химия. Методические указания и контрольные задания для студентов заочников инженернотехнических (нехимических)

• Название: Методические указания и контрольные задания для студентов заочников инженернотехнических (нехимических)
• Анкор: химия
• Дата: 30.08.2022
• Размер: 2.15 Mb.
• Имя файла: химия.doc
• Тип: Методические указания; #656347
• страница: 3 из 16

Раздел химии, изучающий закономерности протекания химических реакций, называется химической кинетикой. Скорость химической реакции  это изменение концентрации реагирующих веществ (или продуктов реакции) в единицу времени в единице объема:
V = .
По условию задачи меняется объем и давление в системе, которые тесно связаны с изменением концентрации компонентов реакции. Зависимость скорости реакции от концентрации реагирующих веществ выражает закон действующих масс (з. д. м.): «При постоянной температуре скорость реакции прямо пропорциональна произведению концентраций реагирующих веществ, возведенных в степени, равные коэффициентам реакции». Аналитическая запись закона для реакции в общем виде следующая:

aA + bB  cC + dD,

V = k[A]^a  [B]^b,

где k  константа скорости реакции, равная скорости реакции при концентрации компонентов равной единице. Запишем уравнение реакции и по закону действующих масс выразим скорость реакции:
N₂ +3H₂  2NH₃,

V = k[N₂]  [H₂]³.
Чтобы увеличить давление в системе в два раза, можно в два раза уменьшить объем, при этом во столько же раз увеличится концентрация каждого компонента и скорость реакции в этих случаях будет представлена формулой
V' = k' [2N₂]  [2H₂]³ = k'  16 [N₂][H₂]³.
Найдем отношение скоростей реакций до и после увеличения давления:

Таким образом, при увеличении давления в два раза скорость реакции увеличится в 16 раз.

Увеличение объема газовой смеси в три раза равносильно уменьшению концентрации компонентов во столько же раз, и скорость реакции будет представлена формулой



Найдем отношение скоростей до и после увеличения объема:

.
Итак, при увеличении объема газовой смеси в три раза, скорость химической реакции уменьшится в 81 раз.
Пример 2.

Вычислите температурный коэффициент скорости реакции, зная, что с повышением температуры на 60 С скорость возрастает в 128 раз.

Решение.

Зависимость скорости химической реакции от температуры выражается эмпирическим правилом ВантГоффа: «При повышении температуры на каждые
10 С скорость большинства реакций увеличивается в два  четыре раза».
,
где V_t2  скорость реакции при температуре t2; V_t1  скорость реакции при температуре t1;   температурный коэффициент скорости реакции:
; 128 = ; 128 = ⁶;  = 2.
Пример 3.

Окисление аммиака идет по уравнению 4NH₃ + 5O₂  4NO + 6H₂O.

Через некоторое время концентрации веществ стали равными (моль/л):
[NH₃]_ = 0,009; [O₂]_ = 0,002; [NO]_ =0,003.
Вычислите концентрацию водяного пара в этот момент и исходные концентрации аммиака и кислорода.

Решение.

До начала реакции концентрации продуктов равны нулю, а через некоторое время концентрация [NO] стала равной 0,003 моль/л, т. е.
[NO]_ = [NO] = 0,003.
Изменение концентрации компонентов реакции происходит в строгом соответствии со стехиометрическим соотношениями, т. е. коэффициентами уравнения. Тогда
[H₂O]_ = [H₂O],

[H₂O] : [NO] = 6 : 4,

[H₂O] : 0,003 = 6 : 4,

[H₂O] = (6  0,003) : 4 = 0,0045 моль/л,

[H₂O] = [H₂O]_ = 0,0045 моль/л.
Чтобы найти исходные концентрации аммиака и кислорода, необходимо рассчитать их убыль в ходе реакции и сложить с конечной концентрацией [NH₄]_ и [O₂]_:
[NH₃] : [NO] = 4 : 4,

[NH₃] = (0,003  4) : 4 = 0,003 моль/л;
[NH₃] : 0,003 = 4 : 4,

[H₂O]: [O₂] = 6 : 5,

[O₂] = (0,0045  5) : 6 = 0,00375 моль/л,

0,0045: [O₂] = 6 : 5.

Отсюда

[NH₃]_исх. = [NH₃]_ + [NH₃] = 0,009 + 0,003 = 0,012 моль/л,

[O₂]_исх. = [O₂]_ + [O₂] = 0,02 + 0,00375 = 0,0238 моль/л.
Пример 4.

Равновесие системы 2SO₂ + O₂  2SO₃ установилось, когда концентрации компонентов (моль/л) были: [SO₂]_равн. = 0,6; [O₂]_равн. = 0,24; [SO₃]_равн. = 0,21.

Вычислите константу равновесия этой реакции и исходные концентрации кислорода и диоксида серы.

Решение.

Химическим равновесием называется такое состояние, когда скорости прямой и обратной реакций равны. Характеризуется химическое равновесие константой К, она имеет вид
aA + bB  cC + dD,

K= .
В условии задачи даны равновесные концентрации. Поэтому сразу можно рассчитать константу химического равновесия для реакции:
2SO₂ + O₂  2SO₃,


Чтобы рассчитать исходные концентрации кислорода и диоксида серы, необходимо найти, сколько этих компонентов было израсходовано на получение 0,21 моля триоксида серы и сложить с равновесными концентрациями. Согласно уравнению реакции для получения 2 молей триоксида серы требуется 2 моля диоксида серы, а для получения 0,21 моля триоксида серы  Х молей диоксида серы. Отсюда
X = = 0,21 моля.

Итак, [SO₂]_изр. = 0,21 моль/л.

На получение SO₃ было израсходовано 0,21 моля SO₂, тогда

[SO₂]_исх. = [SO₂]_равн. + [SO₂]_изр. = 0,6 + 0,21 = 0,81 моль/л,

[SO₂]_исх = 0,81 моль/л.
Для получения 2 молей SO₃ требуется 1 моль O₂.

Для получения 0,21 моля SO₃  X молей O₂.
X = = 0,105 молей.
Итак, [O₂]_изр. = 0,105 моль/л.
[O₂]_исх. = [O₂]_равн. + [O₂]_изр. = 0,24 + 0,105 = 0,345 моль/л.
Пример 5.

В каком направлении сместится равновесие в реакциях:
1. CO_(г) + H₂O_(г)  CO_2(г) + H_2(г), H⁰ = 41,84 кДж;

2. N_2(г) + 3H_2(г)  2NH_3(г), H⁰ = 92,40 кДж;

3. H_2(г) + S_(тв)  H₂S_(г), H⁰ = 20,50 кДж,
при повышении температуры, понижении давления и увеличении концентрации водорода?

Решение.

Химическое равновесие в системе устанавливается при постоянстве внешних параметров (Р, С, Т и др. ) Если эти параметры меняются, то система выходит из состояния равновесия и начинает преобладать прямая или обратная реакции. Влияние различных факторов на смещение равновесия отражено в принципе
Ле Шателье: «Если на систему, находящуюся в равновесии, оказать какое-либо воздействие, то равновесие сместится в таком направлении, что оказанное воздействие уменьшится». Используем этот принцип для решения задачи.

При повышении температуры равновесие смещается в сторону эндотермической реакции, т. е. реакции, идущей с поглощением тепла. Первая и третья реакции  экзотермические (H⁰ < 0), следовательно, при повышении температуры равновесие сместится в сторону обратной реакции, а во второй реакции (H⁰ > 0)  в сторону прямой реакции.

При понижении давления равновесие смещается в сторону возрастания числа молей газов, то есть в сторону большего давления. В первой и третьей реакциях в левой и правой частях уравнения одинаковое число молей газов (22 и 11 соответственно). Поэтому изменение давления не вызовет смещения равновесия в системе. Во второй реакции в левой части 4 моля газов, в правой  2 моля, поэтому при понижении давления равновесие сместится в сторону обратной реакции.

При увеличении концентрации компонентов реакции равновесие смещается в сторону их расхода. В первой реакции водород находится в продуктах, и увеличение его концентрации усилит обратную реакцию, в ходе которой он расходуется. Во второй и третьей реакциях водород входит в число исходных веществ, поэтому увеличение его концентрации смещает равновесие в сторону прямой реакции, идущей с расходом водорода.
Задания
121. Окисление серы и ее диоксида протекает по уравнениям:

a) S (к) + O₂ (г) = SO₂ (г);

б) 2SO₂ (г) + О₂ (г) = 2SO₃ (г).

Как изменятся скорости этих реакций, если объемы каждой из систем уменьшить в четыре раза?

122. Напишите выражение для константы равновесия гомогенной системы N₂ + 3H₂  2NH₃. Как изменится скорость прямой реакции образования аммиака, если увеличить концентрацию водорода в три раза?

123. Реакция идет по уравнению N₂ + O₂ = 2NO. Концентрации исходных веществ до начала реакция были: [N₂] = 0,049 моль/л; [О₂] = 0,01 моль/л. Вычислите концентрацию этих веществ в момент, когда [NO]=0,005 моль/л.
Ответ: [N₂] = 0465 моль/л; [О₂] = 0,0075 моль/л.

124. Реакция идет по уравнению N₂ + 3H₂ = 2NH₃. Концентрации участвующих в ней веществ были: [N₂] = 0,80 моль/л, [Н₂] = 1,5 моль/л; [NH₃] = 0,10 моль/л. Вычислите концентрацию водорода и аммиака, когда [N₂] = 0,5 моль/л.
Ответ: [NH₃] = 0,7 моль/л; [H₂ ] = 0,60 моль/л.

125. Реакция идет по уравнений H₂ + J₂ = 2НJ. Константа скорости этой реакции при 508 ⁰С равна 0,16. Исходные концентрации реагирующих веществ: [H₂] = 0,04 моль/л;[J₂] = 0,05 моль/л. Вычислите начальную скорость реакции и скорость ее, когда [H₂] = 0,03 моль/л. Ответ: 3,210^–4; 1,9210^–4.

126. Вычислите, во сколько раз уменьшится скорость реакции, протекающей в газовой фазе, если понизить температуру от 120 до 80 °С. Температурный коэффициент скорости реакции 3.

127. Как изменится скорость реакции, протекающей в газовой фазе, при повышении температуры на 60 °С, если температурный коэффициент скорости данной реакции 2?

128. Как изменится скорость реакции, протекающей в газовой фазе, при понижении температуры на 30 °С, если температурный коэффициент скорости данной реакции 3?

129. Напишите выражение для константы равновесия гомогенной системы 2SO₂ + O₂  2SO₃. Как изменится скорость прямой реакции – образования SO₃, если увеличить концентрацию SO₂ в три раза?

130. Напишите выражения для константы равновесия гомогенной системы CH₄ + CO₂  2CO + 2H₂. Как следует изменить температуру и давление, чтобы повысить выход водорода? Реакция образования водорода эндотермическая.

131. Реакция идет по уравнению 2NО + О₂ = 2NО₂. Концентрации исходных веществ: [NO] = 0,03 моль/л; [О₂] = 0,05 моль/л. Как изменится скорость реакции, если увеличить концентрацию кислорода до 0,10 моль/л и концентрацию NO до 0,06 моль/л?

132. Напишите выражение для константы равновесия гетерогенной системы CО₂ + С  2CO. Как изменится скорость прямой реакции – образования СО, если концентрацию СО₂ уменьшить в четыре раза? Как следует изменить давление, чтобы повысить выход СО?

133. Напишите выражение для константы равновесия гетерогенной системы C + H₂O (г)  СО + Н₂. Как следует изменить концентрацию и давление, чтобы сместить равновесие в сторону обратной реакции – образования водных паров?

134. Равновесие гомогенной системы
4HCl (г) +O₂ (г)  2H₂О (г) + Cl₂ (г)
установилось при следующих концентрациях реагирующих веществ: [Н₂О] = 0,14 моль/л; [Сl₂] = 0,14 моль/л; [НС1] = 0,20 моль/л; [O₂] = 0,32 моль/л. Вычислите исходные концентрации хлороводорода и кислорода

Ответ: [HCI]_исх. = 0,48 моль/л; [О₂]_исх. = 0,39 моль/л.

135. Вычислите константу равновесия для гомогенной системы
СО (г) + Н₂О (г)  СО₂ (г) + Н₂ (г)
если равновесные концентрации реагирующих веществ: [СО] = 0,004 моль/л; [H₂O] = 0,064 моль/л; [СО₂] = 0,016 моль/л; [H₂]-=0,016 моль/л. Ответ: К = 1.

136. Константа равновесия гомогенной системы
СО (г) + Н₂О (г)  СО₂ (г) + Н₂ (г)
при некоторой температуре равна 1. Вычислите равновесные концентрации всех реагирующих веществ, если исходные концентрации: [CO] = 0,10 моль/л;
[H₂O] = 0,40 моль/л. Ответ: [CO₂] = [H₂] = 0,08 моль/л [СО] = 0,02 моль/л;
[Н₂О] = 0,32 моль/л.

137. Константа равновесия гомогенной системы N₂ + 3H₂  2NH₃ при температуре 400 ⁰С равна 0,1. Равновесные концентрации водорода и аммиака соответственно равны 0,2 и 0,08 моль/л. Вычислите равновесную и исходную концентрацию азота. Ответ: 8 моль/л; 8,04 моль/л.

138. При некоторой температуре равновесие гомогенной системы
2NO + O₂  2N₂ установилось при следующих концентрациях реагирующих веществ: [NO] = 0,2 моль/л; [О₂] = 0,1 моль/л; [NO₂] = 0,1 моль/л. Вычислите константу равновесия и исходную концентрацию NO и О₂.

Ответ: К = 2,5; [NO] = 0,3 моль/л; [О₂] = 0,15 моль/л.

139. Почему при изменении давления смещается равновесие системы

N₂ + 3H₂  2NH₃ и не смещается равновесие системы N₂ + O₂  2NO? Напишите выражения для констант равновесия каждой из данных систем.

140. Исходные концентрации NO и Cl₂ в гомогенной системе
2NО + Cl₂  2NOCl составляют соответственно 0,5 и 0,2 моль/л. Вычислите константу равновесия, если, к моменту наступления равновесия прореагировало
20 % NО. Ответ: 0,416.

Способы выражения концентрации растворов
Пример 1.

К 1 литру раствора с массовой долей HCl 20 % (d = 1,100 г/см³) добавили 400 см³ раствора с массовой долей HCl 5 % (d = 1,024 г/см³). Вычислите массовую долю HCl в полученном растворе.

Решение.

В условии задачи требуется рассчитать массовую долю (), которая показывает, сколько граммов вещества растворено в 100 граммах раствора:
 = ,
где m  масса растворенного вещества, г;   плотность раствора, г/см³; V  объем раствора, мл.

Рассчитаем массу HCl, содержащейся в 1000 · 1,100 = 1100 г раствора из соотношения:

в 100 г раствора с массовой долей HCl 20 % содержится 20 г HCl,

в 1100 г раствора HCl содержится Х г HCl.

Отсюда, X = = 220 г;

400 см³ растворас массовой долей HCl 5 % весят m =  · V = 400 · 1,024 = 409,6 г, а количество HCl в этом растворе определим из соотношения:

в 100 г раствора с мвссовой долей HCl 5 % содержится 5 г HCl,

в 409,6 г  Х г HCl.

Найдем X: X = = 20,48 г.

Общая масса раствора после сливания будет 1100 + 409,6 = 1509,6 г. Количество растворенной в нем кислоты будет 220 + 20,48 =240,48 г.

Массовую долю HCl и полученном растворе вычислим из соотношения:

в 1509,6 г раствора HCl содержится 240,48 г HCl,

в 100 г раствора HCl содержится Х г HCl.

Отсюда X = = 15,93 г, а  (HCl) = 15,93 %.
Пример 2.

Вычислите молярную концентрацию раствора сульфата калия,
20 мл которого содержат 1,74 г этой соли.

Решение.

Молярная концентрация указывает на количество молей вещества в 1000 мл раствора. Ее вычисляют по формуле, (моль/л):

С_м = моль/л,

где m  масса растворенного вещества, г; М  молярная масса растворенного вещества, г; V  объем раствора, мл.

Молярная масса сульфата калия (К₂SO₄) равна:

39,10 + 32,06 + 4 · 16 = 174 г/моль.

Рассчитаем массу сульфата калия, содержащегося в 1 литре раствора, из соотношения:

в 20 мл раствора К₂SO₄ содержится 1,74 г К₂SO₄;

в 1000 мл  Х г К₂SO₄.

Тогда Х = = 87 г.

Молярная масса сульфата калия 174,26 г/моль, а 87 г этой соли составят
87 : 174,26 = 0,5 молей.

Итак, в 1 литре раствора сульфата калия содержится 0,5 молей этой соли. Следовательно, раствор 0,5 молярный (0,5 М). Эту же задачу можно решить по формуле

С_м = = 0,5моль/л.