Химия ПНИПУ для заочников. Программа и контрольные задания для студентов заочного обучения

• Название: Программа и контрольные задания для студентов заочного обучения
• Анкор: Химия ПНИПУ для заочников.doc
• Дата: 10.05.2017
• Размер: 0.74 Mb.
• Имя файла: Химия ПНИПУ для заочников.doc
• Тип: Программа; #7394
• страница: 5 из 13

ХИМИЧЕСКАЯ КИНЕТИКА И РАВНОВЕСИЕ
Кинетика - учение о скорости различных процессов, в том числе химических реакции. Критерием принципиальной осуществимости реакции является неравенство G_р,Т < 0. Но это неравенство не является еще полной гарантией фактического течения процесса в данных условиях, не является достаточным для оценки кинетических возможностей реакции. Так, (G⁰₂₉₈)Н₂О_(г)= –228,59 кДж/мольK, (G⁰₂₉₈)АlI_3(к)= –313,8 кДж/моль и, следовательно, при Т = 298 К и р = 1 атм возможны реакции, идущие по уравнениям:

Н_2(г) + ½О_2(г) = Н₂О_(г) (1)

2Al_(к) + 3I_2(к) = 2AlI_3(к) (2)
Однако эти реакции при стандартных условиях идут только в присутствии катализатора (платины для первой и воды для второй). Катализатор как бы снимает кинетический “тормоз”, и тогда проявляется термодинамическая природа вещества. Скорость химических реакций зависит от многих факторов, основные из которых – концентрация (давление) реагентов, температура и действие катализатора. Эти же факторы определяют и достижение равновесия в реагирующей системе.

Пример 1. Во сколько раз изменится скорость прямой и обратной реакции в системе 2SO_2(г)+О_2(г) = 2SO_3(г), если объем газовой смеси уменьшить в три раза? В какую сторону сместится равновесие системы?

Решение. Обозначим концентраций реагирующих веществ: [SO₂] = a, [O₂] = b, [SO₃] = с, Согласно закону действия масс скорости (V) прямой и обратной реакции до изменения объема

V_пр = Ка²b;

V_обр = K₁c².

После уменьшения объема гомогенной системы в три раза концентрация каждого из реагирующих веществ увеличится в три раза: [SO₂] = 3a, [O₂] = 3b, [SO₃] = 3с. При новых концентрациях скорости (V^/) прямой и обратной реакции:

V ^/_пр = К(3а)²(3b) = 27Ka²b;

V ^/_обр = К₁(3с)² = 9 К₁с².

Отсюда



Следовательно, скорость прямой реакции увеличилась в 27 раз, а обратной – только в 9 раз. Равновесие системы сместилось в сторону образования серного ангидрида.

Пример 2. Вычислите, во сколько раз увеличится скорость реакции, протекающей в газовой фазе, при повышении температуры от 30 С до 70 С, если температурный коэффициент реакции равен 2.

Решение. Зависимость скорости химической реакции от температуры определяется эмпирическим правилом Вант – Гоффа по формуле:



Следовательно, скорость реакции (V_t2), протекающей при температуре 70С, увеличилась по сравнение со скоростью реакции (V_t1), протекающей при температуре 30С, в 16 раз.

Пример 3. Константа равновесия гомогенной системы

СO_(г) + H₂O_(г) ⇄ CO_{2 (г)} + H_2(г)

при 850С равна 1. Вычислите концентрации всех веществ при равновесии, если исходные концентрации: [СО]_исх = 3 моль/л, [Н₂О]_исх = 2 моль/л.

Решение. При равновесии скорости прямой и обратной реакции равны, а отношение констант этих скоростей есть величина постоянная и называется константой равновесия данной системы:
V_пр=К₁[CO][H₂O];

V_обр=К₂[CO₂][H₂];



В условии задачи даны исходные концентрации, тогда как в выражение К_равн входят только равновесные концентрации всех веществ системы. Предположим, что к моменту равновесия концентрация [СО₂]_равн = х моль/л. Согласно уравнению системы число молей образовавшегося водорода при этом будет также х моль/л. По столько же молей (х моль/л.) СО и Н₂О расходуется для образования по х молей СО₂ и Н₂. Следовательно, равновесные концентрации всех четырех веществ будут:

[CO]_равн = [Н₂]_равн= х моль/л;

[CO]_равн = (3 – х) моль/л;

[Н₂О]_равн = (2 – х) моль/л.
Зная константу равновесия, находим значение х, а затем и исходные концентрации всех веществ:

1 = x²/(3 – x)(2 – x)

х² = 6 – 2х – 3х + х²; 5х = 6, х = 1,2 моль/л.

Таким образом, искомые равновесные концентрации:

[СО₂]_равн = 1,2 моль/л;

[Н₂]_равн = 1,2 моль/л;

[СО]_равн = 3 – 1,2 = 1,8 моль/л;

[Н₂О]_равн = 2 – 1,2 = 0,8 моль/л.

Пример 4. Эндотермическая реакция разложения пентахлорида фосфора протекает по уравнению

РСI_5(г) ⇄ РСI_3(г) + CI_2(г); ∆H = +92,59 кДж.

Как надо изменить: а) температуру; б) давление; в) концентрацию, чтобы сместить равновесие в сторону прямой реакции – разложения РСI₅ ?

Решение. Смещением или сдвигом химического равновесия называют изменение равновесных концентраций реагирующих веществ в результате изменения одного из условий реакции. Направление, в котором сместилось равновесие, определяется по принципу Ле Шателье: а) так как реакция разложения РСI₅ эндотермическая (∆H > 0), то для смещения равновесия в сторону прямой реакции нужно повысить температуру; б) так как в данной системе разложение РСI₅ ведет к увеличению объема (из одной молекулы газа образуются две газообразные молекулы), то для смещения равновесия в сторону прямой реакции надо уменьшить давление; в) смещения равновесия в указанном направлении можно достигнуть как увеличением концентрации РСI₅, так и уменьшением концентрации РСI₃ или СI₂.

101. Окисление серы и ее диоксида протекает по уравнениям:

а) S_(к) + О_2(г) = SO_2(г); б) 2SO_2(г) + O_2(г) = 2SO_3(г). Как изменяются скорости этих реакций, если объемы каждой из систем уменьшить в 4 раза?

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

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

Ответ: [N₂] = 0,0465 моль/л; [O₂] = 0,0075 моль/л.

104. Реакция идет по уравнению N₂ + 3H₂ = 2NH₃. Концентрации участвующих в ней веществ были: [N₂] = 0,80 моль/л; [H₂] = 1,5 моль/л; [NH₃] = 0,10 моль/л. Вычислите концентрацию водорода и аммиака, когда [N₂] стала равной 0,50 моль/л.

Ответ: [NH₃] = 0,70 моль/л; [H₂] = 0,60 моль/л.

105. Реакция идет по уравнению Н₂ + I₂ = 2HI. Константа скорости этой реакции при 508 С равна 0,16. Исходные концентрации реагирующих веществ были: [H₂] = 0,04 моль/л; [I₂] = 0,05 моль/л. Вычислите начальную скорость реакции и скорость ее, когда [H₂] стала равной 0,03 моль/л.

Ответ: 3,2 10^–4; 1,92 10^–4.

106. 
     Вычислите, во сколько раз уменьшится скорость реакции, протекающей в газовой фазе, если понизить температуру от 120 до 80С. Температурный коэффициент скорости реакции равен трем.
     
107. 
     Как изменится скорость реакции, протекающей в газовой фазе, при повышении температуры на 60 град, если температурный коэффициент скорости данной реакции равен двум?
     
108. 
     Как изменится скорость реакции, протекающей в газовой фазе, при понижении температуры на 30 град, если температурный коэффициент скорости данной реакции равен трем?
     
109. 
     Напишите выражение для константы равновесия гомогенной системы 2SO₂ + O₂ ⇄ 2SO₃. Как изменится скорость прямой реакции – образования серного ангидрида, если увеличить концентрацию SO₂ в 3 раза?
     
110. 
     Напишите выражение для константы равновесия гомогенной системы СН₄ + СО ⇄ 2Н₂. Как следует изменить температуру и давление, чтобы повысить выход водорода? Прямая реакция – образования водорода эндотермическая.
     
111. 
     Реакция идет по уравнению 2NO + O₂ = 2NO₂. Концентрации исходных веществ были: [NO] = 0,03 моль/л; [O₂] = 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?
     
112. 
     Напишите выражение для константы равновесия гетерогенной системы: СО₂ + С = 2СО. Как изменится скорость прямой реакции – образования СО, если концентрацию СО₂ уменьшить в четыре раза? Как следует изменить давление, чтобы повысить выход СО?
     
113. 
     Напишите выражение для константы равновесия гетерогенной системы С + Н₂О_(г) ⇄ СО + Н₂. Как следует изменить концентрацию и давление, чтобы сместить равновесие в сторону обратной реакции – образования водяных паров?
     
114. 
     Равновесие гомогенной системы 4НСI_(г) + О_2(г) ⇄ 2Н₂О_(г) +2СI_2(г) установилось при следующих концентрациях реагирующих веществ: [Н₂О] = 0,14 моль/л; [CI] = 0,14 моль/л; [HCI₂] = 0,20 моль/л; [O₂] = 0,32 моль/л. Вычислите исходные концентрации хлористого водорода и кислорода.
     

Ответ: [HCI]_исх = 0,48 моль/л; [O₂]_исх = 0,39 моль/л.

106. 
     Вычислите константу равновесия для гомогенной системы СО_(г) + Н₂О_(г) ⇄ СО_2(г) + Н_2(г), если равновесные концентрации реагирующих веществ: [CО] = 0,004 моль/л; [Н₂О] = 0,064 моль/л; [CО₂] = 0,016 моль/л; [Н₂] = 0,016 моль/л.
     

Ответ: К = 1.

116. Константа равновесия гомогенной системы СО_(г) + Н₂О_(г)⇄ CO_2(г) + Н_2(г) при некоторой температуре равна 1. Вычислите равновесные концентрации всех реагирующих веществ, если исходные концентрации; [CО] = 0,10 моль/л; [Н₂О] = 0,40 моль/л.

Ответ: [CО₂] = [Н₂] = 0,08 моль/л; [CО] = 0,02 моль/л; [Н₂О] = 0,32 моль/л.

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

Ответ: 8 моль/л; 8,04 моль/л.

118. При некоторой температуре равновесие гомогенной системы 2NO + O₂ ⇄ 2NO₂ установилось при следующих концентрациях реагирующих веществ: [NO] = 0,2 моль/л; [O₂] = 0,1 моль/л; [NO₂] = 0,1 моль/л. Вычислите константу равновесия и исходную концентрацию NO и O_2.

Ответ: К = 2,5: [NO] = 0,3 моль/л; [O₂] = 0,15 моль/л.

119. Почему при изменении давления смещается равновесие системы N₂ + H₂ ⇄ 2NH₃ и не смещается равновесие системы N₂ + O₂ ⇄ 2NO? Напишите выражения для констант равновесия каждой из данных систем.

120. Исходные концентрации NО и CI₂ и в гомогенной системе 2NO + CI₂ ⇄ 2NOCI составляют соответственно: 0,5 и 0,2 моль/л. Вычислите константу равновесия, если к моменту наступления равновесия прореагировало 20 % NO.

Ответ: 0,416
СПОСОБЫ ВЫРАЖЕНИЯ КОНЦЕНТРАЦИИ РАСТВОРА
Концентрацией раствора называется количество растворенного вещества, содержащегося в определенном весовом или объемном количестве раствора или растворителя,

Пример 1. Массовая доля растворенного вещества,

Определите массовую долю (%) хлорида калия в растворе, содержащем 0,053 кг КС1 в 0,5 л раствора, плотность которого 1,063 г/см³.

Решение. Массовая доля  показывает, сколько единиц массы растворенного вещества содержится в 100 единицах массы раствора. Массовая доля – безразмерная величина, ее выражают в долях единицы или процентах:



где  - массовая доля (%) растворенного вещества; m₁ – масса растворенного вещества, г; m – масса раствора, г.

Масса раствора равна произведению объема раствора V на его плотность :

m = V, тогда

ω = (m₁/V)100%

Массовая доля хлорида калия в растворе равна:


Пример 2. Молярная концентрация раствора.

Какова масса КОН, содержащегося в 0,2 л раствора, если молярная концентрация раствора 0,4 моль/л?

Решение. Молярная концентрация или молярность (С_м) раствора показывает количество молей растворенного вещества, содержащегося в 1 л раствора.

Молярную концентрацию (моль/л) выражают формулой

С_м = m₁/MV,

где m₁ – масса растворенного вещества, г; М – молярная масса растворенного вещество, г/моль; V – объем раствора, л.

М(КОН) = 56,1 г/моль. Масса КОН содержащегося в растворе, равна m = MV;C_M = 56,10,20,4 = 4,5 моль/л.

Пример 3. Молярная концентрация эквивалента (С_н) или нормальная концентрация.

Определите молярную концентрацию эквивалента хлорида алюминия, если в 0,5 л раствора содержится 33,33 г AlCI₃.

Решение. Молярная концентрация эквивалента (нормальность раствора) показывает число молярных масс эквивалентов растворенного вещества, содержащегося в 1 л раствора (моль/л).

С_Н = m₁/VЭ,
где m₁ – масса растворенного вещества, г; Э – молярная масса эквивалента растворенного вещества, г/моль; V – объем раствора, л.

Молярная масса эквивалента равна

Э = М(AlCI₃)/3 = 133,33/3 = 44,44 г/моль.

Молярная концентрация эквивалента раствора AlCI₃ равна

С_Н = 33,33/44,440,5 = 1,5 моль/л.

Пример 4. Моляльность раствора

Определите моляльную концентрацию раствора Н₃РО₄, полученного при растворении 18 г кислоты в 282 см³ воды.

Решение. Моляльность раствора (С_m) показывает количество молей растворенного вещества, содержащихся в 1000 г растворителя.

Массу Н₃РО₄ в 1000 г растворителя находим из соотношения



х = (100018)/282 = 63,83 г.

Молярная масса Н₃РО₄ равна 97,99 г, отсюда

С_m = 63,83/97,99 = 0,65 м.

Пример 5. Титр раствора (Т)

Определите титр 0,01 н раствора NaOH.

Решение. Титр раствора показывает массу (г) растворенного вещества, содержащегося в 1 мл раствора. В 1л 0,01 Н раствора NaOH содержится 0,40 г NaOH. Титр этого раствора равен:

Т = 0,40/1000 = 0,0004 г/мл.

Пример 6. На нейтрализацию 50 см³ раствора кислоты из расходовано 25 см³ 0,5 н раствора щелочи. Чему равна нормальность кислоты?

Решение. Так как вещества взаимодействуют между собой в эквивалентных количествах, то растворы равной нормальности реагируют в равных объемах. При разных нормальностях объемы раствора реагирующих веществ обратно пропорциональны их нормальностям, т.е.: V₁/V₂ = C_H2/C_H1, или V₁C_H1= V₂C_H2, 50C_H1 = 250,5 откуда С_Н2 = 250,5/50=0,25 н.