задачи по химии. Государственное образовательное учреждение

• Название: Государственное образовательное учреждение
• Анкор: задачи по химии.docx
• Дата: 21.03.2017
• Размер: 410.9 Kb.
• Имя файла: задачи по химии.docx
• Тип: Решение; #4034
• страница: 1 из 9

Государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования
«ПЕТЕРБУРГСКИЙ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ»

________________________________________________________________

Кафедра «Инженерная химия и естествознание»

ИНДИВИДУАЛЬНЫЕ ЗАДАНИЯ
ПО ИНЖЕНЕРНОЙ ХИМИИ
Для самостоятельной работы студентов

Часть 1

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ

2006

Тема 1

Основные законы химии

Примеры наиболее важных расчетных задач

1. 
   Расчеты по формулам
   

Пример 1. Вычислите массовую долю фосфора в оксиде фосфора (V).

Решение. Находим молярную массу оксида фосфора (V):

М(Р₂О₅) = 2А(Р) + 5А(О) = 2·31 + 5·16 = 142 г/моль.

Вычисляем массовую долю фосфора в данном оксиде:

ω(Р) = 2А(Р)/М(Р₂О₅) = 2·31/142 = 0,437 или 43,7%.

Ответ: ω(Р) = 43,7%.

Пример 2. Вычислите массу серной кислоты количеством вещества 5 моль.

Решение. ν = m/M, где ν – количество вещества, моль; m – масса вещества, г; М – молярная масса вещества, г/моль. Отсюда: m = ν·M.

M(H₂SO₄) = 98 г/моль; ν = 5 моль; m(H₂SO₄) = 5·98 = 490 г.

Ответ: m(H₂SO₄) = 490 г.

Пример 3. Определите число структурных единиц в воде массой 36 г.

Решение. Вычисляем молярную массу воды: М(Н₂О) = 1·2 + 16·1 = 18 г/моль.

Определяем количество вещества: ν = m/M, ν = 36/18 = 2 моль.

Находим число молекул, зная, что моль вещества содержит 6,02·10²³ молекул:

N = ν ·N_A = 2·6,02·10²³ = 12,04·10²³ = 1,204·10²⁴.

Ответ: N = 1,204·10²⁴.

Пример 4. Рассчитайте относительную плотность оксида серы(IV) по воздуху.

Решение. D = M(SO₂)/M(воздуха), где D – относительная плотность оксида серы(IV) по воздуху, M(SO₂) – молярная масса оксида серы, М(воздуха) – средняя молярная масса воздуха; М(воздуха) = 29 г/моль, M(SO₂) = 64 г/моль;

D = 64 : 29 = 2,2.

Ответ: D = 2,2.

Пример 5. Вычислите объем оксида углерода (IV), взятого количеством вещества 3 моль.

Решение. ν = V/V_M, где

ν - количество вещества, моль; V – объем газа (н.у.), л; V_M – молярный объем газа, при н.у. V_M = 22,4 л. Отсюда: V = ν V_M. V(CO₂) = 3·22,4 = 67,2 л.

Ответ: V(CO₂) = 67,2 л.

Пример 6. Вычислите массу кислорода, занимающего при н.у. объем 28 л.

Решение. ν = V/V_M, ν = 28/22,4 = 1,25 моль.

ν = m/M, m = ν·M, m = 1,25· 32 = 40 г.

Ответ: m = 40 г.

Пример 7. В 235 г воды растворили 15 г хлорида натрия. Какова массовая доля хлорида натрия в полученном растворе?

Решение. 1. Находим массу раствора: m_{раствора} = 235 + 15 = 250 (г).

2. Находим массовую долю хлорида натрия в растворе:

ω(NaCl) = m(NaCl)/m_{раствора} = 15/250 = 0,06 или 6%.

Ответ: ω(NaCl) = 6%.
2. Расчеты по уравнениям химических реакций

Пример 8. Какая масса осадка получится при взаимодействии 0,2 моль хлорида калия с избытком раствора нитрата серебра?

Решение. Составляем уравнение реакции:

KCl + AgNO₃ = AgCl↓ + KNO₃.

Из уравнения реакции видно, что из 1 моль KCl получается 1 моль осадка AgCl, а, значит, из 0,2 моль KCl получится 0,2 моль осадка AgCl. Находим массу осадка AgCl, если молярная масса AgCl равна 143,5 г/моль:

m(AgCl) = ν·M = 0,2·143,5 = 28,7 г.

Ответ: m(AgCl) = 28,7 г.

Пример 9. Через раствор, содержащий 330 г азотной кислоты, пропустили 85 г аммиака. Какова масса образовавшейся соли?

Решение. В задачах такого типа вначале находят, полностью ли прореагировали вещества, т.е. какое вещество – в избытке. Расчет продукта реакции производят по веществу, полностью вступившему в реакцию.

Находим количество вещества азотной кислоты и аммиака: ν = m/M.

ν (NH₃) = 85/17 = 5 моль (М(NH₃) = 17 г/моль).

ν (HNO₃) = 330/63 = 5,24 моль (М(HNO₃) = 63 г/моль).

Составляем уравнение реакции: NH₃ + HNO₃ = NH₄NO₃.

По уравнению реакции: 1 моль NH₃ взаимодействует с 1 моль HNO₃, а, значит, 5 моль NH₃ – с 5 моль HNO₃. Следовательно, азотная кислота – в избытке и расчет надо вести по аммиаку.

ν (NH₃) = ν (NH₄NO₃) = 5 моль, m (NH₄NO₃) = νM (NH₄NO₃) = 5·80 = 400 г.

Ответ: m (NH₄NO₃) = 400 г.

Пример 10. Какую массу (кг) силиката натрия можно получить при сплавлении оксида кремния (IV) с 64,2 кг соды, массовая доля примесей в которой составляет 5%?

Решение. SiO₂ + Na₂CO₃ = Na₂SiO₃ + CO₂.

Находим массу карбоната натрия в соде:

ω(Na₂CO₃) = m_чист. (Na₂CO₃)/m_общ. (Na₂CO₃);

m_чист. (Na₂CO₃) = ω(Na₂CO₃)· m_общ. (Na₂CO₃);

m_чист. (Na₂CO₃) = 0,95·64,2 = 61 кг.

ν (Na₂CO₃) = m/M, ν (Na₂CO₃) = 61000/ 106 = 575,5 моль (106 г/моль – молярная масса Na₂CO₃).

Из уравнения реакции следует, что получится такое же количество вещества силиката натрия.

m(Na₂SiO₃) = νM(Na₂SiO₃) = 575,5·122 = 70207 г = 70,2 кг.
3. Вывод химической формулы вещества

Пример 11. Вывести молекулярную формулу вещества, если оно содержит: С – 40,0%, Н – 6,7%, О - 53,3%. 300 см³ паров вещества имеют массу при н.у. 0,8 г.

Решение. В общем виде формулу можно представить так: C_xH_yO_z.

На основе закона постоянства состава можно записать:

12x : y : 16z = 40,0 : 6,7 : 53,3, отсюда

x : y : z = 40,0/12 : 6,7 : 53,3/16; т.е. x : y : z = 3,33 : 6,7 : 3,33.

Далее отношение дробных чисел заменяется отношением целых чисел (меньшее принимается за единицу): x : y : z = 1 : 2 : 1.

Следовательно, простейшая формула вещества СН₂О.

Для нахождения истинной формулы вещества надо молярную массу простейшей формулы сопоставить с молярной массой данного вещества.

Из данных задачи находим молярную массу искомого вещества:

М(C_xH_yO_z) = 0,8·22,4/0,3 = 60 г/моль. М(СН₂О) = 30 г/моль.

Находим отношение этих двух величин: М(C_xH_yO_z)/ М(СН₂О) = 60/30 = 2.

Значит, для нахождения истинной формулы вещества надо состав простейшей формулы увеличить в 2 раза. Таким образом, истинная формула вещества будет С₂Н₄О₂.

Ответ: формула вещества С₂Н₄О₂.

Пример 12. При сжигании 5,6 л газа было получено 16,8 л СО₂ и 13,5 г Н₂О. 1 л газа имеет массу при н.у. 1,875 г. Какова молекулярная формула газа?

Решение. Образование оксида углерода (IV) при сгорании вещества указывает на наличие в нем атомов углерода. Находим массу углерода в 16,8 л СО₂:

12 : 22,4 = m(C) : 16,8, m(C) = 12 · 16,8/ 22,4 = 9 г.

Образование воды в продуктах сгорания вещества свидетельствует о наличии в нем атомов водорода. Находим массу водорода в 13,5 г Н₂О:

2 : 18 = m(H) : 13,5, m(H) = 2·13,5/18 = 1,5 г.

Окончательный качественный состав устанавливаем путем проверки наличия в нем кислорода. Для этого находим массу 5,6 л газа:

m(газа) = ρV = 1,875·5,6 = 10,5 г.

Масса углерода и водорода (по предыдущим расчетам) равна: 9+1,5=10,5 г.

Отсюда делаем вывод, что вещество состоит только из атомов углерода и водорода.

Находим простейшую формулу газа:

12x : y = 9 : 1,5

x : y = 0,75 : 1,5

x : y = 1 : 2

Простейшая формула газа – СН₂.

Молярная масса газа: М(газа) = 1,875·22,4 = 42 г/моль. М(СН₂) = 14 г/моль.

М(С_xH_y) : M(CH₂) = 42 : 14 = 3.

Отсюда истинная формула газа С₃Н₆.

Ответ: формула газа С₃Н₆.
4. Расчеты по смесям веществ

Пример 13. Определите массовую долю (%) меди в смеси с железом и алюминием, при хлорировании которой израсходован хлор объемом 8,96 л (н.у.). При взаимодействии такой же навески смеси с соляной кислотой затрачен раствор, содержащий 18,25 г НСl; при действии на такую навеску раствора щелочи израсходован гидроксид натрия массой 2 г.

Решение.

а) Из данных трех металлов (Al, Fe, Cu) только алюминий взаимодействует с раствором щелочи, поэтому можно вычислить массу алюминия в смеси:

2Al + 2NaOH + 6H₂O = 2Na[Al(OH)₄] + 3H₂

ν(NaOH) =m/M = 2/40 = 0,05 моль, М(NaOH) = 40 г/моль.

Из уравнения реакции следует, что 0,05 моль NaOH реагирует с таким же количеством вещества Al, т.е. ν(Al) = 0,05моль.

m(Al) = νM(Al) = 0,05·27 = 1,35 г.

б) Только алюминий и железо реагируют с раствором соляной кислоты. Можно вычислить количество вещества HCl, прореагировавшего с алюминием, а затем – по оставшемуся количеству вещества HCl – массу железа, содержащуюся в смеси. ν(HCl) =m/M = 18,25/36,5 = 0,5 моль, где M(HCl) = 36,5 г/моль.

2Al + 6HCl = 2AlCl₃ + 3H₂

По уравнению реакции:

2 моль Al - 6 моль HCl

0,05 моль Al - x моль HCl

x = 0,05·6/2 = 0,15 моль.

ν(HCl) = 0,5 – 0,15 = 0,35 моль - такое количество вещества HCl вступит в реакцию с железом: Fe + 2HCl = FeCl₂ + H₂. По уравнению реакции:

1 моль Fe - 2 моль HCl

x моль Fe - 0,35 моль HCl

x = 1·0,35/2 = 0,175 моль.

m(Fe) = νM(Fe) = 0,175·56 = 9,8 г.

в) Все металлы взаимодействуют с хлором.

ν(Cl₂) = V/V_M = 8,96/22,4 = 0,4 моль.

2Al + 3Cl₂ = 2AlCl₃, по уравнению реакции:

2 моль Al - 3 моль Cl₂

0,05 моль Al - x моль Cl₂

х = 0,05·3/2 = 0,075 моль

2Fe + 3Cl₂ = 2FeCl₃, по уравнению реакции

2 моль Fe - 3 моль Cl₂

0,175 моль Fe - y моль Cl₂

у = 0,175·3/2 = 0,2625 моль

Определяем количество вещества хлора, вступившего в реакцию с медью:

ν = 0,4 – 0,075 – 0,2625 = 0,0625 моль

Cu + Cl₂ = CuCl₂

Из уравнения реакции следует, что 0,0625 моль Cl₂ реагирует с таким же количеством вещества Cu, т.е. ν(Cu) = 0,0625 моль.

m(Cu) = νM(Cu) = 0,0625·64 = 4,0 г.

г) Вычисляем массовую долю меди в смеси.

m(смеси) = m(Al) + m(Fe) + m(Cu) = 1,35 + 9,8 + 4,0 = 15,15 г.

ω(Cu) = m(Cu)/m(смеси) = 4,0/15,15 = 0,264 или 26,4%.

Ответ: ω(Cu) = 26,4%.

Пример 14. При восстановлении водородом смеси оксидов железа (II) и (III) массой 37 г получено железо массой 28 г. Рассчитайте массовую долю каждого из оксидов в смеси.

Решение. Составляем уравнения протекающих реакций:

1) FeO + H₂ = Fe + H₂O

2) Fe₂O₃ + 3H₂ = 2Fe + 3H₂O

M(FeO) = 72 г/моль; M(Fe₂O₃) = 160 г/моль; М(Fe) = 56 г/моль.

Обозначим количество вещества FeO в смеси через х, а Fe₂O₃ – через у:

ν(FeO) = x моль, ν(Fe₂O₃) = у моль.

Тогда в реакции (1) железа образуется х моль, а в реакции (2) – 2у моль:

ν(Fe) = х + 2у.

Составляем систему уравнений:

ν(FeO) M(FeO) + ν(Fe₂O₃) M(Fe₂O₃) = m(смеси)

ν(Fe) М(Fe) = m(Fe)
72х + 160у = 37

56(х + 2у) = 28
Решив систему уравнений, получаем х = 0,375 моль, у = 0,0625 моль.

Находим массу FeO и Fe₂O₃ :

m(FeO) = ν(FeO) M(FeO) = 0,375·72 = 27 г;

m(Fe₂O₃) = ν(Fe₂O₃) M(Fe₂O₃) = 0,0625·160 = 10 г.

Вычисляем массовую долю каждого оксида в смеси:

ω(FeO) = 27/37 = 0,73 или 73%.

ω(Fe₂O₃) = 10/37 = 0,27 или 27%.
5. Расчеты по закону эквивалентов.

Пример 15. При сгорании магния массой 6 г образовалось 9,945 г оксида. Чему равна молярная масса эквивалента магния?

Решение. По закону эквивалентов: m₁/m₂ = m_Э1/m_Э2, где m₁ и m₂ –массы взаимодействующих веществ, m_Э1 и m_Э2 – молярные массы эквивалентов этих веществ. Подставляем данные: 6/(9,945-6) = m_Э(Mg)/8, Отсюда

m_Э(Mg) = 6·8/3,945 = 12,2 г/моль ( 8 г/моль – молярная масса эквивалента кислорода).

Ответ: m_Э(Mg) = 12,2 г/моль.
Пример 16. Вычислите молярную массу эквивалента KHSO₄ в следующих реакциях:

KHSO₄ + BaCl₂ = BaSO₄ + KCl + HCl (1)

KHSO₄ + KOH = K₂SO₄ + H₂O (2)

Решение. Значение эквивалента вещества зависит от того, в какой конкретной реакции участвует это вещество.

Молярная масса эквивалента основания может быть вычислена как частное от деления молярной массы основания на его кислотность, определяемую числом вступающих в реакцию гидроксильных групп.

Для вычисления молярной массы эквивалента кислоты необходимо молярную массу кислоты разделить на ее основность, которая определяется числом атомов водорода, замещающихся на атомы металла.

Для того чтобы вычислить молярную массу эквивалента соли, надо молярную массу соли разделить на произведение числа атомов металла в молекуле соли на его степень окисления.

В реакции (1) 1 моль KHSO₄ взаимодействует с 1 моль BaCl₂, а эквивалент KHSO₄ – c эквивалентом BaCl₂. Молярная масса эквивалента BaCl₂ равна половине его молярной массы, следовательно, молярная масса эквивалента KHSO₄ равна половине его молярной массы:

m_Э(KHSO₄) = ½ M(KHSO₄) = 136/2 = 68 г/моль.

В реакции (2) 1 моль KHSO₄ взаимодействует с 1 моль КОН, а эквивалент KHSO₄ – с эквивалентом КОН. Молярная масса эквивалента КОН равна его молярной массе, а, значит, молярная масса эквивалента KHSO₄ равна его молярной массе, т.е. 136 г/моль.

Пример 17. На нейтрализацию 0,728 г щелочи израсходовано 0,535 г HNO₃. вычислить молярную массу эквивалента щелочи.

Решение. Молярная масса эквивалента HNO₃ равна ее молярной массе 63 г/моль. В соответствии с законом эквивалентов:

m(щелочи)/m(HNO₃) = m_Э(щелочи)/m_Э(HNO₃);

m_Э(щелочи) = 0,728·63/0,535 = 85,7 г/моль.

Ответ: m_Э(щелочи) = 85,7 г/моль.

Задания

Вариант 1.1.

1. Сколько граммов оксида ртути потребуется для получения 10 моль кислорода?

2. Даны 40 мл газа при температуре 7⁰С и давлении 96 кПа. При каком давлении объем газа достигнет 60 мл, если температура возросла до 17⁰С?

3. Определить молярные массы газов, если:

а) 0,29 л газа при температуре 27 °С и давлении 1,064 10⁵ Па имеют массу 0,32 г;

б) 1,56 л газа при температуре 27° С и давлении 1,037 10⁵ Па имеют массу 2,86 г.

4. Вычислить молярную массу эквивалента олова, если при нагревании 0,92 г его в токе кислорода образуется 1,17 г оксида олова.

5. Избытком гидроксида калия подействовали на растворы: а) дигидрофосфата калия; б) нитрата дигидроксовисмута(III). Напишите уравнения реакций этих веществ с КОН и определите количество вещества эквивалента и молярные массы эквивалента.

6. Определить массу сульфида железа, которая получится при нагревании 7 г железа с 7 г серы.

7. Найти формулу кристаллогидрата хлорида бария, зная, что 36,6 г соли при прокаливании теряют в массе 5,4 г.

8. Составьте уравнения реакций, с помощью которых можно осуществить указанные превращения:

Cu → Cu(NO₃)₂ → Cu(OH)₂ → CuCl₂ → Cu(NO₃)₂.
Вариант 1.2.

1. В какой массе азота содержится 10²⁴ молекул? Определите массу (в граммах) 3 молей атомов и 3 молей азота.

2. Какой объем при Р = 1,013 10⁵ Па и Т == О °С займет 1 кг смеси газов, имеющих состав [в % (масс.)]: 20% NO: 40% N₂ и 40% CO₂.

3. Вычислите объем кислорода (н. у.), образующегося при разложении 2 моль воды.

4. Вычислить молярную массу эквивалента олова, если при восстановлении 1,17 г оксида олова водородом получено 0,16 г воды.

5. Определите количество вещества эквивалента и молярную массу эквивалентов фосфора, кислорода и брома в соединениях РН₃, Н₂О, HBr.

6. Воспламенилась смесь, состоящая из 4 мл водорода и 4 мл кислорода. Какой газ был в избытке? Каков его объем?

7. При прокаливании 2,94 г кристаллогидрата хлорида кальция выделилось 1,45 г воды. Составить формулу данного кристаллогидрата.

8. Составьте уравнения реакций, с помощью которых можно осуществить указанные превращения:

Ва → ВаО → BaCl₂ → Ba(NO₃)₂ → BaSO₄.