуют в образовании двойных связей с двумя атомами кислорода (n=2), следовательно, у центрального атома остается одна неподеленная пара электронов, не принимающих участия в образовании связей (m=1).
Стерический фактор для молекулы SO2 q = n + m = 2 + 1 = 3. Это означает, что образуются три гибридные орбитали, направленные в пространстве к вершинам плоского треугольника под углом около 60º. Одна вершина заняты неподеленной электронной парой серы, а две — атомами кислорода. Следовательно, молекула SО2 имеет угловую форму:
В молекуле диоксида серы дипольные моменты связей не компенсируют друг друга (молекула несимметрична), поэтому она полярна.
23. Напишите выражения для скоростей прямой и обратной реакций и для константы равновесия: 2SO3 = 2SO2 + O2; ΔH >0. Как следует изменить в системе а) температуру; б) давление, чтобы сместить равновесие в прямом направлении?
РЕШЕНИЕ
Согласно закону действующих масс скорость гомогенной химической реакции в газовой фазе зависит от концентрации реагирующих газообразных веществ.
Отсюда кинетическое уравнение скорости прямой реакции запишется уравнением:
,
где [SО3] – молярная концентрация триоксида серы, моль/л; k – коэффициент пропорциональности (константа скорости).
Кинетическое уравнение скорости обратной реакции запишется уравнением:
,
где [SО2] и [О2] – молярные концентрации диоксида серы и кислорода, моль/л; k – коэффициент пропорциональности (константа скорости).
Константа равновесия данной гомогенной реакции, выраженная через равновесные концентрации участников реакции, имеет вид:
где [SО3], [SО2] и [О2] – равновесные молярные концентрации триоксида серы, диоксида серы и ксилорода, моль/л.
Для системы, находящейся в химическом равновесии, концентрации реагентов, температура и другие параметры системы не изменяются со временем. Согласно принципу Ле-Шателье при внешнем воздействии на равновесную систему она стремится принять такое положение, при котором эффект этого воздействия был бы минимальным.
Прямая реакция протекает с изменением объема (из 2 объемов газообразных реагентов образуется 3 объема газообразных продуктов) и поглощением тепла (эндотермическая, т.к. ΔH >0).
Исходя из этого получим, для того, что бы чтобы сместить равновесие в прямом направлении следует:
1. понизить давление в системе, что приведет к увеличению скорости прямой реакции и смещении равновесия вправо, т.е. в сторону той реакции, которая идет с увеличением объема газообразных веществ;
1. повысить температуру в системе, что приведет к увеличению скорости прямой реакции и смещению равновесия вправо, т.е. в сторону той реакции, которая является эндотермической и протекает с поглощением теплоты.
24. Какие коррозионные процессы могут протекать при контакте Cu и Ag а) в растворе H2SO4 с доступом кислорода б) в закрытом сосуде с HCl? Составьте уравнения анодного и катодного процессов и суммарное уравнение коррозии. Если коррозия невозможна, то объясните почему.
РЕШЕНИЕ
Стандартные электродные потенциалы меди и серебра:
Cu2+ + 2e → Cu, Eº= 0.35 В Ag+ + e → Ag, Eº= 0.80 В
Сравнивая электродные потенциалы, получаем, что медь более электроотрицательна, чем серебро. Поэтому в возможном коррозионном процессе медь будет является анодом, а серебро — катодом:
A (-) Cu || Ag (+) K
Т.е. пока медь контактирует с серебром, коррозии будет подвергаться преимущественно медь.
В растворе H2SO4 с доступом кислорода деполяризатором служит кислород. Термодинамическую возможность коррозии оценивают путем сравнения стандартных потенциалов каждого из металлов с потенциалом кислородного электрода:
O2 + 2H+ + 4e → ½ H2O
Так как потенциалы меди и серебра меньше потенциала кислородного электрода (0,35 В < 0,80 В < 0,82 В), то термодинамически возможна коррозия обоих металлов с кислородным деполяризатором. Но из-за образования гальванопары преимущественно будет корродировать медь:
Анодная реакция: Cu0 → Cu2+ + 2e |2| - окисление
Катодная реакция: O2 + 2H+ + 4e → ½ H2O |4| - восстановление
Суммарная молекулярная реакция:
2Cu + O2 + 2H2SO4 → 2CuSO4 + 2H2O
Схема медно-серебряной гальванопары в кислой среде с доступом кислорода:
Анод (-) Cu | H+, O2 | Ag (+) Катод
Движение электронов во внешней цепи – от анода к катоду, направление электрического тока – противоположное.
В результате продукт коррозии – сульфат меди(II).
В закрытом сосуде с HCl деполяризующим элементом выступают ионы водорода Н+. Потенциал водородного электрода и катодная реакция его восстановления в кислой среде:
2H+ + 2e → H2
Термодинамическую возможность коррозии оцениваем сравнением стандартных потенциалов каждого из металлов с потенциалом водородного электродов. Если потенциал металла меньше потенциала водородного электрода, то коррозия термодинамически возможна и наоборот.
Так как потенциалы меди и серебра больше потенциала водородного электрода (0,00 В < 0,35 В < 0,80 В), то термодинамически в соляной кислоте коррозия обоих металлов с водородным деполяризатором не возможна.
25. Составить схему электролиза раствора нитрата натрия с угольными электродами. Какое вещество и какой массой выделилось на катоде, если процесс проводили при силе тока 3 А в течение 2 часов?
РЕШЕНИЕ
Реакция диссоциация раствора Na2SO4:
Na2SO4 ↔ 2Na+ + SO42–
Схема электролиза водного раствора Na2SO4 с угольными (инертными) электродами и электродные процессы:
Катод (–) ← Na+ | Na2SO4, H2O | SO42– → (+) Анод
H2O H2O
K(–): H2O + 1e → ½ H2↑ + OH- | 1 восстановление
А(+): H2O → ½O2↑+ 2H+ + 2e | 2 окисление
—————————————————
Общее уравнение электролиза:
2H2O → 2H2↑ + O2↑
При электролизе водного раствора сульфата натрия с инертными электродами на катоде выделяется газообразный водород, на аноде образуется газообразный кислород, а в растворе остается неизмененный сульфат натрия.
Щелочные металлы из водных растворов электролизом получить невозможно, поэтому на катоде идет реакция восстановления воды с выделением водорода, поскольку ей соответствует низкий потенциал, который достигается намного раньше при катодной поляризации.
Окисление ионов SO42– нереально, поскольку эта реакция требует высоких положительных потенциалов при анодной поляризации электрода.
Согласно объединенному закону Фарадея и где I – ток, А; M – молярная масса выделяющегося вещества, г/моль; VM – молярный объем выделившегося вещества, 22,4 л/моль; t – время, с; z – число электронов, принимающих участие в электродной реакции; F – число Фарадея, 96485 Кл/моль.
Отсюда найдем, сколько литров кислорода выделилось на аноде и грамм водорода на катоде при электролизе за 2 часа (7200 с)
26. Взаимодействие между оксидом углерода (II) идет по уравнению: СО(г) + Cl2(г) = СОCl2(г). Концентрация СО была 0,3 моль/л, Cl2 – 0,2 моль/л. Как изменится скорость прямой реакции, если увеличить концентрацию угарного газа до 2,4 моль/л, а хлора – до 3 моль/л?
РЕШЕНИЕ
Согласно закону действующих масс скорость гомогенной химической реакции в газовой фазе зависит от концентрации реагирующих газообразных веществ. Отсюда кинетическое уравнение скорости прямой реакции запишется уравнением:
,
где [СО] и [Cl2] – молярные концентрации угарного газа и хлора, моль/л; k – коэффициент пропорциональности (константа скорости).
При заданных исходных концентрациях реагирующих веществ, СО — 0,3 моль/л, Cl2 – 0,2 моль/л, кинетическое уравнение имеет вид:
Если увеличить концентрацию угарного газа до 2,4 моль/л, а хлора – до 3 моль/л, то при заданных концентрациях реагирующих веществ, кинетическое уравнение имеет вид:
Изменение скорости равно: , следовательно, в этот момент времени скорость реакции будет в 120 раз больше от изначальной, т.е. увеличится в 120 раз.
27. Золь бромида свинца (II) получен реакцией бромида кальция с избытком ацетата свинца. Написать формулу мицеллы этого золя.
РЕШЕНИЕ
При смешении растворов Pb(CH3COO)2 и CaBr2 протекает реакция, приводящая к получению золя:
Pb(CH3COO)2 + CaBr2 → PbBr2↓ + Ca(CH3COO)2
Ядро мицеллы состоит из нерастворимого вещества – PbBr2. Бромид свинца(II) имеет ионную кристаллическую решетку, состоит из ионов Pb2+ и Br-. Состав ядра - m PbBr2 (m – несколько, некоторое число).
Сравним ионы вещества, находящиеся в растворе в избытке, с ионами, входящими в состав ядра.
Ядро Pb2+ Br-
Вещество в избытке Pb2+ CH3COO -
Одноименные или близкие по химической природе ионы могут быть ионами-стабилизаторами (потенциалопределяющими ионами). Ионы-стабилизаторы в данном случае Pb2+, следовательно, ядром коллоидных частиц золя бромида свинца(II) будут адсорбироваться ионы Pb2+. Запишем выделенные две части мицеллы – ядро и слой потенциалопределяющих ионов. В нашем случае это (mPbI2)nPb2+.
Заряд образующейся системы – положительный.
Выберем противоионы. Это тоже ионы вещества, находящегося в избытке. В данном случае Pb(CH3COO)2 дает:
CH3COO – Pb2+
противоионы потенциалопределяющие ионы
Продолжим схему строения мицеллы, записав слой противоионов:
mPbBr2 n Pb2+ (n-х) CH3COO –
ядро потенциалопределяющие ионы противоионы
Число противоионов должно быть столько, сколько их необходимо для полной нейтрализации зарядов потенциалопределяющих ионов. Часть противоионов (n-x) находятся в адсорбционном слое, а другая часть (х) из-за теплового движения и действия молекул растворителя – в диффузионном слое.
Ядро с адсорбционным слоем образуют компактную частицу – гранулу. Обычно, гранула – это заряженная частица.
mPbBr2 n Pb2+ (n-х) CH3COO –
ядро незаряжено положительно заряженный слой отрицательно заряженный слой
Поскольку n(n-x), то вся система заряжена положительно и частицы золя приобретают положительный заряд.
Формула мицеллы будет {[mPbBr2]nPb2+(n-x)CH3COO –}x-xCH3COO – или более подробно:
28. Вычислите температуру замерзания раствора, содержащего 30 г глюкозы С6Н12О6 в 200 г воды. (Криоскопическая константа воды 1,86 К×кг/моль) (Ответ: –1,5 ºС)
РЕШЕНИЕ
|
Дано: m (С6Н12О6) = 30 г m(воды)=200г=0,2 кг М(С6Н12О6) = 180 г/моль Ккр. = 1,86º ТЗам. = ? |
Согласно закону Рауля, понижение температуры кристаллизации (замерзания) раствора неэлектролитов прямо пропорционально моляльной концентрации (моль/кг) раствора: . Так как , то, следовательно, . Найдем изменение температуры кристаллизации раствора глюкозы: Определим, при какой температуре данный раствор будет замерзать: ТЗам.. =ТЗам. воды – ΔТЗам. = 0ºС – 1,55º= -1,55ºС |
|
Ответ: |
ТЗам. = -1,55 ºС |
29. В гетерогенной системе установилось равновесие: CaO(к) + Н2О(г) = Са(ОН)2(к); ΔH < 0. Напишите выражение для константы равновесия. В какую сторону сместится равновесие: а) при уменьшении давления; б) при увеличении температуры?
РЕШЕНИЕ
Константа равновесия данной гетерогенной реакции, выраженная через равновесные концентрации участников реакции, имеет вид:
где [Н2О] – равновесная молярная концентрация воды, моль/л.
Для системы, находящейся в химическом равновесии, концентрации реагентов, температура и другие параметры системы не изменяются со временем. Согласно принципу Ле-Шателье при внешнем воздействии на равновесную систему она стремится принять такое положение, при котором эффект этого воздействия был бы минимальным.
Прямая реакция протекает с изменением объема (из 1 объема газообразных реагентов образуется твердое вещество, т.е. объем уменьшается) и выделением тепла (экзотермическая, т.к. ΔH <0).
Исходя из этого получим, что при:
1. уменьшение давления в системе приведет к увеличению скорости обратной реакции и смещении равновесия влево, т.е. в сторону той реакции, которая идет с увеличением объема газообразных веществ;
1. увеличение температуры в системе приведет к увеличению скорости обратной реакции и смещению равновесия влево, т.е. в сторону той реакции, которая является эндотермической и протекает с поглощением теплоты.
30. Напишите электронную формулу невозбужденного атома 15Р. Приведите графическую схему распределения электронов для двух внешних энергетических уровней и определите валентные возможности элемента.
РЕШЕНИЕ
Электронная формула невозбужденного атома фосфора имеет вид (валентные электроны подчеркнуты):
P 1s2 2s2 2p6 3s2 3p3
Распределение электронов по квантовым ячейкам:
Фосфор принадлежит к семейству р-элементов. Валентность фосфора в основном (невозбужденном) состоянии равна III. При возбуждении один 3s-электрон фосфора переходит на свободную d-орбиталь, при этом фосфор становится способным проявлять валентность V.