Химия — задачи с решением и примерами

Оглавление:

Химия задачи с решением

На этой странице очень подробно решены задачи по всем темам химии.

Страница подготовлена для школьников и студентов любых специальностей и охватывает полный курс предмета «химия».

Если что-то непонятно — вы всегда можете написать мне в WhatsApp и я вам помогу!

Химия

Химия — это одна из важнейших и обширных областей естествознания, наука, изучающая вещества, также их состав и строение, их свойствах, зависящих от состава и строения, их превращениях, ведущих к изменению состава — химических реакциях, а также о законах и закономерностях, которым эти превращения подчиняются. Поскольку все вещества состоят из атомов, которые благодаря химическим связям способны формировать молекулы, то химия занимается, прежде всего, рассмотрением перечисленных выше задач на атомно-молекулярном уровне, то есть на уровне химических элементов и их соединений.

Эквиваленты и количество эквивалентов простых и сложных веществ. Закон эквивалентов. Способы выражения концентрации растворов

Задача №1

Определить, сколько эквивалентов (эквивалентных масс) заключается в одном моле (молярной массе) веществ: Решение задач по химии.

Решение:
Формула расчета эквивалентной массы: Э = М/(Решение задач по химии);

Решение задач по химии = М/Э — число эквивалентных масс (эквивалентов) в молярной массе (моле).
Эквивалентов в моле вещества содержится столько, сколько эквивалентных масс содержится в молярной массе, т.е. (Решение задач по химии).

Решение задач по химии

Пояснение. (Решение задач по химии) рассчитывается по любой части молекулы. Например:

Решение задач по химии

(Решение задач по химии) — суммарная валентность двух атомов азота или пяти кислорода;

(Решение задач по химии) — суммарный заряд трех ионов Решение задач по химии или двух ионов Решение задач по химии

Задача №2

Определить, какова молярная концентрация эквивалента (или нормальность) ЗМ раствора Решение задач по химии.

Решение:

Формула для расчета: Решение задач по химии.

Для Решение задач по химии (Решение задач по химии) = 1*3 = 3. Следовательно, Сн = 3*3 = 9.

Пояснение. Состав данного раствора условно можно изобразить так:

Решение задач по химии
Решение задач по химии

В одном и том же растворе молярных эквивалентных масс в (Решение задач по химии) раз больше, чем молярных, т.е. молярная концентрация эквивалента раствора в (Решение задач по химии) раз больше, чем его молярная концентрация (кроме растворов типа Решение задач по химии. Решение задач по химии и т.п.).

Задача №3

Определить, какая среда — кислая, щелочная или нейтральная — получится при смешивании 8 г Решение задач по химии с 10 г Решение задач по химии.

Решение:

Формула для расчета: Решение задач по химии применительно к задаче записывается так: Решение задач по химии

Подставим числовые значения Решение задач по химии, получим: 8/40 < 10/49.

Учитывая, что

Решение задач по химии

делаем вывод: среда кислая, так как для реакции взято избыточное количество эквивалентов кислоты:

Решение задач по химии

Задача №4

Определить, сколько эквивалентов (эквивалентных масс) и граммов содержалось в растворе, если в результате его взаимодействия с раствором Решение задач по химии образовалось 3 моля Решение задач по химии.

Решение:

Формула для расчета (выбираем наиболее рациональное выражение закона эквивалентов) Решение задач по химии применительно к данной задаче записывается так: Решение задач по химии

Определим Решение задач по химии учитывая, что по условию задачи Решение задач по химии = 3, а молярная и эквивалентная массы связаны соотношением Решение задач по химии

Значит, 1 молярная масса Решение задач по химии содержит 2 эквивалента. Определяем, сколько эквивалентов содержат 3 моля:

1 моль — 2 эквивалента

3 моля — X эквивалентов. X = 6.

В результате реакции образовалось 6 эквивалентов Решение задач по химии. Согласно закону эквивалентов столько же должно быть эквивалентов Решение задач по химии.

Определяем массу прореагировавшей щелочи:

Решение задач по химии

Задача №5

Определить, какой объем эквивалента раствора соляной кислоты концентрации 3 моль/л потребуется для получения 1 л углекислого газа из мрамора.

Решение:

Формула для расчета (при выборе наиболее рационального выражения закона эквивалентов учитываем, что продуктом реакции является газ, а исходное вещество — раствор определенной молярной (нормальной) концентрации):

Решение задач по химии

где Решение задач по химии — объем газа Решение задач по химии— объем раствора Решение задач по химии

Определим объем эквивалентной массы Решение задач по химии, учитывая, что Решение задач по химии (молярная масса содержит 4 эквивалентные массы). Значит, объем эквивалентной массы: 22,4/4 = 5,6 л.

Определим объем прореагировавшего раствора соляной кислоты:

Решение задач по химии

Задача №6

Определить, сколько 96%-го раствора Решение задач по химии (Решение задач по химии = 1,84 г/мл) потребуется для приготовления 1 л раствора с концентрацией 2 моль/л (Решение задач по химии = 2).

Решение:

Формула для расчета по приготовлению растворов:

Решение задач по химии

Для использования этой формулы надо определить молярную концентрацию эквивалента (Сн) исходного раствора, т.е. осуществить переход: Решение задач по химии. Расчет ведется по алгоритму, приведенному на с.25.

Решение задач по химии

где 49 — эквивалентная масса Решение задач по химии, рассчитанная по формуле

Решение задач по химии

Объем концентрированного раствора серной кислоты

Решение задач по химии

Возможно эта страница вам будет полезна:

Предмет химия

Строение атома

Квантовое число. Значения, которые оно принимает. Его физический смысл.

Квантовые числа, как и энергия электрона, могут принимать не любые, а только определенные значения, которые различаются на единицу (табл. 5).

Таблица 5

Решение задач по химии

Окончание табл. 5

Решение задач по химии

Значение главного квантового числа, равного 1 (n = 1), отвечает состоянию электрона с самой низкой энергией (т.е. наибольшей устойчивости электрона в атоме). Если состояние электрона характеризуется значением n = 1, то говорят, что электрон находится на первом энергетическом уровне (электронном слое, оболочке). На этом уровне электроны связаны с ядром наиболее прочно и находятся на наименьшем среднем расстоянии от ядра. Размер орбитали минимален.

Таким образом, главное квантовое число указывает на принадлежность электрона к тому или иному энергетическому уровню. Число энергетических уровней в атоме соответствует номеру периода по таблице Д.И. Менделеева, в котором находится данный элемент. Например, атом серы содержит 16 электронов (Z = 16). Эти электроны распределены по трем энергетическим уровням (атом серы находится в III периоде).

Электроны с одинаковым значением главного квантового числа могут иметь разные по форме атомные орбитали, которые определяются значением орбитальною квантового числа I.

Допустимые значения / ограничены значением квантового числа п (см. табл. 5). Например, если п — 4, то орбитальное квантовое число принимает четыре значения: 0, 1, 2, 3. Атомные орбитали (А) могут иметь четыре различные формы. Условно говоря, четвертый энергетический уровень состоит из четырех энергетических подуровней. Подуровни (и электроны, им соответствующие) обозначаются буквами Решение задач по химии

Решение задач по химии

Из значений орбитального квантового числа следует, что число подуровней в энергетическом уровне равно номеру уровня. Для характеристики энергетического состояния электронов в атоме используется краткая запись: энергетические уровни, характеризующиеся главным квантовым числом, обозначаются арабской цифрой, а подуровни энергии, характеризующиеся орбитальным квантовым числом — соответствующей латинской буквой (табл. 6).

Таблица 6

Решение задач по химии

В принципе для обозначения всех возможных энергетических состояний было бы достаточно главного и орбитального чисел, если бы не магнитные свойства атома и электрона.

Во внешнем магнитном поле энергия электрона зависит от расположения орбитали. Ориентация орбитали определяется значением магнитного квантового числа Решение задач по химии, которое зависит от l. Например, при l = 1 Решение задач по химии может принимать значения -1,0, или 1. Это значит, что р-орбитали, имеющие форму гантелей, имеют три разные ориентации. Условно говорят, что p-подуровень имеет три энергетические ячейки. Схематично каждый энергетический подуровень можно изобразить прямоугольником, разделенным на ячейки. Общее количество энергетических ячеек равно числу возможных значений магнитного квантового числа и отвечает формуле 2 l + 1.

Четвертое квантовое число — спиновое, тл. Оно связано с вращательным движением электрона вокруг собственной оси. Вращение возможно как по часовой, так и против часовой стрелки. Поэтому спиновое квантовое число имеет только два значения. Графически это представляют в виде стрелок, направленных во взаимно противоположные стороны: Решение задач по химии. Электроны с одинаковым направлением спина называются параллельными, с противоположным направлением — антипараллельными.

Принцип Паули

Принцип Паули: в атоме не может быть даже двух электронов с одинаковым набором всех четырех квантовых чисел. Этот принцип позволяет определить емкость атомной ячейки, энергетического подуровня и уровня в целом. Согласно принципу Паули, на одной атомной орбитали может быть не более двух электронов, и то при условии, что они антипараллельны. Нахождение на атомной орбитали третьего электрона означало бы, что у двух из них все четыре квантовых числа одинаковы. Емкость энергетических подуровней и уровней определим с помощью табл. 5. Первый энергетический уровень имеет один подуровень 1s и состоит из одной атомной орбитали, на которой с учетом принципа Паули могут разместиться два электрона, записывается: Решение задач по химии. Второй имеет два подуровня 2 sp из одной s-орбитали и трех р-орбиталей, на которых могут разместится два и шесть электронов. Общую емкость второго энергетического уровня — восемь электронов -можно изобразить так: Решение задач по химии. Графически его можно представить так:

Решение задач по химии

Третий энергетический уровень имеет три подуровня: 3 spd. Общая емкость третьего уровня — 18 электронов. Его изображение: Решение задач по химии.

Решение задач по химии

Четвертый энергетический уровень имеет четыре подуровня: 4 spdf Общая емкость четвертого уровня — 32 электрона. Изображение: Решение задач по химии.

Решение задач по химии

Возможно эта страница вам будет полезна:

Примеры решения задач по химии

Принцип наименьшей энергии

Принцип наименьшей энергии: электрон при формировании электронной оболочки атома стремится занять орбиталь с наименьшей энергией, т.е. ту орбиталь, которая расположена «ближе» к ядру. Находясь на такой орбитали, электрон будет прочнее связан с ядром. Реальный порядок заполнения орбиталей в атомах имеет следующий вид: Решение задач по химии Решение задач по химии Решение задач по химии

Этот порядок может быть выведен на основе двух правил Клечковского:

  1. При увеличении заряда ядра атома последовательное заполнение орбиталей происходит от орбиталей с меньшим значением суммы (n+1) к орбиталям с большим значением этой суммы.
  2. При одинаковых значениях этой суммы в первую очередь происходит заполнение орбиталей с меньшим значением п. Исключения из правил: заполнение 5d-орбиталей начинается раньше, чем 4f (атом лантана), и 6d-орбиталей раньше, чем 5 f (атом актиния).

Правило Гунда

Правило Гунда: электроны в пределах подуровня стремятся занять свободные орбитали. Когда все орбитали данного подуровня окажутся занятыми, происходит спаривание электронов в каждой орбитали. Последовательность заполнения электронами трех орбиталей p-подуровня.

Решение задач по химии

Составление электронных формул атомов

При составлении электронных формул атомов и заполнении энергетических уровней и подуровней атомов следует обратить внимание на следующие особенности:

  1. Начало каждого периода совпадает с началом нового энергетического уровня.
  2. У атомов I и II главных подгрупп формируется внешний энергетический подуровень Решение задач по химии. Это первые 2 элемента в периоде (s-элементы).
  3. У атомов III и VIII главных подгрупп заполняется внешний энергетический подуровень Решение задач по химии. Это последние шесть элементов в каждом периоде (р-элементы).
  4. Формирование s— и р-подуровней происходит в соответствии с номером периода: например, в III периоде заполняются 3s— и Зр-подуровни.
  5. У атомов побочных подгрупп происходит заполнение предвнешних Решение задач по химии-подуровней. Они имеются только в больших периодах и располагаются по 10 элементов между s— и p-элементами. Следовательно, 3d-подуровень впервые формируется у атомов IV периода, а 6d в VII периоде.
  6. Для атомов лантаноидов и актиноидов характерно заполнение глубинных Решение задач по химии-подуровней. Следовательно, 4f-подуровень впервые формируется у атомов VI периода, а 5 f — у атомов VII.

Задача №7

Используя рациональный способ построения электронных формул, напишите электронную формулу для атома технеция (Z = 43).

Решение:

Электронную формулу можно составить, перемещаясь по периодической системе сразу на целые периоды и записывая заполнение энергетических подуровней, происходящее в каждом периоде:

Решение задач по химии

Итого: Решение задач по химии

Полная сумма чисел, указываемых над обозначениями орбиталей, должна совпадать с атомным номером элемента, который для технеция равен 43.

Наиболее рационален способ построения электронных формул по «координатам» периодической системы [20]. Положение элемента в периодической системе определяется «координатами», которые имеют определенный физический смысл, связанный со строением атома:

Решение задач по химии

«Координаты» (2-4) определяют особенности электронной структура атома, то есть «концовку» его электронной формулы:

Решение задач по химии

Задача №8

Написать порядок определения валентности элементов главных подгрупп.

Решение:

1. Записывается электронная конфигурация внешнего энергетического уровня атома:

Решение задач по химии

2. Распределяются электроны внешнего энергетического уровня по орбиталям в соответствии с правилом Гунда:

Решение задач по химии

3. Определяются валентность элемента в стационарном состоянии по количеству неспаренных электронов в орбиталях:

Решение задач по химии

4. Определяется наличие вакантных орбиталей на внешнем энергетическом уровне: Решение задач по химии На втором энергетическом уровне имеется два подуровня. Свободных орбиталей нет. На третьем энергетическом уровне — три подуровня, есть свободные d-орбитали. Решение задач по химии

5. Изображается переход электронов на вакантные орбитали: Решение задач по химии

Решение задач по химии

6. Определяется валентность элемента в возбужденном состоянии: Решение задач по химии

Повышение валентности атома кислорода за счет . возбуждения невозможно. По этой причине кислород имеет постоянную валентность, равную 2. Атом серы при возбуждении проявляет валентность 4, 6.

Примечания.

  1. Переменные валентности элементов главных подгрупп — отличаются на две единицы.
  2. Валентности элементов четных подгрупп выражаются четными числами.
  3. Валентности элементов нечетных подгрупп выражаются нечетными числами.
  4. Элементы второго периода не проявляют высоких значений валентности, которые известны для их аналогов в периодической системе.
  5. Высшая валентность элементов третьего и последующих периодов в главных подгруппах равна номеру группы.

Задача №9

Написать порядок определения валентности элементов побочных подгрупп.

Решение:

1. Записывается «концовка» электронной формулы

Решение задач по химии

2. Распределяются электроны по орбиталям:

Решение задач по химии

3. Определяется валентность элемента в стационарном состоянии. При этом следует учитывать, что большинство d-элементов в этом состоянии не склонно проявлять валентность, так как на внешнем уровне нет неспаренных электронов:

Решение задач по химии

Сравните для атома серебра:

Решение задач по химии

4. Определяется минимальная валентность атома при возбуждении. Она, как правило, равняется двум за счет разъединения s-электронов и перехода их на свободный р-подуровень:

Решение задач по химии

5. Определяется наличие вакантных орбиталей на предвнешнем уровне: Решение задач по химии. На третьем энергетическом уровне — три подуровня. Свободных орбиталей нет.

Решение задач по химииНа пятом энергетическом уровне — пять подуровней. Есть свободные f-орбитали.

6. Изображается переход электронов на вакантные орбитали:

Решение задач по химии

7. Определяется максимальная валентность атома в возбужденном состоянии:

Решение задач по химии

8. Выписываются все возможные валентности от минимальной до максимальной. Следует иметь в виду, что у d-орбиталей валентности отличаются на единицу:

Решение задач по химии

Следует отметить, что спиновая теория валентности носит лишь приближенный характер (особенно по отношению к d-элементам).

Задача №10

Написать электронные формулы атома азота и ионов Решение задач по химии; дать их окислительно-восстановительную характеристику.

Решение:

Электронная формула азота: Решение задач по химии. Атом азота может принять три электрона на р-подуровень и отдать пять электронов с внешнего энергетического уровня. Следовательно, для него характерны как окислительные, так и восстановительные свойства. Ионизация атома азота идет следующим образом:

Решение задач по химии

Электронные формулы ионов:

Решение задач по химии

Ион Решение задач по химии — абсолютный восстановитель, так как способен только к отдаче электронов со второго энергетического уровня. Ион Решение задач по химии — абсолютный окислитель, так как способен только принимать электроны в свободные орбитали второго энергетического уровня. Ион Решение задач по химии может быть как восстановителем, так и окислителем.

Вывод.

Атом элемента в высшей степени окисления (Решение задач по химии) — окислитель, а в низшей степени окисления (Решение задач по химии) — восстановитель. Атом элемента, имеющий промежуточную степень окисления, может проявлять как окислительные, так и восстановительные свойства.

Задача №11

Определить свойства элемента с порядковым номером 105.

Решение:

Для определения свойства элемента достаточно знать «концовку» его электронной формулы:

Решение задач по химии формируется d-подуровень

Решение задач по химииколичество электронов внеш, уровня

Решение задач по химии количество валентных электронов

Нильсборий — элемент d-семейства. Это металл, так как имеет малое число электронов на внешнем энергетическом уровне. В стационарном состоянии не склонен к проявлению валентности, так как на внешнем энергетическом уровне имеет только спаренные электроны:

Решение задач по химии

При возбуждении может быть двухвалентным:

Решение задач по химии

Максимальная валентность равна пяти:

Решение задач по химии

Набор возможных валентностей: 2, 3, 4, 5. Ns — восстановитель. Его возможные окислительные числа (О.Ч.): +2, +3, +4, +5.
Формы и свойства соединений, образуемых данным элементом, определяет окислительное число его атомов. Например, возможные формулы оксидов данного элемента: Решение задач по химии Решение задач по химии

Известно, что, проявляя высшее значение О.Ч., равное номеру группы, элементы главной и побочной подгрупп образуют соединения, близкие по своим свойствам. Для Ns высшее значение О.Ч. равно +5. Этому значению О.Ч. соответствуют оксид Решение задач по химии и гидроксид Решение задач по химии, аналогичные по форме и свойствам оксиду и гидроксиду элемента фосфора Решение задач по химии. Причина такого сходства — аналогичное строение электронных оболочек ионов:

Решение задач по химии

Примечание. Количество (число) электронов на внешнем энергетическом уровне иона называют типом иона. У ионов Решение задач по химии тип иона восьмиэлектронный (Решение задач по химии). Тип иона влияет на свойства соединений и учитывается в теории поляризации ионов.

Возможно эта страница вам будет полезна:

Решение задач по аналитической химии

Периодическая система элементов

Периодический закон, открытый в 1869 году Д.И. Менделеевым, положил начало новой эпохе в химии. Этот этап развития химии является важнейшим после открытия атомно-молекулярной теории.

Периодическая система состоит из 12 горизонтальных и 8 вертикальных рядов. Горизонтальные ряды называются периодами, а вертикальные — группами.

1-й ряд состоит из двух элементов. 2-й и 3-й ряды — из восьми; они начинаются щелочным металлом и заканчиваются инертным газом. Первые три периода называются малыми, остальные — большими.

Элементы по сходству и различию разделены на главные и побочные подгруппы. Это происходит оттого, что элемент имеет большое сходство с другим элементом, стоящим не рядом, а через клетку. Например: хлор имеет большое сходство с бромом, но отделен марганцем; селен похож на теллур, но он отделен молибденом; калий имеет сходные свойства с рубидием, но через медь. Чтобы отметить такое различие между рядами, элементы четных рядов в больших периодах сдвинуты влево, а элементы нечетных рядов — вправо. Таким образом, начиная с IV периода каждую группу можно разделить на две подгруппы: главную и побочную.

Главная подгруппа составлена из элементов, состоящих из четных и нечетных рядов Решение задач по химии. Побочная подгруппа — Решение задач по химии

Принцип расположения элементов по возрастанию заряда ядер атомов служил руководством для Д.И. Менделеева при построении периодической системы. Однако в периодической системе имеются отклонения от этого принципа. Так, аргон стоит впереди калия, хотя его масса больше, чем масса ядра калия. Кобальт находится впереди никеля, теллур — впереди йода. Д.И. Менделеев здесь отступил от основного принципа закона и руководствовался всей совокупностью индивидуальных свойств. Впоследствии это подтвердилось и соответствует строению атома. Безупречность периодической системы доказана экспериментально на основе закона Мозли.

В 1920 г. английский ученый Д. Чедвик экспериментально установил, что порядковый номер элемента численно равен положительному заряду ядра атома этого элемента, т.е. числу протонов в ядре.

Химическим элементом называют определенный вид атомов, имеющих одинаковый заряд ядра — одинаковое число протонов в ядре.

Современная формулировка периодического закона гласит: свойства элементов и их соединений находятся в периодической зависимости от заряда ядер их атомов.

Номер группы указывает на высшую валентность элемента и выявляет тем самым максимальное число электронов атома того или иного элемента, которое может участвовать в образовании химической связи.

Номер периода оказался связанным с числом энергетических уровней, имеющихся в электронной оболочке атома элемента данного периода.

Итак, горизонтальные ряды таблицы названы периодами, а вертикальные ряды — группами. В периодах свойства элементов изменяются последовательно. При этом элементы, имеющие одинаковую высшую валентность, попадают в один вертикальный ряд, который составляет одну группу.

Задача №12

Определить, у какого из элементов IV периода -марганца или брома — сильнее выражены металлические свойства.

Решение:

Электронные формулы Решение задач по химии

Решение задач по химии

Марганец — d-элемент VII В-группы, а бром — p-элемент VII A-группы. На внешнем энергетическом уровне у атома марганца 2 электрона, у атома брома — 7.

Атомы типичных металлов характеризуются наличием небольшого числа электронов на внешнем энергетическом уровне, а следовательно, тенденцией терять эти электроны. Они обладают только восстановительными свойствами и не обладают отрицательными ионами. Элементы, атомы которых на внешнем энергетическом уровне содержат более трех электронов, обладают определенным сродством к электрону, а следовательно, приобретают отрицательно заряженные ионы. Поэтому марганец, как и другие металлы, обладает только восстановительными свойствами, тогда как для брома характерны окислительные свойства. Общей закономерностью для всех групп, содержащих р— и d-элементы, является преобладание металлических свойств у d-элементов. Таким образом, металлические свойства у марганца выражены сильнее, чем у брома.

Химическая связь и строение (геометрия) молекул

Задача №13

Определить тип иона у катионов (Решение задач по химии, Решение задач по химии).

Решение:

  1. Необходимо записать электронные формулы элементов.
  2. С внешней электронной оболочки атома необходимо убрать такое число электронов, которое бы соответствовало заряду катиона.
  3. Подсчитать число электронов, оставшееся на внешней оболочке катиона, и определить тип иона (табл.7).

Таблица 7

Решение задач по химии

Определите тип иона у аниона Решение задач по химии (табл.8).

Таблица 8

Решение задач по химии

Окончание табл. 8

Решение задач по химии

Из табл. 8 видно, что повторяется вся последовательность решения предыдущего примера. Однако в данном случае необходимо прибавить такое число электронов, которое бы соответствовало заряду аниона.

Выводы.

  1. Тип иона у всех простых анионов Решение задач по химии.
  2. В общем случае тип иона соответствует числу электронов на внешней оболочке анионов и катионов. Исключение составляют ионы типа (18 + n).

Задача №14

Объяснить изменение окраски в ряду следующих соединений: a) Решение задач по химии (белый), Решение задач по химии (желтый); б) Решение задач по химии (белый), Решение задач по химии (черный).

Решение:

Первоначально рассмотрим изменение окраски в ряду галогенидов серебра. Соединения содержат в своем составе один и тот же катион — Решение задач по химии, а потому изменение окраски связано только с деформируемостью анионов хлора и йода. Для доказательства детально обсудим свойства анионов (заряд, радиус, тип иона) — см. табл. 9.

Вывод. Два свойства анионов хлора и йода (заряд и тип иона) одинаковы, наблюдается лишь увеличение радиуса при переходе от хлора к йоду. Увеличение же радиуса аниона приводит к увеличению его деформируемости и соответственно — поляризации ионов, что приводит к уменьшению степени ионности связи в молекуле Решение задач по химии, отчего соединение приобретает окраску.

Таблица 9

Решение задач по химии

Итак, йодиды в соединениях q одинаковыми катионами должны быть чаще окрашены, чем соответствующие хлориды, сходная закономерность характерна для перехода по ряду оксиды — сульфиды: сульфиды окрашены, как правило, интенсивнее, чем соответствующие оксиды (табл. 10).

Таблица 10

Решение задач по химии

Вывод. Увеличение прежде всего отрицательного заряда аниона в ряду Решение задач по химии — способствует увеличению деформируемости Решение задач по химии, уменьшению степени ионности связи в ряду Решение задач по химии и появлению черной окраски у Решение задач по химии. Аналогичным образом можно объяснить, почему гидроксиды металлов (производные Решение задач по химии имеют менее глубокое окрашивание, чем соответствующие оксиды (это связано с меньшей деформируемостью Решение задач по химии по сравнению с Решение задач по химии).

Задача №15

Объяснить изменение окраски в ряду следующих оксидов: Решение задач по химии (белый), Решение задач по химии (оранжевый), Решение задач по химии (красный), Решение задач по химии (темно-зеленый).

Решение:

Указанные оксиды отличаются лишь природой условного катиона, следовательно, изменение окраски связано с изменением их поляризующего действия на Решение задач по химии. Сопоставим свойства и поляризующее действие соответствующих катионов (табл. 11).

Таблица 11

Решение задач по химии

Вывод. В ряду оксидов Решение задач по химии наблюдается изменение двух свойств соответствующих катионов (заряда, радиуса), а увеличение заряда и уменьшение радиуса способствует увеличению поляризующего действия катиона и аниона, увеличению деформации последнего, что приводит к уменьшению степени ионности связи в оксидах и соответственно — к усилению интенсивности их окраски.

Задача №16

Объяснить изменение окраски соединений в ряду следующих сульфидов: Решение задач по химии (белый), Решение задач по химии (желтый), Решение задач по химии (черный).

Решение:

Формулы соединений показывают, что изменение окраски связано с изменением поляризующего действия катионов. Свойства и поляризующее действие катионов данных сульфидов представлены в табл. 12.

Вывод. В ряду сульфидов наблюдается увеличение радиуса у 18 электронных катионов, имеющих одинаковый заряд, что способствует увеличению их деформируемости и соответственно — увеличению их суммарного поляризующего действия. Следовательно, поляризующее действие наиболее велико у Решение задач по химии, имеющего наибольший радиус (при прочих равных условиях), степень ионности химической связи в Решение задач по химии соответственно меньше, чем у других сульфидов, а потому Решение задач по химии имеет наиболее интенсивную черную окраску.

Таблица 12

Решение задач по химии

Задача №17

Определить закономерности изменения силы кислот и оснований по периоду и по группе.

Решение:

Изменение кислотно-основных свойств гидроксидов по периоду рассмотрим на примере элементов III периода системы Д.И. Менделеева: с этой целью разделим элементы периода на металлы и неметаллы; отметим основные свойства ионов элементов (заряд, равный номеру группы, сравнительный радиус, тип иона); уменьшение или увеличение поляризующего действия Решение задач по химии соответственно увеличение или уменьшение степени ионности связи, согласуя все это с характеристикой силы оснований и кислот по периоду:

Решение задач по химии
Решение задач по химии
Решение задач по химии
Решение задач по химии

Вывод. Степень ионности химической связи Решение задач по химии и кислотно-основные свойства гидроксидов элементов одного и того же периода зависят от двух свойств ионов: заряда и радиуса. Изменение кислотно-основных свойств гидроксидов по подгруппе на примере элементов II A-группы (основные свойства) и некоторых элементов VI A-группы (кислотные свойства) показано в табл.13, 14.

Таблица 13

Решение задач по химии

Таблица 14

Решение задач по химии

Вывод. Степень ионности химической связи Решение задач по химии и кислотно-основные свойства гидроксидов элементов в подгруппе периодической системы зависят от радиусов ионов.

Задача №18

Что такое гибридизация валентных орбиталей и каково строение молекулы типа Решение задач по химии?

Решение:

Теория валентных связей (ВС) предполагает участие в образовании ковалентных связей не только «чистых» атомных орбиталей (АО), но и «смешанных», так называемых гибридных АО. При гибридизации первоначальная форма и энергия орбиталей (электронных облаков) взаимно изменяются, и образуются орбитали (облака) новой одинаковой формы и одинаковой энергии. Число гибридных орбиталей Решение задач по химии равно числу исходных. Ответ на поставленный вопрос отражен в табл. 15.

Таблица 15

Решение задач по химии

Задача №19

Определить тип связей в Решение задач по химии, Решение задач по химии.

Решение:

Для определения типа связи необходимо:

  1. Выписать (из таблицы в приложении) и сопоставить значения относительной электроотрицательности (ОЭО) для атомов, входящих в состав соединений, на основе сопоставления вычислить Решение задач по химии для них.
  2. Сделать на основании вычисленного Решение задач по химии и состава соединения вывод о типе связи в данном соединении:

а) для совокупности атомов Решение задач по химии, следовательно, связь между данными атомами ковалентно-неполярная;

б) для совокупности атомов Решение задач по химии, но к ионному соединению следует отнести лишь Решение задач по химии, так как известно, что лишь галогениды щелочных и щелочно-земельных металлов образуют ионные соединения. Образование же таких многозарядных катионов, как Решение задач по химии, и анионов, как Решение задач по химии, энергетически невыгодно, а потому Решение задач по химии — ковалентно-полярные соединения.

Вследствие волновых свойств электронов чистых типов связей нет. Поэтому по разности в электроотрицательности атомов (соединяющих молекулу) чаще всего судят о степени ионности химической связи. Согласно Полингу, чем больше разница в электроотрицательности атомов (входящих в состав молекулы), тем больше степень ионности химической связи.

Задача №20

Найти геометрию молекул Решение задач по химии.

Решение:

Для определения геометрии ковалентных молекул необходимо:

  1. Выписать концовки электронных формул атомов, входящих в состав молекул.
  2. Распределить электроны многовалентного атома по атомным орбиталям согласно правилу Гунда и проявляемой им валентности в данном соединении и определить форму взаимодействующих электронных облаков атома.
  3. Найти ориентацию взаимодействующих электронных облаков многовалентного атома и распределение химических связей в пространстве, т.е. геометрию молекулы.

В состав молекулы Решение задач по химии входят атомы водорода и селена, концовки их электронных формул будут: Решение задач по химии.
Распределим электроны Se по атомным орбиталям:

Решение задач по химии

Так как Se в Решение задач по химии двухвалентен, то, следовательно, валентными будут лишь два р-электрона на 4 р-подуровне.

Согласно квантовой механике два р-облака одного и того же атома (в данном случае селена) будут ориентированы в пространстве под углом 90°. Следовательно, s-облака двух атомов водорода будут перекрываться двумя р-облаками по схеме:

Решение задач по химии

Угол между двумя химическими связями будет равен 90°, и поэтому молекула имеет угловую геометрическую конфигурацию.

Нетрудно сделать вывод, что если многовалентный атом молекулы трехвалентен и в образовании связи участвуют 3 р-облака, то они также будут ориентированы под углом 90° относительно друг друга, и молекула будет иметь в этом случае пирамидальную конфигурацию, как у Решение задач по химии:

Решение задач по химии

Примечание. Возможно отклонение ориентации нескольких р-облаков от угла 90°. Так, угол между двумя связями О-Н в молекуле воды равен 104°28’. Отклонение от угла 90° объясняется полярностью связи О-Н, в результате чего у атома водорода появляется положительный заряд; отталкивание этих зарядов увеличивает угол между связями.

Вывод. Если в образовании химической связи участвуют несколько одинаковых электронных облаков одного и того же атома, то геометрическая конфигурация молекул асимметрична (угловые, пирамидальные молекулы).

Молекула Решение задач по химии в состав этой молекулы входят атомы хлора и бериллия, и концовки их электронных формул выглядят: Решение задач по химии

Распределим электроны бериллия по АО 2-го энергетического уровня с учетом его валентности в Решение задач по химии:

Решение задач по химии

Валентными электронами у бериллия будут s— и р-электроны. Но известно? что во всех случаях, когда в образовании химических -связей у данного атома участвуют электроны разных’-подуровней, наблюдается гибридизация, или смешение электронных облаков. Гибридизация одного s— и одного р-электронных облаков приводит к образованию двух гибридных облаков — Решение задач по химии. Это sp-гибридизация.

Схема гибридизации электронных облаков Be:

Решение задач по химии

Относительно друг друга гибридные облака всегда ориентируются симметрично. В данном случае симметричность достигается, если между двумя g-облаками будет угол 180°. Две химические связи, образованные путем перекрытия двух р-облаков двух атомов хлора, двух g-облаков атома бериллия, расположены по прямой и противоположно направлены. Поэтому молекулы с этим видом гибридизации линейны:

Решение задач по химии

Нетрудно представить, что если у атома в результате Решение задач по химии — или Решение задач по химии-гибридизации участвуют соответственно Решение задач по химии— облака, то их симметричное распределение в пространстве достигается, если в первом случае угол между ними будет 120°, а во втором — 109°28’ (треугольная и тетраэдрическая молекулы).

Вывод. Участие гибридных облаков в химической связи приводит к возникновению молекул с симметричной геометрической конфигурацией (линейная, треугольная, тетраэдрическая и т.д.).

Задача №21

Определить тип ковалентных молекул.

Решение:

Различают два типа ковалентных молекул: неполярные (дипольный момент молекулы Решение задач по химии равен 0), полярные молекулы (дипольный момент Решение задач по химии > 0). Но дипольный момент молекулы Решение задач по химии только для двухатомной молекулы совпадает по значению и направлению с Решение задач по химии. В общем случае дипольный момент молекулы (Решение задач по химии) есть геометрическая сумма дипольных моментов Решение задач по химии всех связей. Следовательно, для того чтобы определить дипольный момент молекулы, необходимо знать: а) полярность химических связей (т.е. Решение задач по химии связей равен нулю или больше нуля); б) геометрическую конфигурацию молекул. Здесь можно встретиться со следующим: если дипольный момент Решение задач по химии связей равен нулю, то молекула в целом неполярная (Решение задач по химии равен нулю); если Решение задач по химии больше нуля, то тип молекулы будет определяться всецело геометрической конфигурацией молекулы. Если геометрия молекулы асимметрична, то дипольные моменты Решение задач по химии связей складываются по правилу параллелограмма и дипольный момент молекулы Решение задач по химии больше нуля, т.е. молекула полярна.

Если геометрическая конфигурация симметрична, То дипольный момент Решение задач по химии молекулы равен 0, т.е. молекула неполярная.

Определим тип молекулы Решение задач по химии. Для этого:

1. Определяем полярность связи H-Se-H на основе электроотрицательности Н и Se. Так как Решение задач по химии, то связь полярна.

2. Определяем геометрическую конфигурацию молекулы Решение задач по химии. Делаем вывод: Решение задач по химии — молекула угловая, т.е. асимметрична.

3. Складываем дипольные моменты связей Решение задач по химии по правилу параллелограмма и находим дипольный момент молекулы Решение задач по химии:

Решение задач по химии

Дипольный момент молекулы Решение задач по химии в данном случае больше О, следовательно, молекула полярна.

Определим тип молекулы Решение задач по химии. Для этого:

  1. Определяем полярность связи Решение задач по химии на основе электроотрицательности. Так как Решение задач по химии, то связь полярна.
  2. Определяем геометрическую конфигурацию Решение задач по химии. Делаем вывод: молекула линейна (симметрична).
  3. Складываем дипольные моменты связей Решение задач по химии:
Решение задач по химии

но геометрическая сумма двух равных векторов, имеющих различное направление, равна 0, т.е. дипольный момент молекулы равен 0, а молекула неполярна.

Задача №22

Описать строение двухатомных гомоядерных молекул элементов И периода на основе молекулярных орбиталей (МО).

Решение:

В методе молекулярных орбиталей состояние молекулы описывается как совокупность электронных МО. При этом число МО равно сумме АО; МО, возникающей от сложения АО, соответствует более низкая энергия, чем исходным орбиталям. Такая МО имеет повышенную электронную плотность в пространстве между ядрами, способствует образованию химической связи и называется связывающей. МО, образовавшейся от вычитания атомных орбиталей, соответствует более высокая энергия, чем АО. Электронная плотность в этом случае сконцентрирована за ядрами атомов, а между ними равна 0. Подобные МО энергетически менее выгодны, чем исходные АО, они приводят к ослаблению химической связи и называются разрыхляющими. Электроны, занимающие связывающие и разрыхляющие орбитали, называют соответственно связывающими и разрыхляющими электронами. Заполнение молекулярных орбиталей происходит при соблюдении принципа Паули и правила Гунда по мере увеличения их энергии в такой последовательности:

Решение задач по химии

При образовании молекулярных орбиталей из атомных для двухатомных гомоядерных (одного и того же элемента) молекул элемента II периода число связывающих и разрыхляющих электронов зависит от их числа в атомах исходных элементов (рис.1):

Решение задач по химии

Рис. 1. Энергетическая схема образования молекулярных орбиталей из атомных для гомоядерных молекул 11 периода

Следует отметить, что при образовании молекул Решение задач по химии энергия связывающей сигма Решение задач по химии-орбитали больше энергии связывающих Решение задач по химии-орбиталей, тогда как в молекулах кислорода и фтора, наоборот, энергия связывающих Решение задач по химии— и Решение задач по химии.-орбиталей больше энергии связывающей ст2рг-орбитали. Это нужно учитывать при изображении энергетических схем соответствующих молекул.

Порядок связи в молекуле определяется разностью чисел связывающих и разрыхляющих орбиталей, деленной на два. Порядок связи может быть равен 0 (молекула не существует), целому или дробному положительному числу.

Подобно электронным формулам, показывающим распределение электронов в атоме по атомным орбиталям, в методе МО составляются формулы молекул, отражающие их электронную конфигурацию. По аналогии с атомными s-, p-,d-, f-орбиталями МО обозначаются греческими буквами Решение задач по химии. Так, электронная конфигурация молекул кислорода описывается следующим образом:

Решение задач по химии

Буквами КК показано, что четыре 15-электрона (два связывающих и два разрыхляющих) практически не оказывают влияния на химическую связь.

Основы химической термодинамики

Химическая термодинамика — наука, изучающая переходы энергии из одной формы в другую при химических реакциях и устанавливающая направление и пределы их самопроизвольного протекания в заданных условиях.

Итак, наука о взаимных превращениях различных видов энергии называется термодинамикой. Термодинамика устанавливает законы этих превращений, а также направление самопроизвольного течения различных процессов в данных условиях.

Тенденция к беспорядку характеризует величину, которую называют энтропией (S). Энтропия S и энтальпия Н являются свойством вещества: энтропия 5 отражает движение частиц вещества и является мерой неупорядоченности системы.

Движущаяся сила процесса складывается из двух сил: стремления к упорядочению Н и стремления к беспорядку TS. При постоянном значении давления Р и абсолютной температуре Т общую движущую силу обозначают Решение задач по химии

Величина G называется изобарно-изотермическим потенциалом, или энергией Гиббса. Общую движущую силу процесса G можно найти из соотношения: Решение задач по химии

Мерой химического сродства является убыль энергии Гиббса Решение задач по химии, зависящая от природы вещества, его количества и температуры. Энергия Гиббса является функцией состояния Решение задач по химии поэтому Решение задач по химии может принимать три значения: Решение задач по химии Решение задач по химии. Если Решение задач по химии процесс самопроизвольно проходить не может. Если же Решение задач по химии то процесс проходит самопроизвольно слева направо. При значении Решение задач по химии система находится в равновесии.

Использование изобарных потенциалов в общей химии

Используя значения изобарных потенциалов, можно:

  1. Определить возможность или направление реакций в любых условиях (в частном случае коррозионную устойчивость металлов в различных агрессивных средах).
  2. Установить влияние температуры на направление химического процесса.
  3. Сопоставить химические свойства элементов, простых и сложных веществ.
  4. Вычислить константу равновесия при различных температурах и определить оптимальные физико-химические условия образования химических веществ.
  5. Находить стандартную ЭДС — Е° и теоретический (термодинамический) КПД любого химического источника тока (гальванического элемента, топливного элемента, аккумулятора), в котором в качестве электролита могут быть использованы водные и неводные растворы электролитов и так называемые твердые электролиты.
  6. Рассчитать теоретический потенциал разложения и КПД для низко- и высокотемпературных реакций, протекающих в электролизере.

Задача №23

Доказать, возможна ли химическая коррозия алюминия в атмосфере сухого воздуха при температуре 25°C по реакции:

Решение задач по химии

Решение:

Так как Решение задач по химии для алюминия и кислорода равны 0, то Решение задач по химии Полученная величина Решение задач по химии меньше 0, поэтому окисление алюминия возможно не только в стандартных условиях (в чистом кислороде, парциальное давление которого равно 1 атм.), но и в нестандартных условиях (в воздухе, в газовой смеси, с незначительным содержанием кислорода).

Повышенную коррозионную устойчивость алюминия придает прочный защитный слой из Решение задач по химии (оксидная изоляция). Этой особенностью алюминия объясняется большая популярность алюминия в энергетике (в настоящее время длина алюминиевых проводов на линии высоковольтных передач во всем мире превышает Решение задач по химии км); в электротехнике (половина всех кабелей с резиновой, полиэтиленовой, поливинилхлоридной изоляцией выпускается с алюминиевыми токопроводящими жилами).

Задача №24

Возможна ли реакция фиксации азота водой: Решение задач по химии

если Решение задач по химии?

Решение:

Решение задач по химии имеет положительное значение, поэтому реакция невозможна при любых условиях. (Для смещения равновесия в этом случае потребовалось бы давление порядка Решение задач по химии атм., что практически недостижимо.)

Влияние температуры на направление химического процесса

Задача №25

Восстановление Решение задач по химии водородом идет по уравнению:

Решение задач по химии

Определить, возможна ли эта реакция в стандартных условиях, если изменение энтропии Решение задач по химии = 0,1387 кДж/(моль-К)? При какой температуре начинается восстановление Решение задач по химии?

Решение:

Решение задач по химии

Так как Решение задач по химии то реакция в стандартных условиях невозможна. Более того, в этих условиях идет обратный процесс окисления железа (коррозия). Найдем температуру, при которой Решение задач по химии

Решение задач по химии

Вывод. Следовательно, восстановление Решение задач по химии начнется при Решение задач по химии

Возможно эта страница вам будет полезна:

Решение задач по неорганической химии

Использование изобарного потенциала для характеристики химических свойств элементов, простых и сложных веществ

Задача №26

Вычислить изменение Решение задач по химии по значениям стандартных потенциалов образования Решение задач по химии реагирующих веществ для процессов:

Решение задач по химии

1) решить вопрос о термодинамической устойчивости смесей веществ: Решение задач по химии

2) сделать заключение о возможности контакта указанных веществ при создании резистивных пленок.

Решение:

Решение задач по химии

Учитывая, что Решение задач по химии всех простых веществ равно О, находим:

Решение задач по химии прод.реакиии — Решение задач по химии исх.веществ и по знаку и числовому значению Решение задач по химии делаем вывод о возможном направлении реакций при стандартной температуре в стандартных условиях:

Решение задач по химии

Выводы.

  1. Первая реакция возможна. Следовательно, комбинация указанных веществ Решение задач по химии термодинамически неустойчива, поэтому при напылении алюминия на оксид олова (для осуществления электрического контакта в резистентной пленке) образуется изолирующий слой оксида алюминия, который прерывает пленку.
  2. Вторая реакция невозможна, т.е. комбинации Решение задач по химии термодинамически устойчивы. Так как никель не реагирует с оксидом олова, а также с алюминием, то можно создать резистор на основе оксида олова и алюминия путем ввода Ni в качестве промежуточного слоя, что обеспечивает надежный контакт.

Таким образом, вопрос совместимости металлических резистивных и диэлектрических материалов, используемых в создании микроэлектронных и особенно пленочных схем, требует тщательного изучения.

Задача №27

Решение задач по химии (карбид кремния) — карборунд интересен как полупроводник и как термически устойчивое твердое вещество (абразив). Находит широкое применение в технике:

  1. Из Решение задач по химии изготовляют нелинейные сопротивления (варисторы), т.е. приборы, значение омического сопротивления которых зависит от приложения к ним напряженности электрического поля.
  2. Диоды и транзисторы, работающие при высокой температуре.
  3. Входит в состав силита (смесь кремния и глицерина), используется как нагревательный элемент в электропечах, работающих при температуре выше 1000 °C, из Решение задач по химии вместе с В4С конструируют высокотемпературную термопару. Решение задач по химии получают нагреванием до 2000 °C в электропечах. Студентам электроэнергетического профиля надо знать, как определяют оптимальные физико-химические условия получения Решение задач по химии в электропечах по реакции:
Решение задач по химии

Решение:

1. Выпишем Решение задач по химии для всех участников реакции:

Решение задач по химии

2. Подсчитаем Решение задач по химии

Решение задач по химии

3. Подсчитаем Решение задач по химии

Решение задач по химии

Выводы. Так как Решение задач по химии то данный процесс обратим, невозможен при низкой температуре. Указанный вывод можно подтвердить путем расчета Решение задач по химии и Решение задач по химии

Решение задач по химии

реакция при низких температурах невозможна.

4. Прежде чем вычислить Решение задач по химии, определим температуру начала реакции, когда Решение задач по химии. = 0 по уравнению:

Решение задач по химии
Решение задач по химии

реакция протекает слева направо лишь при температуре выше 1783 К.

5. Подсчитаем Решение задач по химии. при любой температуре выше 1783 К, например, при Т — 273 К:

Решение задач по химии

реакция невозможна.

6. Определим глубину протекания прямого процесса при Т = 2273 К, т.е. определим Решение задач по химии по формуле:

Решение задач по химии
Решение задач по химии

Вывод. Кр = 4. Это свидетельствует о резком смещении равновесия в сторону прямого процесса при данных температурных условиях.

7. Следует отметить, что для определения оптимальных температур процесса необходимо проводить расчет Решение задач по химии для ряда температур выше 1783 К. Причем, если расчет покажет, что дальнейшее повышение температуры мало меняет Решение задач по химии, то целесообразно остановить свой выбор на меньшем значении абсолютной температуры: Т > 1783 К.

Задача №28

Найти стандартную ЭДС (Е°) и КПД для кислородно-водородного топливного элемента.

Решение:

1. Запишем анодные и катодные процессы и суммарную окислительно-восстановительную реакцию, т.е. токообразующую реакцию топливного элемента:

Химия задачи с решением

2. Выпишем из табл. 16, 17 значения Химия задачи с решением Химия задачи с решением соответственно: -273 кДж/моль; -286 кДж/моль.

Определим Е (стандартную ЭДС) на основании соотношения Химия задачи с решением где число электронов, отдаваемых восстановителем или получаемых окислителем при образовании 1 моль воды (ж).

Химия задачи с решением

Обратим внимание на число Фарадея, вспомнив, что 1Дж равен 1 Кл-1 В, а следовательно, 1 Кл = Дж/В,

4. На основании второго закона термодинамики, который математически можно записать в виде формулы:

Химия задачи с решением, где Химия задачи с решением — связанная энергия и не может быть превращена в работу’ (в данном случае электрическую), определим, какая часть теплоты реакции превращается в максимально полезную работу-, или найдем теоретический (термодинамический) КПД топливного элемента, %:

Химия задачи с решением

Задача №29

Опытным путем было определено напряжение на клеммах при электролизе воды в электролизере с ртутным катодом Химия задачи с решением. Найти теоретический потенциал разложения воды Химия задачи с решением и КПД электролизера с ртутным катодом.

Решение:

1. На основании катодных и анодных процессов запишем суммарную реакцию электролиза воды:

Химия задачи с решением

Итог: Химия задачи с решением

2. Обратим внимание на то, что суммарная реакция электролиза представляет собой реакцию разложения воды (ж) на соответствующие простые вещества, т.е.

Химия задачи с решением

3. Вычислим теоретический потенциал разложения воды на основании соотношения:

Химия задачи с решением

4. Определим КПД электролизера Химия задачи с решением:

Химия задачи с решением

Задача №30

Определите устойчивость соединений:

Химия задачи с решением

Вывод. Известно положение, что чем меньше алгебраическая величина Химия задачи с решением образования, тем устойчивее соединение. В этом примере среди гидридов самое устойчивое соединение — вода, а неустойчивое — Химия задачи с решением Следовательно, устойчивость гидридов по подгруппе сверху вниз падает.

Таблица 16

Стандартные теплоты (энтальпии) образования Химия задачи с решением некоторых веществ

Химия задачи с решением

Таблица 17

Стандартная энергия Гиббса образования Химия задачи с решением некоторых веществ

Химия задачи с решением

Таблица 18

Стандартные абсолютные энтропии Химия задачи с решением некоторых веществ

Химия задачи с решением
  1. Скорость химических реакций и химическое равновесие. Катализ

Раздел химии, изучающий скорости химических процессов, называется химической кинетикой. Основной величиной химической кинетики является скорость химической реакции. Химические реакции протекают с различной скоростью: со взрывом и медленно. Скоростью химической реакции называется число элементарных актов реакции, происходящих в единицу времени в единице объема. Скорость химической реакции выражается изменением концентрации реагирующих веществ в единицу времени.

Количественная зависимость между скоростью реакции и концентрациями реагирующих веществ выражается законом действия масс. Это важное положение установлено в 1867 году норвежскими учеными Гулдбергом и Вааге.

Концентрацию в данных условиях выражают количеством в молях вещества в 1 л.

Скорость химической реакции зависит от ряда факторов. Важнейшими факторами, влияющими на скорость реакции, являются температура, давление, концентрация, катализатор и природа реагирующих веществ.

Критерием осуществления реакций является выполнение условия Химия задачи с решением

Задача №31

Во сколько раз увеличится скорость реакции при повышении температуры от 20 до 80 °C, если температурный коэффициент равен 2?

Решение:

По формуле Химия задачи с решением находим, что

Химия задачи с решением

Следовательно, скорость реакции увеличивается в 64 раза.

Задача №32

Как изменится скорость реакции

Химия задачи с решением

если уменьшить объем газовой смеси в 5 раз?

Решение:

Пусть концентрации Химия задачи с решением до изменения объема равнялись: Химия задачи с решением. Тогда скорость реакции Химия задачи с решением

При уменьшении объема в 5 раз концентрации веществ увеличились в 5 раз и поэтому составили: Химия задачи с решением. В этом случае Химия задачи с решением Сопоставляя Химия задачи с решением видим, что скорость реакции увеличилась в 125 раз.

Задача №33

При состоянии равновесия системы

Химия задачи с решением

концентрация оксида азота оказалась равной 0,056; кислорода -0,028; диоксида азота — 0,044 моль/л. Вычислить исходные концентрации Химия задачи с решением.

Решение:

В первоначальный момент концентрация двуокиси азота равна 0. Каждый моль образуется из одного моля Химия задачи с решением и 0,5 моля кислорода. Тогда для образования 0,044 моль/л Химия задачи с решением в соответствии с уравнением реакции израсходовано Химия задачи с решением 0,044; кислорода — 0,044/2 = 0,022 моль/л. Исходные концентрации оксида азота и кислорода:

Химия задачи с решением

Задача №34

Исходная молярная концентрация йода Химия задачи с решением равна 1 моль/л, водорода Химия задачи с решением — 2 моль/л. Вычислить равновесные концентрации веществ при температуре 500 °C, если константа химического равновесия реакции Химия задачи с решением при этой температуре равна 50.

Решение:

Обозначим количество водорода, прореагировавшего к моменту наступления равновесия на каждый литр смеси, через х. Из уравнения реакции видно, что должно было одновременно прореагировать х йода, тогда количество образовавшегося Химия задачи с решением будет равно 2х.

Химия задачи с решением
Химия задачи с решением

Решая уравнение, получим: x = 0,93.

Равновесные концентрации:

Химия задачи с решением

Задача №35

Как отразится повышение давления на следующем равновесии: Химия задачи с решением?

Решение:

Повышение давления вызовет смещение равновесия влево, т.е. в сторону процесса, идущего с уменьшением количества реагирующего вещества. Уменьшение давления влечет смещение равновесия в обратном направлении.

Физико-химические свойства растворов

Свойства растворов подчиняются законам Вант-Гоффа и Рауля, которые:

  • Позволяют определять молекулярные массы растворенных веществ.

Задача №36

При растворении 15 г хлороформа в 400 г эфира, эбулиоскопическая константа которого 2,12 °C, температура кипения повысилась на 0,665 °C. Определите молекулярную массу хлороформа.

Решение:

Химия задачи с решением

где К — криоскопическая или эбулиоскопическая константа, К -2,12; М — молекулярная масса, Химия задачи с решением — масса растворенного вещества, Химия задачи с решением = 15 г; м2 — масса растворителя, Химия задачи с решением= 400 г; Химия задачи с решением -понижение температуры замерзания или повышение температуры кипения, Химия задачи с решением — 0,665 °C.

Химия задачи с решением

2. Позволяют определять природу растворенного вещества.

Задача №37

При растворении 3,24 г серы в 40 г бензола температура кипения последнего повысилась на 0,81 °C. Из скольких атомов состоят молекулы серы в растворе? (К = 2,57.)

Решение:

Химия задачи с решением

(Ответ: молекула серы состоит из 8 атомов — Se.)

3. Позволяют рассчитать холодильные смеси (расчет состава антифризов, радиаторных жидкостей).

Задача №38

В радиатор автомобиля налили 9 л воды и прибавили 2 л метилового спирта (р = 0,8). При какой наинизшей температуре можно после этого оставлять автомобиль на открытом воздухе, не боясь, что вода в радиаторе замерзнет?

Решение:

Химия задачи с решением

4. Позволяют вычислить степень диссоциации электролита (а), если известен коэффициент Вант-Гоффа i, который можно найти по понижению температуры замерзания или повышению температуры кипения раствора.

Задача №39

Раствор, содержащий 0,1 моль бинарного электролита в 1000 г воды, замерзает при t = -0,196 °C. Определить степень диссоциации электролита. >

Решение:

Химия задачи с решением

Находим числовое значение понижения температуры замерзания раствора по формуле Химия задачи с решением. Так как для воды

Химия задачи с решением

Определяем коэффициент Вант-Гоффа i:

Химия задачи с решением

Вычисляем степень диссоциации электролита, учитывая, что молекула его диссоциирует на два иона:

Химия задачи с решением

нового эфира (С2Н5)2О температура кипения повысилась на 0,453 °C, определите относительную молекулярную массу растворенного вещества. (Ответ: 145.)

Ионные реакции и ионные уравнения

Для выражения сущности реакций, протекающих при взаимодействий между электролитами в растворах, пользуются так называемыми ионными уравнениями.

В ионных реакциях, протекающих в растворах электролитов, не происходит изменения заряда ионов. Такие реакции называются ионообменными. Ионные реакции могут протекать между ионами практически до конца с образованием газов, осадков, слабых электролитов и комплексных ионов (правило Бертолле). При образовании указанных веществ происходит стяжение ионов, что энергетически выгодно. При стяжении ионов концентрация их понижается, и согласно принципу Ле Шателье равновесие смещается в сторону наибольшего стяжения ионов. Например:

Химия задачи с решением

Для выражения сущности ионообменных реакций используют особую форму записи уравнений — ионные уравнения. При составлении ионных уравнений учитываются основные свойства веществ: сила электролита, его растворимость. В ионных уравнениях сильные растворимые электролиты записываются в виде ионов, ибо они в растворе находятся именно в таком состоянии. Слабые электролиты, газы и малорастворимые соединения (даже если они являются сильными электролитами) — в виде молекул, независимо от того, являются ли они исходными веществами или продуктами реакции.

Запишем приведенные реакции в виде ионов:

Химия задачи с решением

Исключив из уравнений ионы, которые не принимают участия в реакции, получим сокращенные ионные уравнения, отображающие сущность реакций:

Химия задачи с решением

Методика составления ионных уравнений

  1. Записывается молекулярное уравнение реакции.
  2. Составляется полное ионное уравнение процесса. Для этого осадки, газы, слабые электролиты записываются в виде молекул, а остальные вещества (сильные и хорошо растворимые электролиты) — в виде ионов (прил.2).
  3. Вычеркиваются ионы, не принимавшие участия в процессе (эти ионы находятся в обеих частях равенства в одинаковом количественном и качественном состоянии).
  4. Записывается сокращенное ионное уравнение, т.е. химические формулы только тех молекул и ионов, которые участвуют в обменном процессе, а также продукты их взаимодействия.
  5. Если коэффициенты в сокращенном ионном уравнении содержат общие множители, то их сокращают на эти множители.

Задача №40

Химия задачи с решением

В ионных реакциях знак равновесия Химия задачи с решением ставится в реакциях, идущих в слабых электролитах. В реакциях с сильными электролитами ставится знак Химия задачи с решениемкоторый показывает преимущественное направление процесса в сторону образования менее растворенного вещества.

Задача №41

Химия задачи с решением

Вода в этой реакции является более слабым электролитом, чем уксусная кислота, поэтому равновесие этой реакции смещено вправо.

Задача №42

Химия задачи с решением

Здесь при добавлении ионов Химия задачи с решением (щелочи) в растворе появляются анионы Химия задачи с решением.

Гидролиз солей

Химическое обменное взаимодействие ионов растворенной соли с ионами водорода или ионами гидроксида воды, сопровождающееся изменением pH-среды, называется гидролизом.

Гидролиз по аниону сводится к взаимодействию аниона слабой кислоты Химия задачи с решением, входящего в состав соли, с ионами воды Н+. В результате концентрация ионов понижается, равновесие диссоциации воды смещается вправо

(в сторону продуктов реакции), повышается pH раствора:

Химия задачи с решением

где МА — формула соли, Химия задачи с решением — катион сильного основания, Химия задачи с решением — анион слабой кислоты.

Гидролиз по катиону сводится к взаимодействию катиона слабого основания Химия задачи с решением, входящего в состав соли, с ионами воды Химия задачи с решением. Концентрация ионов Химия задачи с решением и pH раствора ‘понижается, равновесие диссоциации воды смещается вправо:

Химия задачи с решением

где Химия задачи с решением — катион слабого основания, Химия задачи с решением — анион сильной кислоты. Ионы солей, образованных сильным основанием и сильной кислотой, не взаимодействуют с ионами воды:

Химия задачи с решением

Между ионами Химия задачи с решением и Химия задачи с решением, Химия задачи с решением и Химия задачи с решением нет стяжения, так как Химия задачи с решением — сильные электролиты. Равновесие диссоциации воды не смещается. Поэтому водные растворы солей типа Химия задачи с решением гидролизу не подвергаются и их водные растворы имеют pH = 7. Соли, образуемые от взаимодействующих сил кислот и оснований, подразделяются на 4 типа:

  1. Соли, образованные сильной кислотой и сильным основанием: Химия задачи с решением
  2. Соли, образованные слабой кислотой и сильным основанием: Химия задачи с решением
  3. Соли, образованные сильной кислотой и слабым основанием: Химия задачи с решением
  4. Соли, образованные слабой кислотой и слабым основанием: Химия задачи с решением Химия задачи с решением

Соли 1 типа гидролизу не подвергаются. Гидролиз солей 2-4 типов может быть по форме простым и ступенчатым. Некоторые соли 4 типа подвергаются полному гидролизу.

Методика составления уравнений гидролиза

1. По составу соли определяют тип гидролиза по:

а) катиону; б) аниону; в) катиону и аниону.

2. Записывают сокращенное ионное уравнение, которое отражает взаимодействие иона соли (аниона, катиона, катиона и аниона) с одной молекулой воды (в форме НОН). В уравнении стрелкой указывают стяжение ионов.

3. По сокращенному ионному уравнению находят молекулярное уравнение. При этом нужно помнить, что двух- и более зарядные ионы гидролизуются ступенчато, образуя по 1-й ступени кислую или основную соль (но не свободную кислоту и основание), а по другим — образуют свободную кислоту или основание. Число ступеней гидролиза равно заряду иона.

Задача №43

Напишите уравнение взаимодействия цианистого калия с водой.

Химия задачи с решением

где К — ион сильного электролита КОН, гидролизу не подвергается; Химия задачи с решением — однозарядный ион слабой кислоты, подвергается простому гидролизу. Сокращенное ионное уравнение:

Химия задачи с решением

Молекулярное уравнение:

Химия задачи с решением

Задача №44

Составить ионно-молекулярные и молекулярные уравнения гидролиза сульфида натрия.

Химия задачи с решением — ион сильного электролита Химия задачи с решением, не гидролизуется;

Химия задачи с решением— двухзарядный ион слабой кислоты Химия задачи с решением гидролизуется ступенчато. Сокращенные ионные уравнения:

Химия задачи с решением

Молекулярные уравнения:

Химия задачи с решением

Гидролиз идет, в основном, по 1-й ступени по следующим причинам:

  1. Процесс между электролитами направлен в сторону наиболее полного связывания ионов (в сторону образования более слабого электролита). Сравнение диссоциации Химия задачи с решением и Химия задачи с решением показывает, что ионы полнее связаны в Химия задачи с решением Именно ион Химия задачи с решением— получается в результате гидролиза (что соответствует кислой соли Химия задачи с решением).
  2. Вследствие накопления в растворе значительного количества ионов Химия задачи с решением, способствующих протеканию процесса справа налево (согласно принципу Ле Шателье, 2-я ступень гидролиза практически не идет).

Задача №45

Составить ионно-молекулярные и молекулярные уравнения гидролиза хлорида аммония Химия задачи с решением.

Химия задачи с решением

где Химия задачи с решением — ион сильного электролита НС1, в гидролизе не участвует; Химия задачи с решением — однозарядный ион слабого электролита Химия задачи с решением, подвергается простому гидролизу.

Сокращенное ионное уравнение.

Химия задачи с решением

Молекулярное уравнение гидролиза:

Химия задачи с решением

Задача №46

Составить ионно-молекулярные и молекулярные уравнения гидролиза сульфата алюминия Химия задачи с решением.

Химия задачи с решением

где Химия задачи с решением— ион сильного электролита Химия задачи с решением, гидролизу не подвергается; Химия задачи с решением— трехзарядный ион слабого электролита Химия задачи с решением, подвергается гидролизу ступенчато.

Сокращенные ионные уравнения:

Химия задачи с решением

Молекулярные уравнения:

Химия задачи с решением

Накопление значительных количеств ионов Н+ способствует протеканию процесса справа налево, и поэтому реакция гидролиза ограничивается 1-й и частично 2-й ступенями.

Задача №47

Составьте ионно-молекулярные и молекулярные уравнения гидролиза уксуснокислого аммония Химия задачи с решением

Химия задачи с решением

где Химия задачи с решением — анион слабой кислоты Химия задачи с решением — катион слабого основания Химия задачи с решением.

Ионное уравнение гидролиза:

Химия задачи с решением

Молекулярное уравнение:

Химия задачи с решением

Силы образовавшихся электролитов примерно одинаковы:

Химия задачи с решением

Соль гидролизуется значительно, ибо оба продукта гидролиза Химия задачи с решением — слабые электролиты.

Окислительно-восстановительные реакции

Реакции, протекающие с изменением окислительных чисел атомов реагирующих веществ, называются окислительно-восстановительными.

Изменение окислительных чисел (о.ч.) происходит в результате перехода электронов от одних атомов или ионов к другим. Окислительные числа атомов могут иметь положительное, нулевое и отрицательное значения (o.4.Na = +1; Ва = +2; Fe = +3). Процесс отдачи атомом (ионом или молекулой) электронов называется окислением, процесс присоединения электронов атомами или ионами — восстановлением.

Вещество, атомы или ионы которого отдают электроны, называется восстановителем. Например, Химия задачи с решением. Здесь нейтральный атом алюминия, теряет 3 электрона, окисляется в трехзарядный положительный ион алюминия. Происходит повышение окислительного числа (признак окисления). Восстановитель отдает электроны, и алгебраическая его степень окисления (о.ч.) повышается. В нашем примере атом алюминия, теряя электроны, является восстановителем, о.ч. его повышается от 0 до +3.

Вещество, атомы или ионы которого присоединяют электроны, называется окислителем. При этом о.ч. понижается: Химия задачи с решением, присоединяя Химия задачи с решением, восстанавливается в нейтральный атом меди. Ион Химия задачи с решением, присоединяя электроны, является окислителем, причем о.ч. меди понижается от 2+ до 0.

В окислительно-восстановительных реакциях (ОВР) окисление и восстановление протекают одновременно: одни элементы окисляются, другие — восстанавливаются. Окислительно-восстановительные реакции, следовательно, представляют собой единство двух противоположных тенденций. В этом заключается проявление основных законов материалистической философии: закона единства и борьбы противоположностей, перехода количественных изменений в качественные.

В окислительно-восстановительных реакциях неважен тип химической связи, важен только переход электронов.

У иона N с о.ч. +5 Химия задачи с решением проявляются только окислительные свойства.

У иона N с о.ч. +4 Химия задачи с решением — окислительно-восстановительные.

Химия задачи с решением

У иона N с о.ч. -3 Химия задачи с решением — только восстановительные свойства (см. табл. 19).

Таблица 19

Окислительно-восстановительные свойства атомов и сложных веществ

Химия задачи с решением
Химия задачи с решением

Задача №48

Составить уравнения окислительно-восстановительной реакции, идущей по схеме:

Химия задачи с решением

Если в условиях задачи даны исходные и конечные продукты, то написание уравнения сводится к нахождению и расстановке коэффициентов. Коэффициенты определяют методом электронного или электронно-ионного баланса с помощью полуреакций.

Решение:

Химия задачи с решением

Задача №49

Составить уравнение реакции взаимодействия марганцово-кислого калия с сернисто-кислым натрием в кислой среде Химия задачи с решением.

Решение:

Химия задачи с решением

Как показывают примеры, целесообразно придерживаться определенного порядка (алгоритма) составления окислительно-восстановительных уравнений.

  1. Составить молекулярную или ионную схему реакции.
  2. Определить, какие элементы изменяют окислительное число, значение окислительного числа написать над формулами в левой и правой частях схемы.
  3. Составить электронно-ионные уравнения для процессов окисления и восстановления.
  4. Определить ион-окислитель и ион-восстановитель, а также продукт восстановления иона-окислителя (его восстановленную форму) и продукт окисления иона-восстановителя (его окисленную форму).
  5. Найти коэффициент для восстановителя и окислителя и для продуктов их превращения. Для этого нужно суммировать электронно-ионные уравнения, предварительно умножив найденные коэффициенты. (Нужно помнить, что число электронов, теряемых восстановителем, должно равняться числу электронов, присоединяемых окислителем).
  6. Проверить число атомов каждого элемента в обеих частях и подобрать коэффициенты для всех остальных веществ.

Различная степень стремления элементов к приобретению или отдаче электронов более полно выражена в окислительно-восстановительных потенциалах или редоксипотенциалах. Чем

больше числовое значение потенциала со знаком плюс (+) данного атома, тем больше его окислительные свойства. При отрицательном значении потенциала у атома или иона выражены восстановительные свойства (стремление к отдаче электронов).

О полноте протекания окислительно-восстановительной реакции можно судить по разности окислительно-восстановительных потенциалов (двух систем или ЭДС). Если ЭДС ОВР имеет положительное значение, то реакция идет слева направо.

Значения окислительно-восстановительных потенциалов систем приводятся в прил. 13. Они получены измерением с помощью нормального водородного электрода, потенциал которого принят равным нулю. Таблица нормальных окислительно-восстановительных потенциалов позволяет:

  • установить по знаку и числовому значению нормальных окислительно-восстановительных потенциалов окислительные и восстановительные свойства;
  • определить изменение стандартного потенциала в зависимости от характера среды;
  • установить, какое из соединений, образуемых данным элементом, является активным восстановителем и окислителем;
  • предсказать возможность прохождения окислительно-восстановительной реакции, ее направленность (реакция может протекать слева направо, если (Химия задачи с решением окислителя больше Химия задачи с решением восстановителя);
  • определить интенсивность прохождения той или иной окислительно-восстановительной реакции.

Для правильного составления окислительно-восстановительной реакции важно знать закономерности взаимодействия металлов с водой, кислотами и водными растворами щелочей. При взаимодействии металлов с водой, простыми кислотами и щелочами в роли окислителя будет ион водорода воды.

Условия растворения металла в воде:

1. Химия задачи с решением

2) растворимость естественной оксидной пленки металла в воде;

3) растворимость продукта взаимодействия металла с водой (гидроксид) в воде.

Указанным условиям при обыкновенной температуре удовлетворяют лишь щелочные и щелочно-земельные металлы.

Условия растворения металла в щелочи:

1) Химия задачи с решением

2) естественная оксидная пленка металла растворяется в щелочи;

3) гидроксид металла растворяется в щелочи.

Указанным условиям удовлетворяют амфотерные металлы Химия задачи с решением.

Условия, необходимые для растворения металла в простых кислотах:

1) металл в ряду напряжений должен располагаться левее водорода, или Химия задачи с решением

2) образуется продукт взаимодействия металла с кислотой (соль);

3) этот продукт (соль) растворяется в воде.

В азотной кислоте окислителем является азот, в концентрированной серной кислоте — сера.

Концентрированная азотная кислота с металлом реагирует по схеме:

Химия задачи с решением

в разбавленной азотной кислоте:

Химия задачи с решением

Некоторые металлы Химия задачи с решением при взаимодействии с холодной концентрированной азотной и серной кислотами образуют пассивную пленку (пассивируются):

Химия задачи с решением

При нагревании пленка разрушается (депассивируется), металл растворяется:

Химия задачи с решением

В зависимости от активности металла серная кислота восстанавливается до Химия задачи с решением

Химия задачи с решением

Некоторые металлы Химия задачи с решением растворяются только в «царской водке». «Царская водка» представляет собой смесь, состоящую из одного объема концентрированной азотной кислоты и трех объемов концентрированной соляной кислоты. Эта смесь обладает повышенными окислительными свойствами за счет появления атомарного хлора:

Химия задачи с решением

В подобных реакциях Химия задачи с решением выполняет роль окислителя, а Химия задачи с решением — поставщика лигандов для образования комплексного соединения.

Возможно эта страница вам будет полезна:

Химия экзаменационные билеты

Электродные потенциалы. Электродвижущие силы. Гальванические элементы

При помещении металлической пластинки в воду можно заметить протекание следующего процесса: расположенные на ее поверхности катионы металла будут гидратироваться полярными молекулами воды и переходить в раствор. А электроны, остающиеся в металле, заряжают его поверхностный слой отрицательно. Возникает электростатическое притяжение между перешедшими в раствор гидратированными катионами и поверхностью металла. В результате устанавливается подвижное (динамическое) равновесие:

Химия задачи с решением

Здесь n — число электронов, принимающих участие в процессе. На границе металл — раствор возникает двойной электрический слой. Заряженная поверхность электрода вместе с прилегающим противоположно заряженным слоем раствора называется двойным электрическим слоем. Двойной электрический слой состоит из плотной части и диффузной части двойного электрического слоя. На границе металл-раствор возникает скачок потенциала — электродный потенциал.

Стандартным электродным потенциалом металла называют его электродный потенциал, возникающий при погружении металла в раствор его иона с концентрацией, равной 1 моль/л, измеренный по сравнению со стандартным водородным электродом, потенциал которого при 25 °C условно принимается равным нулю. Электронный потенциал измеряют приборами, называемыми гальваническими элементами. ЭДС должна иметь положительные значения.

Химия задачи с решением

Электродный потенциал зависит от концентрации его ионов в растворе, которая выражается уравнением Нернста — Тюрина:

Химия задачи с решением

где Химия задачи с решением — электродный потенциал металла; Химия задачи с решением — стандартный электродный потенциал; n — число электронов, принимающих участие в процессе; Са — активная концентрация гидратированных ионов металла в растворе, моль/л.

Химическая реакция, на основе которой работает элемент, называется токообразующей. Вследствие работы гальванического элемента (протекания токообразукзщей реакции во внешней цепи) появляется электрический ток, который используется для работы, что является целью применения элемента в качестве химического источника тока.

Условная схема записи гальванических элементов составляется по следующим правилам:

1. Все фазы, составляющие элемент, записываются в одну строчку в том порядке, потенциал которого имеет меньшее значение. К примеру, для медно-цинкового элемента: Химия задачи с решением, Химия задачи с решением

Вместо солей, находящихся в растворе, можно записывать только потенциалопределяющие ионы: Химия задачи с решением.

Поверхность раздела между материалом электрода и раствором обозначается одной вертикальной чертой, а между растворами — двумя сплошными вертикальными чертами: Химия задачи с решением Поэтому слева и справа от двойной черты записывают частицы, находящиеся в растворе, — ионы.

Если имеются несколько электродов, то их перечисляют, разделяя запятыми. Например, водородно-цинковый электрод будег записан гак: Химия задачи с решением находят по формуле:

Химия задачи с решением

Встречается менее строгая запись: Химия задачи с решением в которой материал “подкладки” (платина) заключен в круглые скобки. “Подкладка” — основа, на которой адсорбируется газ, поэтому ее указывают рядом с молекулами газа.

4. В более деятельной схеме стрелками показывают направление перехода электронов во внешней цепи и ионов во внутренней цепи. К схеме добавляют уравнения электродных реакций и токообразующую реакцию:

Химия задачи с решением

Гальванические элементы делятся на химические и концентрационные.

В химических элементах электрический ток возникает за счет протекания в элементе химической реакции. Они могут быть построены:

1) из металлических электродов:

Химия задачи с решением

2) из газового и металлического электродов:

Химия задачи с решением

3) из газовых электродов (водородно-хлорный электрод):

Химия задачи с решением

4) из окислительно-восстановительных электродов:

Химия задачи с решением

Концентрационные элементы — элементы, составленные из электродов одной природы, опущенных в раствор своих ионов, но различной концентрации.

ЭДС гальваническогр элемента рассчитывают как разность равновесных электродных потенциалов по формуле:

Химия задачи с решением

где Химия задачи с решением — равновесные потенциалы катода и анода.

ЭДС элемента должна иметь положительное значение. ЭДС рассчитывают также по энергии Гиббса по формуле:

Химия задачи с решением

При работе гальванического элемента ЭДС постепенно уменьшается из-за возникающей поляризации. Поляризация бывает химической, концентрационной и собственно электрохимической.

Концентрационная поляризация возникает из-за изменения молярной концентрации тех или иных ионов в анодной и катодной зонах. Активные вещества не успевают доставляться в глубину раствора или из глубины раствора вследствие медленной диффузии ионов к электродам.

Химическая поляризация возникает вследствие изменения химического состава электродов. Образующийся на электроде водород адсорбируется на его поверхности и как бы изолирует его от раствора или электролита (газовая поляризация). Ионы водорода не могут подойти к поверхности электрода и соединиться с электронами. Электродный потенциал катода становится более отрицательным. Это сильно влияет на ЭДС элемента, снижая потенциал.

Электрохимическая поляризация вызвана изменением потенциала, обусловленным замедленностью собственно электрохимической стадии реакции. Поляризация электрохимической стадии объясняется существенной перестройкой реагирующих частиц в ходе реакции.

Процесс уменьшения и устранения поляризации электродов называется деполяризацией. Вещества, снижающие поляризацию, называются деполяризаторами Химия задачи с решением, Химия задачи с решением.

Задача №50

Стандартный электродный потенциал никеля больше, чем кобальта. Изменится ли соотношение, если

измерить потенциал никеля в растворе его ионов концентрации 0,001 моль/л, а потенциал кобальта — в растворе концентрации 0,1 моль/л?

Решение:

Электродный потенциал металла (ф) зависит от концентрации его ионов в растворе. Эта зависимость выражется уравнением Нернста: Химия задачи с решением

Химия задачи с решением

Таким образом, при изменившейся концентрации потенциал кобальта стал больше потенциала никеля.

Задача №51

Магниевую пластинку опустили в раствор его соли. При этом электродный потенциал магния оказался равным -2,41 В. Вычислить молярную концентрацию ионов магния.

Решение:

На основе уравнения Нернста имеем:

Химия задачи с решением

Задача №52

Составить схему гальванического элемента, в котором электродами являются магниевая и цинковая пластинка, опущенные в растворы их ионов активной концентрации 1 моль/л. Какой металл является анодом, какой -катодом? Написать уравнение окислительно-восстановительной реакции, протекающей в этом гальваническом элементе, и вычислить его ЭДС. Потенциал магния -2,37 В, цинка -0,67 В.

Решение:

Магний имеет меньший потенциал и является анодом, цинк — катодом.

Химия задачи с решением

На магниевом электроде идет окисление, на цинковом -восстановление:

Химия задачи с решением

Химия задачи с решением — реакция, характеризующая работу гальванического элемента.

Для определения ЭДС гальванического элемента из потенциала катода следует вычесть потенциал анода:

Химия задачи с решением

Задача №53

Вычислить электродный потенциал полуэлемента Химия задачи с решением

Решение:

Молярная концентрация ионов железа в растворе Химия задачи с решением концентрации 0,01 моль/л:

Химия задачи с решением

Электродный потенциал рассчитывают по уравнению Нернста:

Химия задачи с решением

Задача №54

Рассчитать потенциал водородного электрода при стандартном давлении водорода и pH = 2.

Решение:

В уравнении Нернста для водородного электрода имеем:

Химия задачи с решением

При стандартном давлении водорода и Химия задачи с решением имеем:

Химия задачи с решением

Задача №55

Вычислить потенциал кислородного электрода в кислой среде на воздухе при Химия задачи с решением (на воздухе).

Решение:

Уравнение электродной реакции с учетом среды:

Химия задачи с решением

На воздухе Химия задачи с решением Потенциал кислородного электрода:

Химия задачи с решением

Задача №56

Дать схему работы концентрационного элемента, состоящего из серебряных электродов, опущенных в раствор азотнокислого.серебра концентрацией 0,001 моль/л (1-й) и 1 моль/л (2-й).

Решение:

Рассчитываем значения потенциалов, определяем знаки электродов и направление движения электронов во внешней цепи:

концентрации Химия задачи с решением

Химия задачи с решением

В таком элементе электрод в растворе меньшей концентрации ионов — восстановитель. Он отдает во внешнюю цепь электроны, на нем идет процесс окисления, и следовательно, он будет анодом. Электрод в растворе большей концентрации — окислитель, на нем идет процесс восстановления, и он будет катодом.

Условная схема элемента:

Химия задачи с решением

Такой элемент работает до тех пор, пока не выравняются концентрации в анодной и катодной зонах.

Задача №57

Определить ЭДС элемента, построенного из электродов: а) меди, погруженной в растворах сернокислой меди — концентрации 0,1 моль/л с Химия задачи с решением = 80 %; б) водородного электрода при стандартном давлении водорода и pH = 5 («подкладка» — черненая пластина).

Решение:

Определим потенциал медного электрода, предварительно вычислив концентрацию ионов Химия задачи с решением

Химия задачи с решением

Электродный потенциал водороднго электрода при стандартном давлении удобно выислять по формуле:

Химия задачи с решением

Задача №58

Вычислить концентрационную поляризацию медно-цинкового электрода, если в процессе его работы концентрации потенциалопределяющих ионов изменились на порядок при данной плотности тока. Начальная концентрация потенциалопределяющих веществ — стандартная.

Решение:

Химия задачи с решением

При работе элемента концентрация ионов Химия задачи с решением в приэлектродном слое уменьшается до 0,1 моль/л, а концентрация ионов Химия задачи с решением растет до 10 моль/л (за счет замедленной диффузии ионов меди из глубины раствора к медной пластинке, а ионов цинка — в глубь раствора от цинковой пластинки).Тогда

Химия задачи с решением

Рассчитываем значение ЭДС при новых концентрациях потенциалопределяющих ионов:

Химия задачи с решением

Концентрированная поляризация составит:

1.1 — 1,045 = 0,055 В.

Небольшое значение свидетельствует о том, что медно-цинковый элемент практически не поляризуется при работе.

Задача №59

Пояснить сущность химической поляризации при работе элемента, схема которого: Химия задачи с решением

Решение:

Химическая поляризация сводится к изменению химической природы электродов при работе элемента.

Анодный процесс: Химия задачи с решением. На поверхности анода возможно образование пленки труднорастворимой соли Химия задачи с решением которая будет препятствовать дальнейшему растворению свинца (переход ионов свинца с поверхности свинцовой пластинки в раствор будет затруднен). Накопление ионов свинца изменит потенциал в сторону положительных значений (пленочной поляризации).

Катодный процесс: Химия задачи с решением На поверхности пластины возможно образование газовой «шубы» — слоя адсорбированного водорода. Доступ ионов водорода к поверхности электрода затрудняется. На электроде скапливаются избыточные электроны, и потенциал катода смещается в отрицательную сторону. Возникает газовая поляризация электрода. Разность потенциалов при отборе тока уменьшается. Газовую поляризацию можно уменьшить введением «деполяризаторов» -веществ, взаимодействующих с газами. Для снятия водородной «шубы» используются окислители Химия задачи с решением При этом может измениться и сам катодный процесс.

Задача №60

Вычислить ЭДС элемента с учетом собственно электрохимической поляризации или активационной поляризации. Концентрации потенциалопределяющих веществ равны единице, перенапряжение выделения водорода на меди равно 0,48 В. Схема элемента:

Химия задачи с решением

Решение:

Потенциалы электродов при концентрации потенциал- определяющих веществ, равных единице, являются стандартными:

Химия задачи с решением

Потенциал водородного электрода с учетом
перенапряжения на меди:

Химия задачи с решением

Возможно эта страница вам будет полезна:

Помощь по химии

Электролиз

Электролизом называется окислительно-восстановительный процесс, протекающий при прохождении постоянного электрического тока через раствор электролита или через электролит, находящийся в расплавленном состоянии. Этот процесс сопровождается превращением электрической энергии в химическую.

Процессы, протекающие при электролизе, противоположны процессам, протекающим в гальванических элементах.

Кинетика электродных реакций. поляризация при электролизе. Потенциал разложения. Перенапряжение. закон электролиза. Выход по току

Электролиз водных растворов солей

Задача №61

Электролиз водного раствора Химия задачи с решением с графитовыми электродами. Соль Химия задачи с решением гидролизу не подвергается. Среда нейтральная.

Химия задачи с решением
Химия задачи с решением

Продуктами электролиза являются: Химия задачи с решением (катодная, анодная зоны разделены). В условиях свободного перемещения продуктов возможно их взаимодействие по схеме: Химия задачи с решением (при избытке продуктов) Химия задачи с решением (при недостатке)

Составляем микрогальванический элемент:

Химия задачи с решением

Задача №62

Электролиз раствора сульфата меди Химия задачи с решением с медным анодом. Схема электролиза:

Химия задачи с решением

В процессе электролиза с растворимым анодом происходит перенос меди с анода на катод. Этот процесс применяется при рафинировании (электролитической очистке) меди.

Задача №63

Электролиз раствора Химия задачи с решением с графитовыми электродами. Соль Химия задачи с решением гидролизуется по катиону. Среда кислая.

Химия задачи с решением

Задача №64

С помощью поляризованных кривых (рис. 3) определите условия выделения Химия задачи с решением при электролизе кислого раствора Химия задачи с решением

Химия задачи с решением

Рис. 3. Поляризационные кривые катодного выделения Химия задачи с решением

Решение.

По характеру восстановления поляризационных кривых можно определить характер выделения Химия задачи с решением:

Химия задачи с решением

На катоде должен восстанавливаться более сильный окислитель Химия задачи с решением Выделение цинка на катоде невозможно при подобном соотношении потенциалов. Реальные электродные потенциалы существенно отличаются от равновесных под током. При потенциале катода, равном -0,76 В, цинк не выделяется. Идет восстановление ионов водорода. При небольшом смещении потенциала катода в сторону отрицательных значений Химия задачи с решением обе реакции идут параллельно, но с преимущественным выделением водорода Химия задачи с решением.

В точке пересечения поляризационных кривых скорости выделения водорода и цинка одинаковы Химия задачи с решением. При дальнейшем смещении потенциала катода в сторону отрицательных значений на электроде выделяется в основном цинк Химия задачи с решением.

Выделение Химия задачи с решением и других металлов средней активности из водных растворов возможно благодаря высокому перенапряжению выделения водорода на катоде. При высоких потенциалах тока электродный потенциал выделения водорода становится более отрицательным, чем потенциал выделения цинка. Высокое перенапряжение водорода — явление положительное для данного процесса.

Для выделения цинка необходимо: 1) подобрать материал катода, на котором водород выделяется с высоким перенапряжением; 2) электролиз вести при высокой плотности тока.

Для выделения хлора нужно: 1) подобрать материал анода; 2) вести электролиз при высоких плотностях тока.

Выделение кислорода протекает с более значительной поляризацией, чем выделение хлора (рис. 4.). Поэтому при малых плотностях тока выделяется лишь кислород. В точке Химия задачи с решением токи на выделение хлора и кислорода сравниваются, а при потенциале Химия задачи с решением (высокая плотность тока) выделяется в основном хлор.

Химия задачи с решением

Рис. 4. Поляризационные кривые анодного выделения кислорода и хлора

Задача №65

Напишите уравнения реакций, протекающих на графитовых электродах при электролизе раствора Химия задачи с решением. Какой внутренний гальванический элемент при этом образуется и какова его роль? Рассчитайте напряжение разложения.

Решение:

Химия задачи с решением— гидролизуется по катиону и раствор имеет слабокислую реакцию. Пренебрегая гидролизом, можно считать pH = 7.

Химия задачи с решением

Суммарное уравнение реакции:

Химия задачи с решением

Электролиз соли типа Химия задачи с решением ведут с целью выделения металла. Поэтому основными продуктами электролиза в этом случае следует считать цинк и кислород. Однако выделяющийся водород вызывает повышение напряжения.

В процессе электролиза изменяется химическая природа электродов: вместо одинаковых вначале графитовых электродов образовались разные — цинковый, кислородный, водородный, подкладкой которых является графит. Возникают кислородно-цинковый и водородно-кислородный гальванические элементы:

Химия задачи с решением

Внутренний гальванический элемент тормозит процесс электролиза, так как вызывает процессы, противоположные тем, которые идут на электродах и требуют добавочного напряжения.

Напряжение разложение Химия задачи с решением рассчитывается как ЭДС внутреннего гальванического элемента:

Химия задачи с решением

Химия задачи с решением двух гальванических элементов соответственно можно рассчитать, складывая их значения.

Задача №66

При электролитическом рафинировании кобальта аноды, содержащие в своем составе кроме кобальта никель, железо, медь, в условиях процесса полностью окисляются. Требуется ли очистка электролита от указанных примесей для получения чистого катодного кобальта? Ответ обоснуйте. Напишите уравнения реакций.

Решение:

На аноде идут реакции:

Химия задачи с решением

Выделение металлов на катоде происходит в последовательности:

Химия задачи с решением

способность к присоединению электронов уменьшается

При получении чистого кобальта на катоде (-) должна быть единственная реакция:

Химия задачи с решением

Это возможно при отсутствии в электролите более сильных окислителей. Следовательно, очистка электролита от ионов меди, никеля необходима. Ионы железа не препятствуют получению чистого кобальта при условии: Химия задачи с решением

Задача №67

Сколько цинка и водорода выделится на катоде , при электролизе кислого раствора хлорида никеля, если •процесс ведут в течение 1 ч с силой тока 5 А и выходом по току никеля 60 %?

Решение:

Цинк — металл средней активности. На катоде идут процессы восстановления ионов цинка и водорода (в кислой среде). На аноде идет окисление ионов хлора.

Схема электролиза:

Химия задачи с решением

Теперь рассчитаем массу цинка по закону Фарадея с учетом выхода по току цинка (60 %):

Химия задачи с решением

Рассчитаем объем водорода по закону Фарадея с учетом выхода по току водорода (1 — 0,6 = 0,4):

Химия задачи с решением

Задача №68

Серебрение используется для уменьшения сопротивления электрических контактов. Определите время, необходимое для нанесения слоя серебра толщиной 5 мкм, если известны плотность серебра Химия задачи с решением выход по току серебра 98 % и рекомендуемая плотность тока Химия задачи с решением Электролит Химия задачи с решением. Напишите уравнения электродных реакций.

Решение:

При серебрении комплексный электролит Химия задачи с решением диссоциирует на ионы Химия задачи с решением, частично на Химия задачи с решением. Серебрение ведут с серебряным анодом, который в растворе Химия задачи с решением легко окисляется. При электролизе с растворимым анодом происходит перенос серебра с анода на катод.

Химия задачи с решением

Толщину покрытия определяют по формуле:

Химия задачи с решением

которую можно вывести, используя соотношения:

Химия задачи с решением

m — масса; Э — эквивалентная масса; Химия задачи с решением — плотность металла; V — объем; (5 — толщина покрытия; S — площадь покрытия; Химия задачи с решением — выход по току; i — плотность тока; t — время электролиза; J — сила тока.

Теперь определяем время, необходимое для нанесения слоя заданной толщины:

Химия задачи с решением

Задача №69

Какая масса гидроксида калия образовалась на катоде при электролизе раствора K2SO4, если на аноде выделилось 11,2 л кислорода при нормальных условиях (н.у.)?

Решение:

Молярный объем кислорода (н.у.) равен 22,4 / 4 = 5,6 л. Следовательно, 11,2 л содержат две молярные массы кислорода. Столько же молярных масс КОН образовалось у катода или

56,11 -2 = 112,22 г

(56,11 г/моль — молярная эквивалентная масса КОН).

Коррозия металлов

Коррозия металлов — процесс самопроизвольного разрушения (окисления) металлов при их химическом, электрохимическом или биохимическом взаимодействии с окружающей средой.

Возможно эта страница вам будет полезна:

Заказать работу по химии

Задача №70

Дать обоснованную расчетом схему коррозии луженого железа (целостность покрытия нарушена) в кислой среде.

Решение:

1. Электродные потенциалы олова и железа в кислой среде (см. табл. 20):

Химия задачи с решением

Так как Химия задачи с решением, то в качестве анодного участка выступает железо, а олово играет роль катодного участка. В первую очередь будет разрушаться как более активный металл железо, а олово — служить прокладкой для газового электрода.

2. Электродные потенциалы возможных окислителей (Химия задачи с решением и Химия задачи с решением) в кислой среде на воздухе с учетом перенапряжения на олове (см. табл. 21 и 22).

Химия задачи с решением

где 0,63 и 1,21 — перенапряжение водорода и кислорода на олове.

3. Сравнивая потенциалы предполагаемых окислителей Химия задачи с решением с потенциалом возможного анода Химия задачи с решением, делаем выводы:

1) так как Химия задачи с решением, ионы водорода не могут в данных условиях вызывать коррозию железа;

2) Химия задачи с решением удовлетворяет условию самопроизвольного протекания коррозии. Следовательно, железо разрушается в кислой среде за счет растворенного кислорода.

Схема работы гальванического элемента:

Химия задачи с решением

Коррозия олова идет с кислородной деполяризацией. Поскольку электрохимическая коррозия обусловлена деятельностью микрогальванических элементов, можно сделать вывод, что все факторы, способствующие деятельности гальванического элемента, усиливают коррозию: значительная ЭДС, малое внутреннее сопротивление коррозионных элементов, небольшая поляризация.

Комплексные соединения

Химия элементов. Краткая характеристика свойств элементов и их соединений. Последовательность их описания

Задача №71

На титрование 100 мл воды, содержащей гидрокарбонат кальция, израсходовано 2,5 мл 0,12 молярной концентрации эквивалента раствора соляной кислоты. Рассчитать жесткость воды.

Решение:

Исходя из данных задачи, определяем молярную концентрацию эквивалента раствора гидрокарбоната. Обозначив число эквивалентов гидрокарбоната в литре воды через х, получим:

Химия задачи с решением

Следовательно, 1л воды содержит 3 ммоль/л Химия задачи с решением или кальция. Жесткость воды — 3 ммоль/л.

Задача №72

Сколько граммов Химия задачи с решением надо прибавить к. 10 л воды, чтобы устранить ее общую жесткость, равную 4,64 ммоль/л?

Решение:

Из уравнений

Химия задачи с решением

следует, что 1 моль соды взаимодействует с 1 молем Химия задачи с решением или с 1 молем Химия задачи с решением. Переходя к ммоль/л находим, что 1 ммоль соды взаимодействует с 1 ммоль/л Химия задачи с решением или Химия задачи с решением, т.е с 1 ммоль/л ионов Химия задачи с решением. Так как молярная масса соды 106, а эквивалент ее равен 0,5 молярной массы, то 1 ммоль/л соды равняется 53 мг. В 10 л воды содержится 4,64 • 10 = 46,4 ммоль/л ионов кальция. Количество соды (х), которое потребуется для устранения жесткости: Химия задачи с решением мг, или 2,46 г.

Задача №73

Вычислить постоянную жесткость воды, зная, что для устранения ионов кальция, содержащихся в 50 л воды, потребовалось прибавить к воде 10,8 г безводной буры Химия задачи с решением.

Решение:

При действии буры на воду, содержащую сернокислый кальций, ионы кальция переходят в осадок вследствие реакции:

Химия задачи с решением

Из уравнения реакции следует, что для осаждения ионов кальция, надо взять 1экв. буры или на 1 ммоль/л ионов кальция -1 ммоль/л буры. Молярная масса буры 2002,, следовательно, 1 ммоль/л ее равен 101 мг. На осаждение ионов кальция, содержащихся в 50 л воды, израсходовано 108 г или 10800 мг буры. Количество ионов кальция в 50 л воды находим из пропорции: Химия задачи с решением

Найденное количество вещества ионов содержится в 50 л воды. Жесткость воды Ж = 107/ 50 = 2,14 ммоль/л.

Органические соединения. Полимеры

Приложения

Периодическая система элементов Д.И. Менделеева

Химия задачи с решением
Химия задачи с решением

Периодическая система элементов Д.И. Менделеева (длиннопериодический вариант)

Химия задачи с решением
Химия задачи с решением

Константы и степени диссоциации некоторых слабых электролитов, %

Химия задачи с решением

Растворимость солей и оснований в воде

Условные обозначения:

Р — растворимое, М — малорастворимое, Н — практически нерастворимое вещество, — разлагается водой, ? — нет достоверных сведений о существовании соединений.

Химия задачи с решением

Основные классы неорганических веществ

Химия задачи с решением

Взаимосвязь простых веществ, оксидов, оснований и кислот (реакции солеобразования)

1. Металл + кислота —> соль + водород

Химия задачи с решением

2. Металл + неметалл —> соль бескислородной кислоты

Химия задачи с решением

3. Металл (1) + соль (1) —> соль (2) + металл (2)

Химия задачи с решением

4. Основной оксид + кислотный оксид —> соль

Химия задачи с решением

5. Основной оксид + кислота —> соль + вода

Химия задачи с решением

6. Основание + кислота —> соль + вода (реакция нейтрализации)

Химия задачи с решением

7. Основание + кислотный оксид —> соль + вода

Химия задачи с решением

8. Основание (1) + соль (1) —> соль (2) + кислота (2)

Химия задачи с решением

9. Соль (1) + кислота (1) —> соль (2) + кислота (2)

Химия задачи с решением

10. Соль (1) + соль (2) —> соль (3) + соль (4)

Химия задачи с решением

Округлённые значения относительных атомных масс некоторых химических элементов

Химия задачи с решением

Относительные молекулярные массы неорганических соединений

Химия задачи с решением

Относительная электроотрицательность элементов

Химия задачи с решением

Взаимная связь между физическими величинами

Химия задачи с решением

Значения фундаментальных физических постоянных

Химия задачи с решением

Криоскопические и эбулиоскопические константы растворителей

Химия задачи с решением

Электрохимический ряд напряжений металлов

Химия задачи с решением

Давление насыщенного водяного пара при разных температурах

Химия задачи с решением

Стандартные окислительно-восстановительные потенциалы

Химия задачи с решением
Химия задачи с решением
Химия задачи с решением
Химия задачи с решением

Кстати готовые на продажу задачи тут, и там же теория из учебников может быть вам поможет она.

Словарь химических терминов

АКТИНОИДЫ — название элементов с порядковыми номерами 89 — 103 (Ас — Lr).

АЛЛОТРОПИЯ — способность химического элемента образовывать несколько простых веществ, отличающихся по строению и свойствам.

АЛЮМИНОТЕРМИЯ — восстановление металла из его оксида с помощью металлического алюминия.

АМФОТЕРНОСТЬ ГИДРОКСИДОВ — способность соединения проявлять кислотные или основные свойства в зависимости от природы партнера по реакции в кислотно-основном взаимодействии.

АТОМ — наименьшая частица химического элемента, являющаяся носителем его свойств.

АТОМНАЯ ЕДИНИЦА МАССЫ (а.е.м.) — условная единица, представляющая собой 1/12 часть массы атома углерода.

АТОМНАЯ МАССА (относительная) — отношение средней массы атома естественного изотонического состава элемента к 1/12 массы атома углерода Химия задачи с решением.

АТОМНО-МОЛЕКУЛЯРНАЯ ТЕОРИЯ — одно из важнейших учений в химии, базирующееся на представлениях о строении веществ из атомов и молекул.

АТОМНАЯ ОРБИТАЛЬ — полный набор волновых функций электрона в атоме. Для каждой заданной волновой функции существует граничная область, в которой сосредоточена определенная доля электронного заряда.

БЛАГОРОДНЫЕ ГАЗЫ — гелий, неон, аргон, криптон, ксенон, радон — элементы главной подгруппы VIII группы.

ВАЛЕНТНОСТЬ — свойство атомов данного элемента образовывать определенное число связей с атомами других элементов.

ВАЛЕНТНЫЕ ЭЛЕКТРОНЫ — электроны, принимающие участие в образовании химической связи.

ВАН-ДЕР-ВААЛЬСОВЫ СИЛЫ — силы, определяющие взаимодействие частиц вещества, находящегося в одном из трех агрегатных состояний.

ВОДОРОДНАЯ СВЯЗЬ — межмолекулярное взаимодействие молекул, содержащих атом водорода, связанный с сильно электроотрицательным атомом.

ВОДОРОДНЫЙ ПОКАЗАТЕЛЬ (pH) — отрицательный десятичный логарифм концентрации водородных ионов.

ВОССТАНОВИТЕЛЬ — процесс присоединения электронов.

ВОЛНОВАЯ ФУНКЦИЯ — математическое описание состояния электрона в атоме. Квадрат этой функции определяет относительную вероятность пребывания электрона в любой данной точке пространства.

ГАЛОГЕНЫ — общее название элементов главной подгруппы VII группы, в которую входят фтор, хлор, бром, йод, астат.

ГЕОМЕТРИЧЕСКАЯ ИЗОМЕРИЯ — вид изомерии, обусловленный различным расположением одинаковых атомов или атомных групп относительно плоскости Химия задачи с решениемсвязи.

ГЕТЕРОГЕННЫЙ КАТАЛИЗ — процесс, в котором реагенты и катализатор находятся в разном фазовом состоянии.

ГИБРИДИЗАЦИЯ — комбинация («смешивание») атомных орбиталей разного типа, вследствие чего образуется набор эквивалентных (равноценных) гибридных орбиталей.

ГИДРОЛИЗ — взаимодействие ионов соли с водой, приводящее к изменению реакции среды, т.е. pH.

ГЛАВНОЕ КВАНТОВОЕ ЧИСЛО (n) — параметр, характеризующий размер электронного облака и энергию электрона на данной оболочке.

ГОМОГЕННЫЙ КАТАЛИЗ — процесс, в котором катализатор и реагенты находятся в одинаковом фазовом состоянии.

ГРУППА ЭЛЕМЕНТОВ — вертикальный ряд элементов, объединенных по признаку одинаковой степени окисления в высших оксидах.

ДЛИНА СВЯЗИ — расстояние между ядрами связанных между собой атомов.

ДОНОРНО-АКЦЕПТОРНАЯ КОВАЛЕНТНАЯ СВЯЗЬ — связь, формирующаяся за счет неподеленной электронной пары одного атома и свободной орбитали другого атома.

ЗАКОН АВОГАДРО — закон, по которому в равных объемах различных газов при одинаковых условиях содержится одинаковое число молекул.

ЗАКОН ПОСТОЯНСТВА СОСТАВА — закон, по которому любое вещество независимо от способа получения имеет свой постоянный качественный и количественный состав.

ЗАКОН ДЕЙСТВУЮЩИХ МАСС — закон, учитывающий соотношение между скоростью химической реакции и концентрацией реагентов: при постоянной температуре скорость реакции прямо пропорциональна концентрации реагирующих веществ.

ЗАКОН ГЕНРИ — масса газа, растворяющегося в данном объеме жидкости при постоянной температуре, прямо пропорциональна парциальному давлению газа.

ЗАКОН ПЕРИОДИЧНОСТИ — закон, на котором основана периодическая система элементов: периодическое изменение строения электронной оболочки определяет периодичность изменения свойств элементов.

ЗАМЕЩЕНИЕ — реакция, при которой частица замещает атом или группу атомов в другой молекуле.

ИЗОТОПЫ — атомы, имеющие одинаковый заряд ядер, но различные массовые числа.

ИОНИЗАЦИОННЫЙ ПОТЕНЦИАЛ — количество энергии (кДж/моль), затрачиваемое на полное удаление электрона от атома.

ИОННАЯ СВЯЗЬ — разновидность химической связи, в основе которой лежит электростатическое взаимодействие ионов.

ИОННОЕ ПРОИЗВЕДЕНИЕ ВОДЫ Химия задачи с решением — произведение концентрации водородных и гидроксильных ионов.

КАТАЛИЗАТОР — вещество, увеличивающее скорость химической реакции, но в конечном итоге остающееся неизменным качественно и количественно.

КИСЛОТА ПО АРРЕНИУСУ — это электролит, при диссоциации высвобождающий ион Химия задачи с решением; по Бренстеду-Лоури — любое вещество, являющееся источником ионов Химия задачи с решением; по Льюису -вещество, способное быть акцептором электронной пары.

КОВАЛЕНТНАЯ СВЯЗЬ — связь атомов посредством электронных пар.

КОНСТАНТА СКОРОСТИ — скорость реакции при конценг трации реагентов, равной 1.

КОНЦЕНТРАЦИЯ — доля вещества (выраженная его массой, объемом или числом) в массе, объеме или молярном количестве смеси.

КОРРОЗИЯ — разрушение металла вследствие физико-химического воздействия окружающей среды.

ЛАНТАНОИДЫ — название элементов с порядковыми номерами 57-71 (Химия задачи с решением).

МАГНИТНОЕ (ориентационное) КВАНТОВОЕ ЧИСЛО Химия задачи с решением— параметр, характеризующий ориентацию орбитали в пространстве.

МЕТАЛЛИЧЕСКАЯ СВЯЗЬ — химическая связь, основанная на обобществлении валентных электронов, принадлежащих не двум, а практически всем атомам в кристалле.

МОЛЬ — количество вещества, содержащее такое же число структурных единиц (атомов, молекул, ионов, электронов и т.д.), какое содержится в 0,012 кг атома Химия задачи с решением, т.е. 6,02 • Химия задачи с решением.

МОЛЯРНАЯ МАССА — величина, равная отношению массы вещества в граммах на количество вещества в молях. Численно совпадает с относительной молекулярной массой.

МОЛЕКУЛЯРНАЯ МАССА (относительная) — отношение средней массы молекулы естественного изотонического состава вещества к 1/12 массы атома углерода Химия задачи с решением.

НАПРАВЛЕННОСТЬ СВЯЗИ — свойство ковалентной связи, обусловливающее пространственную структуру (геометрию) молекул.

ОКИСЛЕНИЕ — процесс отдачи электронов.

ОКИСЛИТЕЛЬ — вещество, которое восстанавливается в химической реакции, будучи причиной окисления другого вещества.

ОКСИДЫ — соединения, состоящие из атомов двух элементов, один из которых — кислород.

ОКСИДЫ АМФОТЕРНЫЕ — оксиды, проявляющие свойства как основных, так и кислотных оксидов.

ОРБИТАЛЬНОЕ КВАНТОВОЕ ЧИСЛО 1 — параметр, определяющий форму атомной орбитали. Может принимать целочисленные значения от 0 до n-1.

ОСНОВАНИЕ ПО АРРЕНИУСУ — это электролит, при диссоциации высвобождающий Химия задачи с решением-ионы, по Бренстеду-Лори -любое вещество, способное быть акцептором ионов Химия задачи с решением; по Льюису — вещество, являющееся донором электронной пары.

ПЕРИОД — горизонтальный ряд элементов, в котором имеет место закономерное изменение свойств элементов от типично металлических к типично неметаллическим.

ПОЛЯРНОСТЬ СВЯЗИ — несимметричное распределение электронной плотности между атомами.

ПЕРИОДИЧЕСКИЙ ЗАКОН (в формулировке Д.И.Менделеева) — свойства простых тел, а также формы и свойства соединений химических элементов находятся в периодической зависимости от величин атомных весов (масс) элементов.

ПОЛЯРИЗУЕМОСТЬ СВЯЗИ — перераспределение электронной плотности в молекуле под влиянием внешнего воздействия.

ПИ-СВЯЗЬ (Химия задачи с решением-связь) — ковалентная связь, формирующаяся при боковом перекрывании негибридных p-орбиталей по обе стороны от линии, связывающей центры соединяющихся атомов.

ПОДГРУППА — подразделение элементов внутри группы. Каждая подгруппа объединяет элементы, являющиеся химическими аналогами.

ПРИНЦИП ЛЕ ШАТЕЛЬЕ — если на систему в состоянии равновесия оказывается воздействие, то положение равновесия смещается в том направлении, которое сводит к минимуму влияния внешнего воздействия.

РАСТВОР — гомогенная (однородная) система переменного состава, состоящая из двух и более компонентов.

РАСТВОРИМОСТЬ — способность вещества растворяться в данном растворителе с образованием насыщенного при данной температуре раствора.

СЕМЕЙСТВО ЭЛЕМЕНТОВ — совокупность элементов, в атомах которых заселение орбиталей наружных электронных оболочек осуществляется по одинаковому принципу. В соответствии с этим различают s-, р-, d- и f-семейства элементов.

СОЛИ — продукты замещения атомов водорода в кислоте на металл (или ОН-групп в основании на кислотный остаток).

СИГМА-СВЯЗЬ (Химия задачи с решением-связь) — ковалентная связь, образующаяся при перекрывании орбиталей вдоль линии, связывающей центры соединяющих атомов.

ЭНЕРГИЯ СВЯЗИ — энергия, необходимая для разрыва химической связи.

СПИНОВОЕ КВАНТОВОЕ ЧИСЛО — S-параметр, характеризующий угловой момент импульса электрона.

СПЛАВ — система, образующаяся при кристаллизации расплавленной смеси металлов.

СТЕХИОМЕТРИЯ РЕАКЦИИ — соотношение между количествами вступивших в реакцию реагентов и образующихся продуктов.

ПРИНЦИП ПАУЛИ утверждает, что в атоме не может быть двух электронов, состояние которых определяется одинаковой комбинацией всех четырех квантовых чисел. Из этого следует, что на любой орбитали не может быть более двух электронов: при одинаковых значениях Химия задачи с решением спиновые квантовые числа их всегда будут разные Химия задачи с решением.

ХАЛЬКОГЕНЫ — общее название элементов главной подгруппы VI группы, в которую входят кислород, сера, селен, теллур и полоний.

ХИМИЧЕСКАЯ КОРРОЗИЯ — взаимодействие металла с химически активными веществами, содержащимися в природных и технологических средах.

ХИМИЧЕСКОЕ РАВНОВЕСИЕ — состояние системы, в которой скорость прямой реакции равна скорости обратной реакции.

ЩЕЛОЧИ — гидроксиды щелочных и щелочно-земельных металлов.

ЩЕЛОЧНЫЕ МЕТАЛЛЫ — общее название элементов главной подгруппы I группы, в которую входят литий, натрий, калий, рубидий, цезий, франций.

ЭКЗОТЕРМИЧЕСКИЕ РЕАКЦИИ — реакции, протекающие с выделением теплоты.

ЭНДОТЕРМИЧЕСКИЕ РЕАКЦИИ — реакции, протекающие с поглощением теплоты.

ЭЛЕКТРОЛИЗ — совокупность реакций, происходящих в растворах или расплавах электролитов при прохождении через них электрического тока.

ЭЛЕКТРООТРИЦАТЕЛЬНОСТЬ — относительная способность атомов элемента притягивать электроны, участвующие в образовании химической связи.

ЭЛЕКТРОННАЯ КОНФИГУРАЦИЯ — распределение электронов по орбиталям.

ЭЛЕКТРОЛИТ — вещество, проводящее в водных растворах электрический ток.

ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКАЯ КОРРОЗИЯ — разрушение металла под действием водных растворов химически активных соединений.

ЯДРО — положительно заряженная частица, в которой практически сосредоточена вся масса атома. Заряд ядра атома элемента равен его порядковому номеру.

Дополнительные темы и примеры по химии

Химия — это одна из важнейших и обширных областей естествознания, наука, изучающая вещества, также их состав и строение, их свойствах, зависящих от состава и строения, их превращениях, ведущих к изменению состава — химических реакциях, а также о законах и закономерностях, которым эти превращения подчиняются. Поскольку все вещества состоят из атомов, которые благодаря химическим связям способны формировать молекулы, то химия занимается, прежде всего, рассмотрением перечисленных выше задач на атомно-молекулярном уровне, то есть на уровне химических элементов и их соединений.

Установление формулы химического вещества. Алгоритмы решения задач на определение формулы химического вещества по данным о его количественном составе

Алгоритм решения задач, рассматривающих вывод формулы химического вещества по их количественному составу, является, по-видимому, простейшим.

К задачам этого типа относятся задачи, в которых наличие полной информации о качественном составе вещества является обязательным условием. При этом количественные соотношения компонентов задаются, как правило, их массовыми долями (в масс. %), по которым рассчитывают молярные соотношения компонентов, что и приводит к установлению простейшей формулы химического вещества.

Необходимо отметить, что установление простейшей формулы химического вещества, когда анализируемый объект — неорганическое соединение, обычно является окончательным решением задачи (из-за существования однозначности и единственности решения). В то же время, при анализе органических объектов решение задачи об установлении формулы химического вещества только по данным о его количественном составе становится неоднозначным (изомерия, гомология и т. д.) и требует использования дополнительных данных. Поэтому в настоящем разделе приведены лишь те задачи, в которых в качестве объектов выступают неорганические соединения. Задачи, посвященные установлению формулы органических веществ, будут рассмотрены в разделе 1.4 этой главы.

Приведем решение типичной задачи о выводе формулы неорганического вещества по его количественному составу.

Пример №1-1.

Установить формулу химического соединения на основании данных о его количественном составе: железо — 46,67 % и сера — 53,33 %.

Решение:

Возьмем 100 г неизвестного вещества. Тогда в выбранной навеске последнего будет содержаться 46,67 г железа и 53,33 г серы. Определим количество вещества (железа и серы) в соответствующих им массах:

Примеры решения задач по химии

Проведенные расчеты показывают, что молярное соотношение компонентов:

Примеры решения задач по химии

позволяет приписать неизвестному веществу формулу Примеры решения задач по химии.

Действительно, такое вещество существует. Это известный минерал — пирит.

Рассмотрим алгоритм решения «обратных» задач.

Пример №1-2.

Ионы аммония образуют с некоторыми элементами X и Y соединения Примеры решения задач по химии (массовая доля ионов аммония равна 22,5 %) и Примеры решения задач по химии (массовая доля ионов аммония равна 28,125 %). Определите элементы X и Y.

Решение:

Обозначим молярную массу элемента X символом Примеры решения задач по химии. Тогда на основании определения массовой доли компонента в соединении можем записать два уравнения для соединений Примеры решения задач по химии соответственно:

Примеры решения задач по химии

Решение полученной системы уравнений позволяет установить, что

Примеры решения задач по химии

Задачи на установление формулы химического вещества с использованием молярных масс эквивалентов простых и сложных веществ. Алгоритмы их решений

Алгоритм решения задач этого типа основан на использовании закона эквивалентов, сформулированного В. Рихтером в 1792-1794 гг.: химические элементы соединяются друг с другом в строго определенных количествах, соответствующих молярным массам их эквивалентов. Понятие молярной массы эквивалента элементов было введено для сопоставления их «соединительной» способности и до сих пор является в химии (особенно в аналитической химии) одним из важнейших.

Молярной массой эквивалента химического элемента называют такую его массу, которая соединяется с 1,008 ч. м. (части массы) водорода или 8,0 ч. м. кислорода или замещает эти массы в соединениях.

Отметим, что один и тот же элемент может иметь не одну, а несколько молярных масс эквивалентов. Так, молярная масса эквивалента углерода в оксиде углерода (IV) равна трем, а в оксиде углерода (II) — шести.

Понятие молярной массы эквивалента широко используют и для сложных соединений.

Молярной массой эквивалента сложного соединения называют массу этого соединения, являющуюся суммой молярных масс эквивалентов образующих его компонентов.

Рассмотрим способы оценки молярных масс эквивалентов основных классов химических соединений (оксидов, кислот, оснований и солей).

1. Молярная масса эквивалента оксида Э(окс) равна сумме молярных масс эквивалентов кислорода Примеры решения задач по химии и образующего оксид элемента R: Примеры решения задач по химии, где n — степень окисления элемента R. При этом используется основное соотношение между величинами молярной массы M(R), молярной массы эквивалента элемента 3(R) и степенью его окисления — n:

Примеры решения задач по химии

Таким образом, формула любого оксида может быть представлена в следующем общем виде: Примеры решения задач по химии, из которого видно, что для всех оксидов величина Примеры решения задач по химии.

Отметим, что величина Э(окс) может быть также рассчитана на основе соотношения:

Примеры решения задач по химии

где М(окс) — молярная масса оксида, х — число атомов кислорода в молекуле оксида, у — число атомов элемента R в молекуле оксида.

2. Молярная масса эквивалента кислоты Э(кисл) равна сумме молярных масс эквивалента водорода 3(H) = М(Н) = 1 и кислотного остатка Примеры решения задач по химии: Примеры решения задач по химии, где m — заряд иона кислотного остатка, а Примеры решения задач по химии — его молярная масса.

Таким образом, формула любой кислоты может быть представлена в следующем общем виде: Примеры решения задач по химии из которого видно, что для всех кислот величина Примеры решения задач по химии

Отметим, что величина Э(кисл) может быть также рассчитана по уравнению:

Примеры решения задач по химии

где Примеры решения задач по химии — молярная масса кислоты, m — основность кислоты или заряд иона кислотного остатка.

1. Молярная масса эквивалента основания Э(осн) равна сумме молярных масс эквивалентов образующего основание элемента R: Примеры решения задач по химии, где n — заряд иона элемента R, и гидроксид-иона Примеры решения задач по химии

Таким образом, формула любого основания может быть представлена в следующем общем виде: Примеры решения задач по химии, из которого видно, что для всех оснований величина Примеры решения задач по химии.

Отметим, что величина Э(осн) может быть также рассчитана по уравнению:

Примеры решения задач по химии

где М(осн) — молярная масса основания, n — кислотность основания или заряд катиона образующего его элемента.

  1. Молярная масса эквивалента соли Э(сол) равна сумме молярных масс эквивалентов образующих соль компонентов — металла R: Примеры решения задач по химии Примеры решения задач по химии, где n — заряд иона металла Примеры решения задач по химии, и иона кислотного остатка Примеры решения задач по химии, где m — заряд этого иона.

Таким образом, формула любой соли может быть представлена в следующем общем виде: Примеры решения задач по химии, из которого видно, что для всех солей величина Примеры решения задач по химии.

Отметим, что величина Э(сол) может быть также рассчитана по уравнению:

Примеры решения задач по химии

где М(сол) — молярная масса соли.

Таким образом, в общем виде закон эквивалентов можно сформулировать следующим образом:

Во всех химических реакциях взаимодействие различных веществ друг с другом происходит в соответствии с молярными массами их эквивалентов, независимо от того, являются ли эти вещества простыми или сложными.

Пример №1-3.

Определите формулу соединения, если известно, что оно содержит 15,79 % металла, 28,07 % серы и 56,14 % кислорода по массе.

Решение:

На первый взгляд, эта задача напоминает уже разбиравшиеся нами в разделе 2.1. Однако ее решение заметно осложнено тем, что металл неизвестен. Именно поэтому единственный путь решения — использование на одном из его этапов понятия молярной массы эквивалента.

Возьмем 100 г неизвестного вещества. Тогда в этой навеске будет содержаться: 15,79 г определяемого металла, 28,07 г серы и 56,14 г кислорода. Рассчитаем количество вещества (серы и кислорода) в соответствующих им массах:

Примеры решения задач по химии

Проведенные оценки показывают, что атомное соотношение этих компонентов составляет Примеры решения задач по химии Это позволяет утверждать, что в неизвестном веществе присутствуют сульфат-ионы. Далее, целесообразно предположить, что неизвестное вещество — сульфат неизвестного металла. После записи формулы сульфата в общем виде с использованием закона эквивалентов: Примеры решения задач по химии, получаем, что Э(Ме) соединен в нем с Примеры решения задач по химии = 48,0 г/моль, а по условию задачи 15,79 г Me приходится на 84,21 г сульфат-иона. Решение полученной пропорции

Примеры решения задач по химии

дает Примеры решения задач по химии

Теперь приступим к заключительной (и очень важной!) стадии решения задачи — определению неизвестного металла по молярной массе его эквивалента. Для этого воспользуемся соотношением Примеры решения задач по химии. При этом определение необходимо проводить по двум критериям.

Первый из них использует равенство величины степени окисления (заряда ионов) и номера группы периодической системы Д. И. Менделеева. Этот критерий наиболее прост, но носит частный характер, поскольку строго выполняется и.может быть применен только для ионов s- и р-металлов.

Второй критерий рассматривает возможность проявления элементом, характеризующимся рассчитанной величиной молярной массы М, данной степени окисления п. Этот критерий является, по-видимому, наиболее общим и может быть применен к любым элементам периодической системы.

Итак, приступим к определению качественного состава неизвестного соединения. При этом для первой задачи приведем полный анализ решения.

При Примеры решения задач по химии. Металл с такой молярной массой в I группе периодической системы отсутствует (1 критерий). В то же время величине M(R) = 9 г/моль соответствует элемент II группы — бериллий. Однако этот металл не проявляет степень окисления n = 1, и это решение не подходит (II критерий).

При Примеры решения задач по химии. Металл с такой молярной массой как во II группе, так и в других группах периодической системы отсутствует.

При Примеры решения задач по химии. Этой величине молярной массы соответствует металл III группы периодической системы — алюминий (I критерий).

В принципе, анализ необходимо проводить до n = 8, не останавливаясь на первом же найденном решении, удовлетворяющем условию задачи. Действительно, далее будет показано, что в некоторых задачах одним и тем же условиям удовлетворяют несколько решений.

Однако в данной задаче решение Примеры решения задач по химии является единственным и дальнейший анализ можно не проводить, т. к. сульфаты, в состав которых входят ионы металла с зарядом больше, чем 3+, в природе не существуют (для ионов металла с большим зарядом характерно образование оксисульфатов).

Если же формально провести анализ до n = 8, то мы получим тот же ответ: Примеры решения задач по химии.

Действительно, при n = 4 в таблице Менделеева отсутствует металл с молярной массой Примеры решения задач по химии = 36 г/моль. При n = 5 металл с Примеры решения задач по химии = 45 г/моль существует. Это — скандий. Однако он в принципе не может давать ионы Примеры решения задач по химии. По этой же причине отпадают марганец [Примеры решения задач по химии = 54 г/моль при n = 6], медь [Примеры решения задач по химии = 63 г/моль при n = 7] и германий [Примеры решения задач по химии = 72 г/моль при n = 8]. Одновременно необходимо отметить, что во всех трех последних случаях рассчитанные величины A(R) несколько ниже значений средних молярных масс, приведенных в таблице Менделеева.

Ответ: неизвестное вещество имеет формулу Примеры решения задач по химии.

Пример №1-4.

Неизвестное соединение содержит 24,68 % калия, 34,81 % неизвестного металла и 40,51 % кислорода по массе. Определите формулу этого соединения.

Решение:

Возьмем 100 г неизвестного вещества. Тогда в этой навеске будет содержаться: 24,68 г калия, 34,81 г определяемого металла и 40,51 г кислорода. Рассчитаем количество вещества (калия и кислорода) в соответствующих им массах:

Примеры решения задач по химии

Проведенные оценки показывают: что молярное соотношение этих компонентов составляет Примеры решения задач по химии. Это позволяет утверждать, что неизвестное вещество — соль калия, а кислород входит в состав аниона, формируемого переходным металлом Me. После записи формулы соединения в общем виде с использованием закона эквивалентов: Примеры решения задач по химии, получаем, что Э(К) = 39 соединен в нем с Примеры решения задач по химии, а по условию задачи 24,68 г К приходится на 75,32 г иона Примеры решения задач по химии. Решение полученной пропорции

Примеры решения задач по химии

дает Примеры решения задач по химии = 119,0 г/моль, М(Ме) = 55,0 г/моль и неизвестный металл — марганец.

Ответ: формула неизвестного вещества — Примеры решения задач по химии.

Дополнительные примеры с решением:

  1. Пример №1-5. Часто примером задач, для решения которых применяется понятие молярной массы эквивалента, является задача о растворении металла в кислоте.
  2. Пример №1-6. 54,92 г йодида неизвестного металла было подвергнуто разложению. При этом получено 40,64 г чистого йода. Определите неизвестный металл.
  3. Пример №1-7. Для восстановления 23,2 г одного из оксидов железа до металла потребовалось 8,96 л водорода (н. у.). Какой именно оксид железа был взят дли восстановления?
  4. Пример №1-8. Какие химические соединения с общей формулой содержат 12,5 % водорода по массе?

Методы решения задач на определение формулы химического вещества на основании данных о химических реакциях, протекающих с его участием

Рассмотрим еще один тип задач, в которых определение состава химического вещества основано на данных о химических реакциях, протекающих с его участием.

Простейшими реакциями, рассматриваемыми в задачах этого типа, являются реакции полного окисления (горения) исходных веществ до более простых продуктов. Идея задач, анализирующих реакции горения, заключается в следующем: после сжигания образца неизвестного вещества определенной массы фиксируются массы всех образующихся продуктов. Алгоритм решения таких задач сводится к определению количества вещества каждого из компонентов, входящих в состав неизвестного вещества, и последующего его «конструирования» по рассчитанным величинам.

Отметим, что аналогичный алгоритм используется и для решения задач, рассматривающих другие химические реакции.

Разберем некоторые конкретные примеры.

Пример №1-9.

6,8 г неизвестного вещества сожгли в избытке кислорода. При этом было получено 14,2 г Примеры решения задач по химии и 5,4 г воды. Определите состав и формулу неизвестного вещества.

Решение:

Состав продуктов реакции Примеры решения задач по химии позволяет утверждать, что в состав неизвестного вещества входят фосфор и водород, а также, вероятно, кислород. Для окончательного решения вопроса о качественном составе неизвестного вещества определим сначала количества фосфора и водорода, входящие в его состав.

Примеры решения задач по химии

Суммируя массы фосфора и водорода, получаем:

Примеры решения задач по химии

что равно массе исходного образца. Следовательно, в состав неизвестного вещества входят только фосфор и водород, а кислород в нем не содержится.

Теперь непосредственно перейдем к установлению формулы неизвестного вещества. Из проведенных расчетов видно, что молярное соотношение компонентов в искомом соединении равно:

Примеры решения задач по химии

Очевидно, что неизвестное вещество — фосфин.

Ответ: Примеры решения задач по химии.

Пример №1-10.

В результате сжигания 15,6 г неизвестного вещества в избытке кислорода было получено 8,8 г Примеры решения задач по химии и 10,8 г воды. Определите состав и формулу неизвестного вещества.

Решение:

Состав продуктов реакции Примеры решения задач по химиипозволяет утверждать, что в состав неизвестного вещества входят углерод, азот и водород, а также, вероятно, кислород. Для окончательного решения вопроса о качественном составе неизвестного вещества определим сначала количества углерода, азота и водорода, входящие его состав.

Примеры решения задач по химии

Суммируя массы углерода, азота и водорода, получаем:

Примеры решения задач по химии

что не равно массе исходного образца. Следовательно, в состав неизвестного вещества входят не только углерод, азот и водород, но и кислород, масса которого составляет

Примеры решения задач по химии

Теперь непосредственно перейдем к установлению формулы неизвестного вещества. Из проведенных расчетов видно, что молярное соотношение компонентов в искомом соединении равно:

Примеры решения задач по химии

Очевидно, что полученному соотношению компонентов наилучшим образом отвечает карбамат аммония Примеры решения задач по химии — продукт взаимодействия диоксида углерода с аммиаком.

Ответ: Примеры решения задач по химии

Дополнительные примеры с решением:

  1. Пример №1-11. При разложении 49 г неизвестного вещества выделилось 13,44 л кислорода и осталось твердое вещество, содержащее 52,35 % калия и 47,65 % хлора. Определите формулу неизвестного вещества.
  2. Пример №1-12. Два элемента принадлежат одной группе четного периода периодической системы и образуют водородные соединения, высшие оксиды и гидраты высших оксидов одного и того же состава. Отношение молярных масс их водородных соединений равно 2,3824, высших оксидов — 1,5875 и гидратов высших оксидов — 1,4796. Определите эти элементы.

Задачи на установление формулы органического вещества.и основные алгоритмы их решений

В этом разделе будут рассмотрены подходы к решению задач на установление формулы органического вещества. С некоторыми из них мы уже познакомились в предыдущих разделах. Так, в примере 1-12 применяется алгоритм решения, который уже использовался в разделе 1.1 (пример 1-1), а в примерах 1-13, 1-16 и 1-17 — алгоритм решения раздела 1.3 (примеры 1-9 и 1-10). Это и понятно, поскольку формулировки задач, разбираемых в соответствующих примерах, не отражают «специфики» органической химии, т. е. они «безразмерны» по отношению к рассматриваемому объекту. Алгоритмы решения задач на установление формулы вещества (см. разделы 1.1 и 1 .3), разработанные для общего случая анализа систем Примеры решения задач по химииПримеры решения задач по химии, и т. п. (где R — любой химический элемент), можно, естественно, с успехом использовать и для определения формулы органического вещества, когда R = С.

Однако если в формулировке задачи неизвестное анализируемое вещество отнесено к тому или иному классу органических соединений, то при анализе задачи сразу же возникает особая «органическая» специфика, что требует разработки и применения соответствующих алгоритмов. В этом случае специфика задач на установление формулы неизвестного вещества проявляется в возможности использования общих формул, соответствующих тому или иному классу органических соединений. Благодаря этому число неизвестных параметров, вводимых при решении задачи, заметно сокращается. Так, если неорганическое вещество состоит из Примеры решения задач по химии, то его формула может быть записана в виде Примеры решения задач по химии. Если решается задача об органическом веществе, состоящем из Примеры решения задач по химии (при этом класс органического вещества не указан), то ситуация остается неизменной и его формула записывается аналогичным образом: Примеры решения задач по химии. Однако если класс того же вещества, состоящего из Примеры решения задач по химии, указан (например, в задаче рассматривается насыщенная монокарбоновая кислота), то при решении можно использовать общую формулу для этого класса соединений: Примеры решения задач по химии, для которых молярная масса также может быть представлена общей формулой: Примеры решения задач по химии Указанный подход создает дополнительные возможности и широко используется при решении задач, объектами которых являются органические вещества определенного класса.

Ниже приведены наиболее часто встречающиеся классы органических веществ, их общие формулы и соответствующие им общие формулы для молярных масс.

Примеры решения задач по химии

Очевидно, что общие формулы и молярные массы по мере необходимости можно вывести для любого класса органических соединений, что и предлагается делать читателям при решении той или иной конкретной задачи.

Пример №1-13.

Газообразный углеводород имеет такую же плотность, как углекислый газ, а массовая доля углерода и водорода нем составляет соответственно 81,8 % и 18,2 % по массе. Какое это соединение?

Решение:

Возьмем 100 г неизвестного углеводорода. Тогда в выбранной навеске последнего будет содержаться: 81,8 г углерода и 18,2 г водорода. Определим количество вещества (углерода и водорода) в соответствующих им массах.

Примеры решения задач по химии

Проведенные расчеты показывают, что молярное соотношение компонентов:

Примеры решения задач по химии

позволяет приписать неизвестному углеводороду формулу Примеры решения задач по химии. Действительно, молярная масса этого вещества равна 44,0 г/моль = Примеры решения задач по химии, что отвечает условию задачи.

Ответ: Примеры решения задач по химии.

Пример №1-14.

Образец органического вещества массой 2,15 г сожгли в избытке кислорода. Продуктами реакции являются оксид углерода (IV) объемом 3,36 л (н. у.) и вода массой 3,15 г. Плотность паров исходного вещества по водороду равна 43. Определите формулу вещества.

Решение:

Состав продуктов реакции Примеры решения задач по химии позволяет утверждать, что в состав неизвестного органического вещества входят углерод и водород, а также, вероятно, кислород. Для окончательного решения вопроса о качественном составе неизвестного вещества определим сначала массы углерода и водорода, входящие в его состав.

Примеры решения задач по химии

Суммируя массы углерода и водорода, получаем:

Примеры решения задач по химии

что равно массе исходного образца. Следовательно, в состав неизвестного вещества входят только углерод и водород, а кислород в нем не содержится.

Теперь непосредственно перейдем к установлению формулы неизвестного вещества. Из проведенных расчетов видно, что молярное соотношение компонентов в искомом соединении равно:

Примеры решения задач по химии

Очевидно, что неизвестное вещество — углеводород состава Примеры решения задач по химии. Действительно, молярная масса этого соединения равна 86,0 г/моль (12 • 6 + 14), что отвечает условию задачи (43 • 2 г/моль).

Ответ: Примеры решения задач по химии.

Дополнительные примеры с решением:

  1. Пример №1-15. Установите формулу гомолога этилена, 1,68 г которого полностью обесцвечивают 128,0 г раствора брома в хлороформе (массовая доля брома в растворе составляет 5,0 %).
  2. Пример №1-16. Углеводород с содержанием водорода 7,692 % по массе имеет плотность по воздуху 3,586. Определите формулу углеводорода, если известно, что он вступает в реакцию с бромом в молярном соотношении 1:1.
  3. Пример №1-17. Отношение молярных масс двух алканов составляет величину 1,9333. Отношение же молярных масс их монобромпроизводных равно 1,2569. Установите формулы исходных алканов.
  4. Пример №1-18. Образец органического вещества массой 8,7 г сожгли в избытке кислорода. Продуктами реакции являются оксид углерода (IV) объемом 10,08 л (н. у.) и вода массой 8,1 г. Плотность паров исходного вещества по гелию равна 14,5. Определите формулу вещества, если известно, что анализируемое вещество не обесцвечивает раствор брома в четырех хлористом углероде и не взаимодействует с аммиачным раствором оксида серебра.
  5. Пример №1-19. Образец органического вещества массой 1,5 г сожгли в избытке кислорода. Продуктами реакции являются оксид углерода (IV) объемом 896 мл (н. у.), азот — 224 мл (и. у.) и вода массой 0,9 г. Плотность паров исходного вещества по воздуху равна 2,5862. Определите формулу вещества, если известно, что анализируемое вещество взаимодействует с равным числом молей , а полученный продукт — с удвоенным числом молей .

Газовые законы.
Основные соотношения

Параметры состояния газов (давление Р, объем V и температура Т) связаны между собой следующими фундаментальными соотношениями.

Закон Бойля—Мариотта (описывает поведение идеального газа при изотермических условиях Т = const):

Примеры решения задач по химии

Закон Гей-Люссака (описывает поведение идеального газа при изобарических условиях Р = const):

Примеры решения задач по химии

Закон Шарля (описывает поведение идеального газа при изохорических условиях V = const):

Примеры решения задач по химии

Объединенный газовый закон описывает поведение идеального газа при одновременном изменении трех его параметров состояния:

Примеры решения задач по химии

Отметим, что все перечисленные законы справедливы только для постоянного числа молей рассматриваемого газа.

Для одного моля газа уравнение (2.4) можно записать в виде соотношения

Примеры решения задач по химии

где R — универсальная газовая постоянная.

Величина R может быть рассчитана, учитывая, что 1 моль любого газа при нормальных условиях Примеры решения задач по химии занимает объем 22,4 л:

Примеры решения задач по химии

Величину R оценить не только в системе СИ, но и для тех случаев, когда основные параметры состояния газовой системы (Р, V) приведены с использованием внесистемных единиц.

Так, если значение давления приводится в атмосферах, то величина R равна

Примеры решения задач по химии

Если величина давления дается в миллиметрах ртутного столба (мм рт. ст.), то

Примеры решения задач по химии

Уравнение Клапейрона—Менделеева:

Примеры решения задач по химии

где v — число молей газа; m — масса газа; М — молекулярная масса газа.

Из уравнения Клапейрона-Менделеева можно вывести ряд важных следствий

1. При постоянных Р и Т из уравнения (2.6) следует закон Авогадро — в равных объемах газов при постоянных Р и Т содержится одинаковое число молекул:

Примеры решения задач по химии

2. При постоянных Р и Т уравнение (2.6) можно представить в следующем виде

Примеры решения задач по химии

Уравнение (2.8) означает, что при указанных условиях величина плотности газа р определяется только его молекулярной массой. Это позволяет ввести понятие относительной плотности одного газа по другому:

Примеры решения задач по химии

3. При постоянных V и T из уравнения (2.6) следует:

Примеры решения задач по химии

Это означает, что глубина протекания химической газовой реакции в замкнутом сосуде Примеры решения задач по химии полностью определяется давлением, поскольку оно зависит только от общего числа молей газа, присутствующих в системе.

Все рассуждения и выкладки, приведенные для одного газа, полностью сохраняются для смеси газов. В этом случае вводится понятие средней молярной массы:

Примеры решения задач по химии

Отметим, что переход от числа молей к парциальным объемам V, (парциальный объем — объем, который занимал бы данный компонент газовой смеси при соответствующих Р и Т) возможен, поскольку газы в смеси находятся при одинаковых условиях и к ним применим закон Авогадро.

Часто для оценки относительной плотности одного газа по другому в качестве газа-сравнителя используется воздух (см. уравнение (2.9)). Для этого используется величина средней молекулярной массы воздуха, которая может быть оценена:

Примеры решения задач по химии

(в приведенном расчете 0,79 и 0,21 — объемные доли азота и кислорода соответственно).

Алгоритмы решения задач с использованием газовых законов

Задачи, приведенные в этом разделе, можно разделить на две группы.

К первой из них нужно отнести задачи, решение которых следует искать на основе трех рассмотренных выше физических законов (Бойля—Мариотта, Гей-Люссака, Шарля). Естественно, что в «чистом» виде физические законы, устанавливающие те или иные корреляции между физическими параметрами состояния системы, в явном виде не связаны с химическими параметрами этой системы (например, с числом молей ее компонентов).

Взаимосвязь между физическими и химическими параметрами системы успешно достигается благодаря использованию следствия из закона Авогадро (один моль газа при нормальных условиях занимает объем 22,4 л).

Ко второй группе относятся задачи, решение которых полностью основано на использовании уравнения Клапейрона—Менделеева.

Рассмотрим в качестве примера решение типичной задачи первой группы.

Пример №2-1.

Смесь Примеры решения задач по химии при 0°С и Р = 84,04 кПа находится в замкнутом реакторе объемом 13,5 л. После введения в систему свежеприготовленного Примеры решения задач по химии и длительной выдержки системы при 0°С давление в системе понизилось до 50,42 кПа. Определить состав исходной газовой смеси.

Решение:

Используя выражение для закона Бойля—Мариотта Примеры решения задач по химии, где Примеры решения задач по химии — параметры, отвечающие нормальным условиям, получаем следующее численное соотношение:

Примеры решения задач по химии

Следовательно, общее число молей в исходной газовой смеси составляет величину Примеры решения задач по химии.

После поглощения Примеры решения задач по химии рассмотренное выше соотношение принимает вид:

Примеры решения задач по химии

Следовательно, число молей кислорода в исходной газовой смеси составляет величину Примеры решения задач по химии, а число молей углекислого газа в исходной газовой смеси — Примеры решения задач по химии

Уравнение Клапейрона—Менделеева

Уравнение Клапейрона—Менделеева непосредственно связывает физические и химические параметры системы, а его использование столь очевидно, что не требует специального разбора. Тем не менее убедимся в правильности его применения на ранее разобранном примере.

Пример №2-2.

Смесь Примеры решения задач по химии находится в замкнутом реакторе объемом 13,5 л. После введения в систему свежеприготовленного СаО и длительной выдержки системы при 0°С давление в системе понизилось до 50,42 кПа. Определить состав исходной смеси.

Решение:

Пользуясь следствием из уравнения Клапейрона—Менделеева для постоянных V и Т:

Примеры решения задач по химии


получаем соотношение, связывающее давления и количества газов в исходном Примеры решения задач по химии и конечном Примеры решения задач по химии состояниях:

Примеры решения задач по химии

Из уравнения Клапейрона—Менделеева находим общее число молей в исходной смеси

Примеры решения задач по химии

откуда Примеры решения задач по химии

Используя выражение (I), рассчитываем количество кислорода Примеры решения задач по химии моль, содержащегося в реакторе после поглощения Примеры решения задач по химии. Следовательно, количества Примеры решения задач по химии и Примеры решения задач по химии в исходной смеси соответственно равны 0,2 моль и 0,3 моль.

Ответ: Примеры решения задач по химии.

Вычисление относительной плотности газа по его молярной массе

Рассмотрим в качестве примера следующую задачу.

Пример №2-3.

Вычислите относительную плотность диоксида серы по воздуху.

Решение:

Из закона Авогадро следует, что относительная плотность одного газа по другому равна отношению молярных масс этих газов, т. е. Примеры решения задач по химии. Принимая Примеры решения задач по химии, получаем:

Примеры решения задач по химии

Ответ. Примеры решения задач по химии.

Определение средней молярной массы и относительной плотности смеси газов

Рассмотрим в качестве примера следующие задачи.

Пример №2-4.

Вычислите молярную массу газовой смеси, состоящей из 70 % азота и 30 % кислорода по объему.

Решение:

Из следствия закона Авогадро вытекает, что 1 моль данной смеси содержит 0,7 моль азота и 0,3 моль кислорода (объемная доля газа в смеси газов равна его мольной доле)

Среднюю молярную массу газовой смеси рассчитываем по уравнению:

Примеры решения задач по химии

Ответ: 29,2 г/моль.

Пример №2-5.

Газовую смесь, состоящую из 5 л азота и 6 л водорода, пропустили через катализатор. После реакции-объем смеси составил 10 л. Определите относительную плотность по гелию полученной смеси.

Решение:

Запишем исходные «0» и конечные (равновесные) «р» объемы реагентов и продуктов реакции, принимая, что в реакцию вступило х л азота:

Примеры решения задач по химии

Общий объем полученной смеси равен Примеры решения задач по химии, откуда х = 0,5 л. Таким образом, конечная смесь состоит из 4,5 л Примеры решения задач по химии. Средняя молярная масса конечной смеси составляет:

Примеры решения задач по химии

Относительная плотность по гелию равна:

Примеры решения задач по химии

Ответ: Примеры решения задач по химии

Определение состава газовой смеси по ее молярной массе и плотности

Рассмотрим в качестве примеров следующие задачи

Пример №2-6.

Вычислите массовые и объемные доли кислорода и озона в газовой смеси, если ее средняя молярная масса равна 36 г/моль.

Решение:

Возьмем 1 моль газовой смеси и обозначим число молей кислорода через х, а число молей озона через 1 — х. Тогда масса 1 моля равна:

Примеры решения задач по химии

Решая уравнение, получаем Примеры решения задач по химии

Следовательно, объемные доли кислорода и озона соответственно равны 0,75 (или 75 %) и 0,25 (или 25 %).

Находим массовые доли газов:

Примеры решения задач по химии

Ответ: Примеры решения задач по химии

Пример №2-7.

Рассчитайте массовые доли газов в смеси, состоящей из азота и фтороводорода, если плотность ее при нормальном давлении и температуре 70° С равна 0,886 г/л.

Решение:

Используя уравнение Клапейрона—Менделеева, рассчитаем среднюю молярную массу смеси:

Примеры решения задач по химии

Возьмем 1 моль газовой смеси и обозначим число молей азота через х, а число молей HF через I — х, тогда масса 1 моля смеси равна:

Примеры решения задач по химии

Решая уравнение, получаем:

Примеры решения задач по химии

Находим массовые доли азота и фтороводорода:

Примеры решения задач по химии

Ответ: Примеры решения задач по химии

Приведем еще один пример.

Пример №2-8.

При каталитическом гидрировании смеси пропена и водорода с плотностью по гелию 3 образовалось газовая смесь с плотностью по гелию 3,125. Определите объемную долю пропана в конечной смеси.

Решение:

Возьмем 1 моль газовой смеси и обозначим число молей пропена через х, а число молей водорода через 1 — х, тогда масса 1 моля смеси равна:

Примеры решения задач по химии

откуда х = 0,25 моль, а 1 — х — 0,75 моль.

Запишем исходные «0» и конечные (равновесные) «р» концентрации реагентов и продуктов реакции, принимая, что в реакцию вступило у моль пропена:

Примеры решения задач по химии

Общее число молей в конечной газовой смеси составляет (I — у), а средняя молярная масса ее равна 3,125 * 4 = 12,5 г/моль. Поскольку массы конечной и исходной смесей равны (12 г), выражение для молярной массы конечной смеси примет вид:

Примеры решения задач по химии

Следовательно, мольная и объемная доли пропана равны Примеры решения задач по химии.

Ответ: Примеры решения задач по химии.

Строение атома и периодический закон. Основные представления о строении атома

К середине XIX в. — периода завершения второго химико-аналитического этапа развития химии — было неоспоримо доказано существование атомов и молекул и создано атомно-молекулярное учение, которое имело огромное значение для становления химии как науки. Однако основные положения научной концепции, сложившейся к тому времени, базировались на представлении о том, что атом — не только наименьшая, но и элементарная (т. е. неделимая) частица.

Прямым доказательством сложности строения атома стало открытие самопроизвольного распада атомов некоторых элементов, названное радиоактивностью. В 1896 г. французский физик Л. Беккерель обнаружил, что материалы, содержащие уран, засвечивают в темноте фотопластинку, ионизируют газы, вызывают свечение флюоресцирующих веществ. В дальнейшем выяснилось, что этой способностью обладает не только уран. Титанические усилия, связанные с переработкой огромных масс урановой смоляной руды, позволили П. Кюри и М. Склодовской открыть два новых радиоактивных элемента: полоний и радий. Последовавшее за этим установление природы Примеры решения задач по химии-лучей, образующихся при радиоактивном распаде (Э. Резерфорд, 1899-1903), открытие ядер атомов диаметром 10 нм, занимающих незначительную долю объема атома (диаметр Примеры решения задач по химии нм) (Э. Резерфорд, 1909-1911), определение заряда электрона (Р. Милликен, 1909-1914) и доказательство дискретности его энергии в атоме (Дж. Франк, Г. Герц, 1912), установление заряда ядра, равного номеру элемента (Г. Мозли, 1913), и, наконец, открытие протона (Э. Резерфорд, 1920) и нейтрона (Дж. Чедвик, 1932) позволили предложить следующую модель строения атома:

  1. В центре атома находится положительно заряженное ядро, занимающее ничтожную часть пространства внутри атома (радиус атома водорода 0,046 нм, радиус протона — ядра атома водорода — 6,5 • Примеры решения задач по химиинм).
  2. Весь положительный заряд и почти вся масса атома сосредоточены в его ядре (масса электрона равна 1/836 а. с. м.).
  3. Ядра атомов состоят из протонов и нейтронов (общее название — нуклоны). Число протонов в ядре равно порядковому номеру элемента, а сумма чисел протонов и нейтронов соответствует его массовому числу.
  4. Вокруг ядра по замкнутым орбитам вращаются электроны. Как видно из таблицы 3.1, их число равно положительному заряду ядра.

Различные виды атомов имеют общее название — нуклиды. Нуклиды достаточно характеризовать двумя числами из трех фундаментальных параметров: А — массовое число, Z — заряд ядра, равный числу протонов, и N — число нейтронов в ядре, тогда как третье определяется соотношениями:

Примеры решения задач по химии

Таблица 3.1.

Примеры решения задач по химии

Перейдем к рассмотрению закономерностей поведения электронов в атоме.

Согласно квантовомеханическим представлениям о строении атома, электрон имеет двойственную природу. Он способен проявлять одновременно как свойства частиц, так и свойства волн: подобно частице электрон обладает определенной массой и зарядом; движущийся поток электронов проявляет волновые свойства, например, характеризуется способностью к дифракции. В отличие от обычных тел для электрона нельзя одновременно определить его координаты в атоме и скорость. Электрон может находиться в любой части околоядерного пространства, однако вероятность его нахождения в разных частях этого пространства неодинакова. Пространство вокруг ядра, в котором вероятность нахождения электрона достаточно велика, называют орбиталью.

В современной модели атома состояние в нем электрона определяется четырьмя энергетическими параметрами — квантовыми числами.

Главное квантовое число п определяет энергию электрона и степень его удаления от ядра; оно принимает любые целочисленные значения, начиная с Примеры решения задач по химии

Побочное (орбитальное) квантовое число l определяет форму атомной орбитали. Оно может принимать целочисленные значения от 0 до n — 1 Примеры решения задач по химии. Каждому значению l соответствует орбиталь особой формы. При l = 0 атомная орбиталь, независимо от значения главного квантового числа, имеет сферическую форму (s-орбиталь). Значению l = 1 соответствует атомная орбиталь, имеющая форму гантели (р-орбиталь). Еще более сложную форму имеют орбитали, отвечающие высоким значениям l , равным 2, 3 и 4 (d-, f-, g-орбитали).

Магнитное квантовое число m определяет положение атомной орбитали в пространстве относительно внешнего магнитного или электрического поля. Магнитное квантовое число связано с орбитальным квантовым числом, изменяясь от — l до + l , включая 0. Следовательно, каждому значению / соответствует 2 l + 1 значений магнитного квантового числа.

Таблица 3.2

Распределение электронов по квантовым уровням

Примеры решения задач по химии

Спиновое квантовое число s может принимать лишь два возможных значения: Примеры решения задач по химии. Они соответствуют двум возможным и противоположным друг другу направлениям собственного магнитного момента электрона.

Схема распределения электронов по квантовым уровням представлена в табл. 3.2.

Подобно любой системе, атомы стремятся к минимуму энергии. Это достигается при определенном состоянии электронов, т. е. при определенном распределении электронов по орбиталям. которое можно оценить на основе следующих закономерностей:

Принцип Паули: в атоме не может быть электронов с одинаковым значением всех четырех квантовых чисел.

Правило Хунда: электроны располагаются на одинаковых орбиталях таким образом, чтобы суммарный спин был максимален.

Правило Клечковского: порядок заполнения энергетических состояний определяется стремлением атома к минимальному значению суммы главного и побочного квантовых чисел, причем в пределах фиксированного значения л + I в первую очередь заполняются состояния, отвечающие минимальным значениям и.

Пример:

Рассмотрим применение правила Клечковского для определения распределения электронов по орбиталям для атомов калия (Z = 19) и скандия (Z = 21).

1. Предшествующий калию элемент аргон (Z = 18) имеет следующее распределение электронов по орбиталям: Примеры решения задач по химии

При распределении электронов по орбиталям в атоме К в соответствии с правилом Клечковского предпочтение отдается орбитали 4s (сумма квантовых чисел Примеры решения задач по химии равна 4 + 0 = 4) по сравнению с орбиталью 3d (сумма квантовых чисел Примеры решения задач по химии равна 3 + 2 = 5), как орбитали, имеющей минимальное значение Примеры решения задач по химии.

Следовательно, для атома К: Примеры решения задач по химии.

2. Предшествующий скандию элемент кальций (Z = 20) имеет следующее распределение электронов по орбиталям: Примеры решения задач по химии

Из орбиталей Примеры решения задач по химии при распределении электронов в атоме Sc по орбиталям предпочтение следует отдать орбитали 3d как орбитали, имеющей минимальное значение n = 3 при одинаковых суммах квантовых чисел Примеры решения задач по химии, равных 5.

Атом скандия характеризуется следующим распределением электронов по орбиталям: Примеры решения задач по химии.

В табл. 3.3 представлены электронные конфигурации атомов первых тридцати элементов периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева.

Таблица 3.3

Электронные конфигурации атомов первых тридцати элементов периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева

Примеры решения задач по химии

Периодический закон и строение атома

Данные о строении ядра и о распределении электронов в атомах (см. табл. 3.3) позволяют рассмотреть периодическую систему химических элементов Д. И. Менделеева с фундаментальных физических позиций.

Из данных о строении ядра следует, что однозначным признаком химического элемента является заряд ядра Z, определяемый числом протонов в ядре и равный атомному номеру элемента в периодической таблице химических элементов Д. И. Менделеева. Относительные атомные массы элементов, приводимые в периодической таблице, представляют собой усредненные значения из относительных атомных масс изотопов, составляющих естественную, природную смесь.

Общее число электронов в электронейтральных атомах равно числу протонов в ядре, т. е. атомному номеру элемента 7. Число энергетических уровней, на которых располагаются электроны в атоме, определяется номером периода. Чем больше номер периода, тем больше энергетических уровней, на которых располагаются электроны, и тем больше внешние энергетические уровни удалены от ядра.

Число элементов в периоде определяется формулами:

• для нечетных периодов

Примеры решения задач по химии

• для четных периодов

Примеры решения задач по химии

где Примеры решения задач по химии — число элементов в периоде, n — номер периода.

Приведенные формулы позволяют легко определить, что в 1 -м периоде должно содержаться 2 элемента, во 2-м и 3-м — по 8, в 4-м и 5-м — по 18, в 6-м — 32, в незавершенном 7-м периоде также должно быть 32 элемента. Итак, число элементов в периодах совпадает с максимальным числом электронов на энергетических уровнях 2-8-18-32 (см. табл. 3.2).

Число главных подгрупп также определяется максимальным числом электронов на энергетическом уровне 8. Число переходных элементов в 4-м Примеры решения задач по химии периодах равно 10 и определяется разностью между максимальными числами электронов на третьем и втором энергетических уровнях: 18 — 8 = 10, т. е. равно максимальному числу электронов на d-подуровне (см. табл. 3.2).

Так как в периодической системе химических элементов Д. И. Менделеева одна из побочных подгрупп содержит сразу три переходных элемента (для каждого из больших периодов), близких по химическим свойствам:

Примеры решения задач по химии

то число побочных подгрупп, так же как и главных, равно 8.

По аналогии с переходными элементами число лантаноидов и актиноидов, вынесенных внизу периодической системы в виде самостоятельных рядов, должно быть равно разности между максимальными числами электронов на четвертом и третьем энергетических уровнях: 32 — 18 = 14, т. е. равно максимальному числу электронов на f-подуровне (см. табл. 3.1). Таким образом, строгая периодичность расположения элементов в периодической системе химических элементов Д. И. Менделеева полностью объясняется последовательным характером заполнения энергетических уровней.

Следующим важнейшим выводом, который следует из анализа данных, приведенных в табл. 3.3, является вывод о периодическом изменении характера заполнения электронами внешних энергетических уровней, что и вызывает периодические изменения химических свойств элементов и их соединений.

Так, 2-й период состоит из следующих 8 элементов:

Примеры решения задач по химии

При переходе от лития к неону заряд ядра постепенно увеличивается (от Z = 3 до Z = 10), что вызывает увеличение сил притяжения электронов к ядру. В результате радиусы атомов R уменьшаются:

Примеры решения задач по химии

Поэтому способность атомов отдавать электроны (типично металлические свойства), ярко выраженная у атомов лития, постепенно ослабевает при переходе от лития к фтору. Последний является уже типичным неметаллом, т. е элементом, атомы которого способны присоединять электроны.

Начиная со следующего за неоном элемента — натрия (Z = 11), электронные структуры элементов повторяются. Поэтому внешние электронные конфигурации для элементов-аналогов могут быть представлены в общем виде:

• для лития и натрия — Примеры решения задач по химии (n — номер периода),

• для бериллии и магния — Примеры решения задач по химии,

• для бора и алюминия — Примеры решения задач по химии,

• для углерода и кремния — Примеры решения задач по химии и т. д.

В 4-м периоде появляются переходные элементы, которые принадлежат побочным подгруппам.

Элементы, принадлежащие одной и той же подгруппе, имеют идентичный характер расположения электронов на внешних электронных уровнях, а принадлежащие разным подгруппам одной и той же группы — сходный. Например, галогены (главная подгруппа VII группы) имеют идентичную электронную конфигурацию Примеры решения задач по химии , а элементы побочной подгруппы — Примеры решения задач по химии

Сходство указанных элементов заключается в наличии у атомов как главной, так и побочной подгруппы 7 валентных электронов: Примеры решения задач по химии и Примеры решения задач по химии но их расположение по подуровням существенно различается: все валентные электроны элементов главной подгруппы расположены на двух подуровнях одного уровня п, а элементов побочной — на двух подуровнях двух различных уровней Примеры решения задач по химии.

Таким образом, наиболее важным выводом, следующим из сопоставления данных, приведенных в табл. 3.3, с периодической системой химических элементов Д. И. Менделеева, является вывод о строгой периодичности изменения электронных конфигураций атомов элементов в их естественном ряду, что отвечает периодичности изменения их свойств.

Растворы

Наиболее распространенными физико-химическими системами являются растворы, среди которых заметно выделяются истинные растворы. Самая характерная особенность истинного раствора состоит в том, что растворенное вещество находится в нем в виде атомов, молекул или ионов, равномерно окруженных атомами, молекулами или ионами растворителя. Иначе говоря, истинные растворы однофазны, т. е. в них отсутствует граница раздела между растворителем и растворенным веществом.

Растворы могут существовать в любом из агрегатных состояний: газообразном, жидком и твердом. Например, воздух можно рассматривать как раствор кислорода и других газов (углекислый газ, благородные газы) в азоте. Морская вода — это водный раствор различных солей в воде. Металлические сплавы — твердые растворы одних металлов в других.

Итак, любой раствор состоит, как минимум, из двух индивидуальных веществ, одно из которых считают растворителем, а другое — растворенным веществом. Однако такое деление очень условно, а для веществ, смешивающихся в любых соотношениях (например, вода — серная кислота, серебро — золото), лишено смысла.

Способность к образованию растворов выражена в различной степени у различных индивидуальных веществ. Одни вещества способны растворяться друг в друге неограниченно (вода — спирт), другие — лишь в ограниченных количествах (подавляющее большинство солей, кислот и оснований в воде).

Растворимость веществ существенно зависит от природы растворяемого вещества и растворителя, температуры и давления. Различная растворимость веществ тесно связана с характером взаимодействия молекул растворителя и растворенного вещества.

Раствор, в котором данное вещество при данной температуре уже больше не растворяется, т. е. раствор, находящийся в равновесии с растворенным веществом, называется насыщенным, а раствор, в котором еще можно растворить некоторое количество данного вещества, — ненасыщенным. Для подавляющего большинства растворов растворимость растворенных веществ в воде увеличивается с повышением температуры. Если раствор, насыщенный при нагревании, осторожно охладить до комнатной температуры так, чтобы растворенное вещество не выделилось в виде отдельной фазы, то образуется пересыщенный раствор. Таким образом, пересыщенным называется раствор, в котором при данной температуре содержится большее количество растворенного вещества, чем в насыщенном растворе. Пересыщенный раствор нестабилен (часто также встречается термин «метастаби-лен»), и при изменении условий (например, энергичное встряхивание раствора «соль — вода» или внесение в него кристаллика той же соли — затравки для кристаллизации) образуется насыщенный раствор и выпадают кристаллы соли, находящейся в пересыщенном растворе в избытке.

Для различных практических расчетов в химии широко используются внесистемные единицы, характеризующие концентрацию раствора, — массовая и молярная доли.

Массовой долей со растворенного вещества называется отношение массы растворенного вещества к общей массе раствора:

Примеры решения задач по химии

Массовая доля в этом случае выражается в долях единицы. Однако в подавляющем большинстве случаев при решении задач массовая доля выражается в процентах (% по массе или в мае. %). Тогда для расчетов используют соотношение:

Примеры решения задач по химии

Например, для сплава Вуда, содержащего 4 мас. ч. Примеры решения задач по химии. Примеры решения задач по химии, массовая доля компонентов твердого раствора соответственно равна 0,50 : 0,25 : 0,125 : 0,125 (4 : 8; 2 : 8; 1 : 8; 1 : 8).

Молярная доля Примеры решения задач по химии — отношение числа молей данного вещества в растворе к общему числу молей веществ, образующих раствор (в общем случае число компонентов раствора Примеры решения задач по химии):

Примеры решения задач по химии


где Примеры решения задач по химии — число молей i-компонента, Примеры решения задач по химии — общее число молей.

Например, для сплава Вуда, массовое содержание компонентов в котором приведено выше, можно показать, что на 1,00 моль Bi приходится 0,505 моль РЬ, 0.440 моль Sn и 0,467 моль Cd, при этом молярные доли компонентов будут соответственно равны: 0,4146; 0,2094; 0,1824 и 0,1936 (Примеры решения задач по химии = 2,412 моль).

Необходимо также напомнить еще об одной внесистемной величине, широко применяемой при практических расчетах, — растворимости.

Растворимость вещества показывает сколько безводного вещества в граммах может раствориться в 100 г растворителя (или, реже, сколько безводного вещества в граммах может раствориться в 1,0 л растворителя). Единицами растворимости являются грамм вещества на 100 г растворителя или грамм вещества на литр растворителя (г/л).

Важной системной величиной (в системе СИ), количественно характеризующей концентрацию раствора, является молярная концентрация — число молей растворенного вещества в 1,0 л раствора.

Примеры решения задач по химии

Например, раствор, содержащий 49,0 г серной кислоты в 1,0 л, имеет концентрацию 0,5 моль/л, т. к. молярная масса кислоты равна 98,0 г/моль, а раствор, содержащий 40,0 г гидроксида натрия в 0,5 л, имеет концентрацию 2,0 моль/л, т. к. молярная масса щелочи равна 40,0 г/моль.

Алгоритмы расчетов количественных характеристик растворов солей, кислот и оснований

Задачи этого типа являются, по-видимому, простейшими среди задач четвертого раздела. Действительно, все расчеты, проводимые при их решении, основаны на формуле (4.2):

Примеры решения задач по химии

и формуле (4.4):

Примеры решения задач по химии

Из формул видно, что для определения любого из параметров раствора [Примеры решения задач по химии (вещества) или m(раствора) — формула (4.2); Примеры решения задач по химии(вещества) или V(раствора) — формула (4.4)] необходимо задать два других его параметра. Таким образом, может существовать три подтипа задач, решаемых с использованием уравнения (4.2), и три подтипа задач, решаемых с использованием уравнения (4.4). Однако реально на каждую из формул подтипов задач оказывается несколько больше— вместо массы раствора в тексте задачи могут быть даны:

• либо масса растворителя, необходимая для получения раствора [напомним, что m(раствора) = m(вещества) + m(растворителя)];

• либо объем и плотность полученного раствора.

Таблица 4.1

Примеры решения задач по химии

Все возможные варианты задач, решаемые с использованием уравнения (4.2), в виде заданных и неизвестных величин приведены в табл. 4.1.

Рассмотрим в качестве примера следующую задачу:

Пример №4-1.

В какой массе воды следует растворить 11,7 г хлористого натрия, чтобы получить раствор Примеры решения задач по химии с массовой долей 7,5 %?

Решение:

Исходя из условий задачи и обозначив искомую величину (массу воды) через х, можно записать:

Примеры решения задач по химии

Решение полученного соотношения дает х = 144,3 г.

Ответ: 144,3 г воды.

Таблица 4.2

Примеры решения задач по химии

Среди задач, предложенных для самостоятельного решения (№ 4.1-4.6), естественно, приведены далеко не все варианты (см. крайнюю правую колонку в табл. 4.1), представляющие те или иные комбинации заданных и неизвестных параметров растворов. Авторы рекомендуют читателям определить варианты приведенных задач, составить задачи на все не приведенные варианты и решить их.

Теперь перейдем к задачам, в которых концентрация раствора задается величиной см — молярной концентрацией.

Рассуждения, аналогичные тем, которые привели нас к табл. 4.1, приводят и к табл. 4.2. В этой таблице приведены все возможные варианты задач, решаемых с использованием уравнения (4.4), в виде определенной комбинации заданных и неизвестных величин.

Рассмотрим в качестве примера следующую задачу:

Пример №4-2.

50,0 г серной кислоты (49,0 %) растворили в воде, и объем раствора довели до 500,0 мл. Определите молярную концентрацию полученного раствора.

Решение:

Определим количество вешества в исходном растворе:

Примеры решения задач по химии

Теперь для раствора, полученного после разбавления, можно записать следующую пропорцию:

Примеры решения задач по химии

решение которой позволяет определить искомую величину — Примеры решения задач по химии.

Ответ: 0.5 М.

Алгоритмы расчетов количественных характеристик растворов веществ, образующих кристаллогидраты

Задачи, посвященные расчетам количественных характеристик растворов веществ, образующих кристаллогидраты, также решаются с использованием уравнения (4.2). Необходимо только подчеркнуть, что масса растворенного в растворе вещества и масса кристаллогидрата связаны между собой простым соотношением:

Примеры решения задач по химии

где Примеры решения задач по химии — массовая доля соли в кристаллогидрате, которую легко можно оценить по формуле:

Примеры решения задач по химии

Все возможные варианты задач приведены в виде заданных и неизвестных величин в табл. 4.3 и табл. 4.4.

Таблица 4.3

Примеры решения задач по химии

Таблица 4.4

Примеры решения задач по химии

Рассмотрим в качестве примера следующую задачу:

Пример №4-3.

Определите массовую долю и молярную концентрацию сульфата меди в растворе, полученном при растворении 50 г медного купороса в 750 г воды. Плотность полученного раствора р равна 1,04 г / мл.

Решение:

Определим вначале массовую долю сульфата меди в кристаллогидрате: Примеры решения задач по химии

Теперь запишем выражение для массовой доли сульфата меди в растворе:

Примеры решения задач по химии

Определим объем раствора: Примеры решения задач по химии, и число молей сульфата меди, находящееся в растворе: Примеры решения задач по химии. Это позволяет составить следующую пропорцию:

Примеры решения задач по химии

Решая эту пропорцию, получаем Примеры решения задач по химии.

Ответ: Примеры решения задач по химии

Основные алгоритмы расчетов, проводимых на основании уравнений химических реакций, протекающих с избытком (недостатком) одного из компонентов

Рассмотрим один из важнейших алгоритмов расчетов, проводимых на основании уравнений химических реакций и учитывающих, что один из компонентов химического взаимодействия взят с избытком (недостатком) по сравнению со стехиометрическим соотношением.

Рассмотрим в качестве примера следующую задачу:

Пример №4-4.

К 159 мл 10,0% раствора Примеры решения задач по химии добавлено 47 мл 25,0 % Примеры решения задач по химии. Определить массовую долю и молярную концентрацию соединений, содержащихся в растворе после завершения реакции, если плотность конечного раствора Примеры решения задач по химии = 1,029 г/мл.

Решение:

Определим массу растворов Примеры решения задач по химии

Примеры решения задач по химии

а также массу солей, содержащихся в этих растворах:

Примеры решения задач по химии

Вычислим количества веществ, содержащихся в соответствующих массах солей, учитывая, что их молярные массы равны Примеры решения задач по химии 106 г/моль:

Примеры решения задач по химии

Теперь запишем уравнение реакции взаимодействия между Примеры решения задач по химии, отметив при этом непосредственно под каждым из веществ их начальное и конечное содержание в системе (в молях):

Примеры решения задач по химии

Анализ начального состояния системы (первая строка под уравнением реакции, индекс «0») показывает, что в избытке взят Примеры решения задач по химии (0,15 моля > 0,12 моля) и, следовательно, он остается в растворе после завершения реакции (в количестве 0,03 моля; вторая строка под уравнением реакции, индекс «к»). В растворе после завершения реакции также останется Примеры решения задач по химии (0,24 моля). В то же время Примеры решения задач по химии, выпадающий в осадок, выделяется из раствора (0,12 моля). Поэтому масса раствора Примеры решения задач по химии, образуюшегося после завершения реакции, равна сумме масс двух исходных растворов без массы образовавшегося Примеры решения задач по химии:

Примеры решения задач по химии

Этот раствор занимает объем:

Примеры решения задач по химии

Тогда массовые доли Примеры решения задач по химии могут быть найдены по известным формулам:

Примеры решения задач по химии

Молярные же концентрации Примеры решения задач по химии будут соответственно равны:

Примеры решения задач по химии

Ответ: Массовые доли Примеры решения задач по химии, оставшихся в растворе после реакции, равны 1,62 % и 6,82 % соответственно; их молярные концентрации равны Примеры решения задач по химии Примеры решения задач по химии

Рассмотрим еще один вариант задач на «избыток—недостаток».

Пример №4-5.

Сколько Примеры решения задач по химии необходимо добавить к 159,0 мл 10,0 % раствора Примеры решения задач по химии (плотность Примеры решения задач по химии = 1,05 г/мл), чтобы получить: 1) раствор с массовым содержанием хлорида кальция Примеры решения задач по химии = 5,0 %; 2) раствор с массовым содержанием хлорида натрия Примеры решения задач по химии = 5,0 %; 3) раствор с массовым содержанием карбоната натрия Примеры решения задач по химии = 5,0 %?

Решение:

Эта задача также относится к так называемым задачам на «избыток—недостаток». Однако отличие таких задач от задач «классического» типа заключается в неопределенности используемого количества одного из исходных компонентов реакции. Поэтому такие задачи требуют специфического подхода, который и рассмотрен ниже.

Сначала рассмотрим первое из условий задачи.

Для этого определим исходные величины, характеризующие раствор хлорида кальция:

Примеры решения задач по химии

Теперь запишем уравнение реакции взаимодействия между Примеры решения задач по химии, отмечая, как обычно, при решении задач на «избыток—недостаток» непосредственно под каждым из веществ их начальное и конечное содержание в системе (в молях). При этом искомую по условию задачи величину — количество введенного в систему кристаллогидрата — десятиводного карбоната натрия Примеры решения задач по химии, а, следовательно, и количество карбоната натрия в растворе Примеры решения задач по химии обозначим через х. Тогда:

Примеры решения задач по химии

Очевидно, что условие (1): Примеры решения задач по химии= 5,0 %, сформулированное для конечного раствора, свидетельствует о существовании в исходном растворе избытка СаС12 (0,15 моль > х моль). Это позволяет следующим образом оценить количества веществ в конечном раст воре (вторая строка под реакцией, индекс «к»). Исходя из этого, можно записать:

Примеры решения задач по химии

В последнем выражении масса всего раствора может быть представлена соотношением:

Примеры решения задач по химии

И окончательно получаем:

Примеры решения задач по химии

Аналогично решается задача и при условиях (2) и (3).

Для условия (2) можно записать:

Примеры решения задач по химии

или Примеры решения задач по химии

Очевидно, что условие (3) будет выполняться только в том случае, когда х моль > 0,15 моль. Тогда, записав уравнение реакции взаимодействия между Примеры решения задач по химии, можно оценить конечное количество веществ в системе (в молях) следующим образом:

Примеры решения задач по химии

Для данного случая масса конечного раствора равна:

Примеры решения задач по химии

Проведенные оценки позволяют получить:

Примеры решения задач по химии

или Примеры решения задач по химии

Интересно отметить, что для случая х моль >0,15 моль существует также второе решение для условия (2). Действительно:

Примеры решения задач по химии

Ответ: Для получения растворов с заданным массовым содержанием соответствующих солей необходимо добавить следующие количества Примеры решения задач по химии 1) 0,069 моль или 19,7 г; 2) 0,0815 моль или 23,3 г; 3) 0,256 моль или 73,3 г; 4) второе решение для условия (2): 0,64 моль или 183,0 г.

Алгоритмы решения задач о процессах, связанных с изменением концентрации растворов солей, кислот и оснований

Выпаривание растворителя из растворов

Рассмотрим в качестве примера следующую задачу:

Пример №4-6.

Определите массу воды, выделившуюся при упаривании 50,0 г 5,6 % раствора гидроксида калия, если в результате был получен 12,0% раствор.

Решение:

Определим массу гидроксида калия, находящуюся в исходном растворе: Примеры решения задач по химии = 50,0 г * 0,056 = 2,8 г. Тогда для раствора, полученного после упаривания, можно записать следующее уравнение:

Примеры решения задач по химии

решение которого позволяет найти х = 26,67 г.

Ответ: 26,67 г воды.

Разбавление растворов

Рассмотрим в качестве примера следующую задачу:

Пример №4-7.

В какой массе воды следует растворить 300 г 30,0 % раствора гидроксида калия, чтобы получить 10,0 % раствор?

Решение:

Определим массу гидроксида калия, находящуюся в исходном растворе: Примеры решения задач по химии = 300,0 г • 0,3 = 90,0 г. Тогда для раствора, полученного после разбавления, можно записать следующее уравнение:

Примеры решения задач по химии

решение которого позволяет найти х = 600,0 г.

Ответ: 600,0 г воды.

Смешение двух и более числа растворов. Квадрат Пирсона (правило креста)

Рассмотрим в качестве примера следующую задачу:

Пример №4-8.

В каких соотношениях надо смешать растворы серной кислоты с массовыми долями 90,0 % и 8 % соответственно, чтобы приготовить 48,0 % раствор Примеры решения задач по химии?

Решение:

Предположим, что для приготовления 48,0% раствора Примеры решения задач по химии было взято 100г раствора с массовой долей 90,0% и хг раствора с массовой долей 8,0 %. Тогда можно записать:

Примеры решения задач по химии

Решение этого уравнения дает х = 105,0 г и, следовательно, соотношение, в котором необходимо смешать растворы с массовыми долями 90,0 % и 8 %, составляет 100: 105 = 20:21.

Ответ: 20:21.

Этот же результат можно получить, используя так называемый квадрат Пирсона— закономерность, более известную как «правило креста». Использование этого приема заключается в следующем: в углах предполагаемого квадрата, прилежащих его левой стороне, записываются массовые доли смешиваемых растворов одного и того же вещества Примеры решения задач по химии. В центре квадрата — массовая доля раствора, получаемого в результате смешения, Примеры решения задач по химии. В углах квадрата, прилежащих его правой стороне, записываются соответствующие разности массовых долей Примеры решения задач по химии. Полученные разности массовых долей и указывают, что для получения раствора с массовой долей Примеры решения задач по химии необходимо смешать Примеры решения задач по химии массовых частей более концентрированного раствора Примеры решения задач по химии массовых частей раствора менее концентрированного Примеры решения задач по химии. Применение правила креста для рассматриваемого случая дает:

Примеры решения задач по химии

Таким образом, для получения раствора Примеры решения задач по химии с массовой долей 48,0 % необходимо смешать 40 массовых частей раствора Примеры решения задач по химии с массовой долей 90,0 % и 42 массовые части раствора Примеры решения задач по химии с массовой долей 8,0%. Сокращение дает окончательное соотношение масс смешиваемых растворов 20 : 21.

Ответ: 20 : 21.

Изменение концентрации серной кислоты растворением оксида серы (VI). Образование олеума

Рассмотрим в качестве примера следующие задачи:

Пример №4-9.

В какой массе 32,0 % раствора серной кислоты следует растворить 40,0 г серного ангидрида, чтобы получить раствор с массовой долей кислоты 50,0 %?

Решение:

Рассмотрим реакцию взаимодействия оксида серы (VI) с водой, которая протекает при растворении Примеры решения задач по химии в разбавленном растворе серной кислоты (32,0 %):

Примеры решения задач по химии

Из реакции видно, что растворение 40 г (0,5 моль) оксида серы (VI) в разбавленном растворе серной кислоты (32,0 %) приводит к дополнительному образованию 0,5 моль Примеры решения задач по химии (49,0 г). Следовательно, обозначив массу исходного раствора за х, можно записать:

Примеры решения задач по химии

Решая полученное уравнение, находим, что масса исходного раствора должна быть равна 161,1 г.

Ответ: 161,1 г.

Пример №4-10.

Какую массу Примеры решения задач по химии необходимо добавить к 200 мл 80 % Примеры решения задач по химии (плотность р = 1,732 г/мл), чтобы получить олеум с массовой долей Примеры решения задач по химии = 20 %? Полученный результат подтвердить, используя квадрат Пирсона (правило креста).

Решение:

Образование олеума из концентрированной серной кислоты можно представить двумя процессами. Первый из них — химическая реакция взаимодействия оксида серы (VI) с водой Примеры решения задач по химии и получение 100.0 % серной кислоты. Второй процесс — растворение оксида серы (VI) в 100,0 % серной кислоте Примеры решения задач по химии:

Примеры решения задач по химии

Сначала оценим величину Примеры решения задач по химии. Для этого проведем несложные расчеты:

Примеры решения задач по химии

необходимая для получения 100,0 % серной кислоты.

Теперь запишем условие получения олеума с массовой долей Примеры решения задач по химии = 20 %:

Примеры решения задач по химии

Попробуем подтвердить полученный результат, используя квадрат Пирсона (правило креста). Очевидно, что в общем виде квадрат Пирсона для системы Примеры решения задач по химии будет выглядеть следующим образом:

Примеры решения задач по химии

Проведем количественные оценки величин, которые фигурируют в квадрате Пирсона:

Примеры решения задач по химии

Расположим полученные величины и проведем соответствующие вычисления:

Примеры решения задач по химии

Решение пропорции, которую составляют три цифры, записанные справа, и неизвестная величина х, дает

Примеры решения задач по химии

Ответ: таким образом, оба использованных подхода дают одинаковые результаты Примеры решения задач по химии = 471,5 г.

Кристаллизация из раствора солей

а) Определение растворимости вещества.

Рассмотрим в качестве примера следующую задачу:

Пример №4-11.

Вычислите растворимость хлорида натрия в воде при 40° С, если в 500 г раствора при этой температуре растворяется 133,43 г соли.

Решение:

Согласно определению, растворимость вещества — масса безводного вещества, которая может растворится в 100 г растворителя. Из условия задачи следует, что 133,43 г хлорида натрия растворено в массе воды равной Примеры решения задач по химии = 500 г — 133,43 г = 366,57 г. Тогда, используя условия задачи и определение растворимости, можно записать следующую пропорцию:

Примеры решения задач по химии

решение которой даег х = 36,4 г.

Ответ: растворимость хлорида натрия при 40° С — 36,4 г.

б) Определение массы выпавших кристаллов при охлаждении раствора, насыщенного при повышенной температуре.

Рассмотрим в качестве примера следующую задачу:

Пример №4-12.

Растворимость хлорида натрия при 0°С и 80° С равна соответственно 35,7 г и 38,1 г. Какая масса хлорида натрия выпадет в осадок, если охладить 500 г насыщенного раствора хлорида натрия от 80° С до 0° С?

Решение:

Определим массовые доли хлорида натрия в насыщенных водных растворах при 0°С и 80° С:

Примеры решения задач по химии

В 500 г насыщенного раствора хлорида натрия при 80° С будет растворено Примеры решения задач по химии = 500 г * 0,2759 = 137,95 г. При охлаждении этого раствора до 0°С из него выпадет х г хлорида натрия. Этот процесс можно выразить следующим соотношением:

Примеры решения задач по химии

Решение этого уравнения дает х = 8,75 г.

Ответ: при охлаждении выпадет 8,75 г хлорида натрия.

Кристаллизация из растворов солей, образующих кристаллогидраты

Рассмотрим в качестве примера следующую задачу:

Дополнительные примеры с решением:

  1. Пример №4-13. Определите количество кристаллогидрата * , который выкристаллизовался при охлаждении 513,2 г насыщенного при 80° С раствора сульфата натрия до 10° С. Растворимость безводного сульфата натрия при 80° С равна 28,3 г, а при 10° С — 9,0 г в 100 г воды.
  2. Пример №4-14. Хлорид железа (III) образует три кристаллогидрата: и 128,1 г смеси и , содержащей 0,6 моль безводной соли, нагрели до 80° С. При этом кристаллогидраты расплавились и образовали гомогенный раствор. После испарения из раствора 5,4 г воды, систему охладили до комнатной температуры. При этом образовалась равновесная смесь кристаллогидратов. Определите качественный и количественный состав системы после охлаждения.

Жесткость воды и методы ее устранения

Жесткость воды обусловлена наличием в ней солей кальция и магния. Различают временную (или карбонатную) и постоянную жесткость воды. Временная жесткость, вызванная присутствием гидрокарбонатов кальция и магния, устраняется кипячением:

Примеры решения задач по химии

При этом образуется осадок труднорастворимого карбоната кальция (магния), содержание кальция (магния) в воде снижается, и жесткость воды уменьшается.

Наличие в воде нитратов и хлоридов кальция и магния обусловливает постоянную жесткость воды. Эти соли не выделяются в осадок при кипячении, и для их устранения воду подвергают специальной химической очистке.

Различают кальциевую жесткость, обусловливаемую содержанием в воде кальциевых солей, и магниевую, связанную с наличием магниевых солей. Суммарную кальциевую и магниевую жесткость называют общей жесткостью.

Общую жесткость воды обычно определяют по формуле:

Примеры решения задач по химии

где Примеры решения задач по химии — содержание кальция и магния (мг) в 1 л воды. Следовательно, общая жесткость воды — параметр, устанавливающий число миллимолей эквивалентов Примеры решения задач по химии в одном литре раствора (ммоль экв/л), поскольку 20,04 и 12,16 — величины Примеры решения задач по химии соответственно.

В настоящее время разработаны методы, позволяющие определять общую жесткость воды без раздельного определения содержания ионов кальция и магния. В этом случае находят сумму миллиграмм-эквивалентов кальция и магния в 1 л воды.

Для умягчения воды (для устранения жесткости — выделения ионов кальция и магния) чаще всего применяют два метода: осаждение или ионный обмен. Для осаждения ионов кальция и магния используют преимущественно соду, известь или фосфат натрия. Известь осаждает магний в виде гидроксида:

Примеры решения задач по химии

Сода образует труднорастворимый карбонат кальция:

Примеры решения задач по химии

Для устранения временной жесткости методом осаждения используют известковый, натронный и содовый методы:

Известковый метод:

Примеры решения задач по химии

Натронный метод:

Примеры решения задач по химии

Содовый метод:

Примеры решения задач по химии

Для удаления солей, обусловливающих постоянную жесткость, используют содовый и фосфатный методы:

Содовый метод:

Примеры решения задач по химии

Фосфатный метод:

Примеры решения задач по химии

В настоящее время для очистки воды широко применяют иониты — неплавкие и нерастворимые (или малорастворимые) вещества, которые ограниченно набухают в воде и содержат в своей структуре функциональные группы кислотного и основного характера, способные обмениваться на ионы веществ, растворенных в воде. Чаще всего иониты представляют собой твердые высокомолекулярные поликислоты или полиоснования или их соли. В зависимости от характера функциональных групп иониты могут обмениваться катионами (катиониты) или анионами (аниониты).

а) Определение общей жесткости воды по массе содержащихся в воде солей.

Рассмотрим в качестве примера следующую задачу:

Пример №4-15.

Жесткость некоторого образца воды обусловливается только гидрокарбонатом железа. При кипячении 0,25 л воды в осадок выпадает 4,0 мг Примеры решения задач по химии. Чему равна жесткость воды?

Решение:

Поскольку при кипячении 0,25 л воды в осадок выпадает 4,0 мг Примеры решения задач по химии, то из 1,0 л будет выпадать 16,0 мг/л карбоната железа (II). Указанная масса соответствует v(Примеры решения задач по химии) = (0,016 г/л) /(116 г/моль) = 0,138 ммоль/л или 0,276 ммоль зкв/л.

Ответ: 0,276 ммоль экв/л.

б) Определение временной и постоянной жесткости воды по количеству реагентов, необходимых для устранения жесткости.

Рассмотрим в качестве примера следующую задачу:

Пример №4-16.

При действии на 5,0 л воды раствором, содержащим 10,6 г соды, образовалось 9,04 г карбонатов кальция и магния. Определите жесткость воды и состав осадка карбонатов.

Решение:

Для осаждения карбонатов кальция и магния было использовано Примеры решения задач по химии = 10,6 г/(106,0 г/моль) = 0,1 моль, что равно 0,2 моль эквивалентов или 200 ммоль эквивалентов. Следовательно, жесткость воды составляет 200 ммоль экв / 5 л = 40,0 ммоль экв/л.

Для определения состава осадка карбонатов обозначим число молей карбоната кальция через х, а число молей карбоната магния через у. Тогда, учитывая, что найденная величина Примеры решения задач по химии = 0,1 моль равна суммарному числу молей осажденных карбонатов, можно составить следующую пропорцию:

Примеры решения задач по химии

решая которую получаем х = 0,04 и у = 0,06. Откуда следует, что массы карбонатов в осадке соответственно равны Примеры решения задач по химии

Ответ: 40,0 ммоль экв/л; 4,0 г Примеры решения задач по химии

Смеси веществ

Существование исходных реагентов или продуктов реакции в виде смеси веществ — ситуация в химии довольно распространенная. Для решения задач «на смеси» необходимо знание ряда алгоритмов, которые будут рассмотрены ниже.

Наиболее простыми задачами «на смеси» являются задачи, в которых на смесь веществ действуют тем или иным реагентом, селективно взаимодействующим с одним из компонентов смеси. Состав смеси в этом случае устанавливают, используя необходимое число селективных реагентов, которое на единицу меньше, чем число компонентов смеси.

Рассмотрим в качестве примера следующую задачу.

Пример №5-1.

23,6 г сплава меди с алюминием обработали раствором щелочи. Остаток растворили в концентрированной азотной кислоте, образовавшуюся при этом соль выделили и прокалили. Масса остатка после прокаливания составляет 16,0 г. Определите молярное соотношение меди и алюминия в исходной смеси и объем израсходованного 40 % раствора гидроксида натрия (плотность р = 1,43 г/мл).

Решение:

Очевидно, что обработка сплава меди с алюминием раствором щелочи приведет к растворению алюминия, обладающего амфотерными свойствами. При этом твердым остатком взаимодействия, естественно, является медь, растворение которой в концентрированной азотной кислоте можно описать реакцией:

Примеры решения задач по химии

Дальнейшее прокаливание продукта реакции — нитрата меди Примеры решения задач по химии приводит к получению оксида меди Примеры решения задач по химии:

Примеры решения задач по химии

количество которого Примеры решения задач по химии.

Из приведенных выше реакций видно, что:

Примеры решения задач по химии

Итак, молярное соотношение меди и алюминия в исходной смеси равно:

Примеры решения задач по химии

Теперь определим объем израсходованного на растворение алюминия 40 % раствора гидроксида натрия:

Примеры решения задач по химии

Поскольку Примеры решения задач по химии

Это отвечает массе раствора

Примеры решения задач по химии

и соответствующему объему раствора:

Примеры решения задач по химии

Ответ: Примеры решения задач по химии

Далее проанализируем более сложную ситуацию, когда реагент одновременно взаимодействует с обоими компонентами смеси (естественно, что разбор задачи-примера проводится на простейшей, бинарной смеси). Для решения подобных задач существует изящный алгоритм, применение которого иллюстрируется следующим примером.

Пример №5-2.

15 г сплава серебра с медью растворили в концентрированной азотной кислоте, получив раствор, содержавший 36,7 г нитратов этих металлов. Раствор разбавили водой и смешали с избытком раствора хлорида натрия. Какова масса выпавшего осадка?

Решение:

Растворение сплава серебра с мелью в концентрированной азотной кислоте можно описать следующими уравнениями реакций:

Примеры решения задач по химии

Предположим, что в сплаве содержится х молей серебра и у молей меди. Это позволяет (с учетом стехиометрических коэффициентов записанных реакций) составить систему, состоящую из двух уравнений:

Примеры решения задач по химии

или

Примеры решения задач по химии

Решение этой системы лает: х = 0,05 и у = 0,15.

Полученное промежуточное решение, дающее состав исходной смеси, позволяет ответить на вопрос, поставленный в задаче. Действительно, добавление избытка раствора хлорида натрия к образовавшемуся раствору нитратов приводит к образованию осадка хлорида серебра:

Примеры решения задач по химии

Учитывая стехиометрические коэффициенты приведенного уравнения Примеры решения задач по химии, окончательно получаем:

Примеры решения задач по химии

Ответ: 7,18 г. Примеры решения задач по химии

Алгоритм, аналогичный тому, который был рассмотрен в примере 5-2 в отношении смеси исходных веществ, можно с успехом применить и для определения состава смеси продуктов химической реакции.

Рассмотрим соответствующий пример.

Пример №5-3.

Оксид фосфора (V), количественно выделенный из 15,5 г трикальцийфосфата, растворен в: а) 200 г 5,0% раствора гидроксида натрия; б) 120 г 5,0 % раствора гидроксида натрия; в) 40 г 5,0 % раствора гидроксида натрия. Какие вещества и в каком количестве содержатся в образующихся растворах?

Решение:

Рассмотрим реакцию взаимодействия оксида фосфора (V) с гидроксидом натрия. Очевидно, что состав образующегося продукта в значительной мере определяется соотношением количеств реагентов, вступающих в реакцию:

Примеры решения задач по химии

Действительно, для образования средней соли необходимо соотношение Примеры решения задач по химии: Примеры решения задач по химии=1:6, для образования гидрофосфата — I : 4 и, наконец, для образования дигидрофосфата — 1:2. Поэтому для решения подобных задач прежде всего необходимо оценить задаваемое в условии задачи мольное соотношение реагентов.

Рассмотрим вариант а).

Масса трикальцийфосфата, равная 15,5 г, соответствует величине:

Примеры решения задач по химии

Поскольку из одного моля трикальцийфосфата при количественном выделении можно получить один моль оксида фосфора (V), то Примеры решения задач по химии

Число молей гидроксида натрия также можно легко оценить:

Примеры решения задач по химии

Следовательно, мольное соотношение реагентов в этом случае равно Примеры решения задач по химии: Примеры решения задач по химии = 0,05 : 0,25 = 1:5. Очевидно, что для решения задачи [случай а)] необходимо рассмотреть две реакции:

Примеры решения задач по химии

поскольку реальное соотношение реагентов — 1:5 лежит между двумя соотношениями, необходимыми для получения того или иного продукта и приводимыми после записи каждой из реакций. Для решения задачи обозначим число молей Примеры решения задач по химии, идущих на образование Примеры решения задач по химии, через х, а число молей Примеры решения задач по химии, идущих на образование Примеры решения задач по химии, через у. Тогда число молей Примеры решения задач по химии, идущих на образование Примеры решения задач по химии, составит величину 6х, а число молей Примеры решения задач по химии, идущих на образование Примеры решения задач по химии — 4 у и, следовательно, можно получить следующую систему уравнений:

Примеры решения задач по химии

решение которой дает х = у = 0,025 моль, т. е. количества образующихся Примеры решения задач по химии и Примеры решения задач по химии равны (по количеству молей). Массы же продуктов равны m(Примеры решения задач по химии) = 4,1 г и m(Примеры решения задач по химии) = 3,55 г.

Вариант б) решается, в принципе, по схеме, аналогичной рассмотренной, и читателям предлагается самостоятельно рассмотреть этот случай.

Мы же рассмотрим решение задачи для случая в).

Для этого случая число молей Примеры решения задач по химии, как и в случае а), равно 0,05 моль, а Примеры решения задач по химии = 0,05 моль. Эго означает, что соотношение реагентов v(0,05): Примеры решения задач по химии = 0,05:0,05 = 1 : 1 и, поскольку часть Примеры решения задач по химии в реакции нейтрализации остается неиспользованной, для решения задачи необходимо рассмотреть следующие уравнения реакций:

Примеры решения задач по химии

Далее обозначим число молей Примеры решения задач по химии, идущих на образование Примеры решения задач по химии, через х, а число молей Примеры решения задач по химии, идущих на образование Примеры решения задач по химии, через у. Тогда число молей Примеры решения задач по химии, идущих на образование Примеры решения задач по химии, составит величину 2 х, и, следовательно, можно получить следующую систему уравнений:

Примеры решения задач по химии

решение которой дает х = у = 0,025 моль, т. е. количества образующихся в этом случае Примеры решения задач по химии и Примеры решения задач по химии равны (по количеству молей). Массы же продуктов равны m(Примеры решения задач по химии) = 3,0 г и m(Примеры решения задач по химии) = 2,45 г.

Химическая кинетика

Химическая кинетика — одни из важнейших разделов химии, задача которого — трактовка качественных и количественных изменений химического процесса, происходящих во времени. Обычно эту общую задачу подразделяют на две более конкретные:

  1. выявление механизма реакции — установление элементарных стадий процесса и последовательности их протекания (качественные изменения);
  2. количественное описание химической реакции — установление строгих соотношений, которые могли бы удовлетворительно предсказывать изменения количества исходных реагентов и продуктов по мере протекания реакции.

Основные представления о механизме химических реакций

Установление всех элементарных стадий и последовательности их протекания при выявлении механизма конкретной химической реакции является, безусловно, задачей-максимумом. Такой подход имеет важное теоретическое значение. Действительно, накопление информации о механизме отдельных химических реакций позволит не только классифицировать их по тем или иным признакам, но и будет в дальнейшем способствовать созданию общей теории химических реакций (как это произошло, например, с цепными химическими реакциями). Однако для любого, даже достаточно простого химического процесса решение указанной задачи-максимума представляет собой чрезвычайно сложную (а порой — просто нерешаемую) проблему.

Поэтому выявление механизма конкретной химической реакции, как правило, ограничивается лишь решением задачи-минимума — определением наиболее медленной элементарной стадии, которую принято называть лимитирующей, то есть определяющей скорость всего химического процесса в целом. Поскольку выбранный упрощенный подход, тем не менее, позволяет решить важную практическую задачу ускорения химической реакции (за счет воздействия на ее лимитирующую стадию), то для большинства реакций такой уровень выявления механизма протекающего процесса оказывается вполне достаточным.

Решая задачу о выявлении механизма конкретной химической реакции (на мини- или макси- уровне), следует прежде всего иметь в виду, что характер взаимодействия существенно зависит от агрегатного состояния реагентов и продуктов. Реагенты и продукты, вместе взятые, образуют так называемую физико-химическую систему.

Совокупность однородных частей системы, обладающих одинаковым химическим составом и свойствами и отделенных от остальных частей системы поверхностью раздела, называют фазой. Например, смеси газов при нормальных условиях независимо от их природы образуют одну фазу.

Жидкие системы могут быть однофазны (например, система «вода — спирт») или многофазны (система «вода — бензол» двухфазна, а система «вода — бензол — ртуть» состоит из трех фаз). Более сложным является поведение с участием твердых фаз: если в стакан с водой внести несколько кристаллов поваренной соли, то в первый момент образуется двухфазная система, которая превратится в однофазную после полного растворения соли. Системы, состоящие из одной фазы, называются гомогенными, а системы, содержащие несколько фаз, — гетерогенными.

Соответственно этому в химии введено понятие о гомогенных и гетерогенных реакциях. Реакцию в целом называют гомогенной, если реагенты и продукты составляют одну фазу. Это хорошо иллюстрируется так называемыми обратимыми химическими реакциями. В качестве примера таких реакций рассмотрим синтез йодоводорода из простых веществ:

Примеры решения задач по химии

Действительно, для приведенной реакции и реагенты Примеры решения задач по химии, и продукт (HI) находятся в одной фазе, и в системе «Примеры решения задач по химии» возможно одновременное протекание как прямой (синтез йодоводорода из водорода и йода), так и обратной (распад HI на простые исходные вещества) реакций. Поэтому реакция в целом (и прямая, и обратная) является гомогенной.

Для необратимых химических реакций (как известно, признаком протекания таких реакций явл