Химия. Решение Уравнение реакции CuO х х2НCl СuCl х хH 2 O

• Название: Решение Уравнение реакции CuO х х2НCl СuCl х хH 2 O
• Анкор: Химия
• Дата: 15.04.2021
• Размер: 0.6 Mb.
• Имя файла: khimia.docx
• Тип: Решение; #194967

1. 
   75,0 г оксида меди прореагировало без остатка с 68,7 г соляной кислоты. Вычислите молярную массу эквивалента оксида меди. Напишите уравнение реакции, если одним из продуктов является хлорид меди.
   

Дано: m(CuOх)=75,0г m(НCl)=68,7г

Решение: Уравнение реакции: CuOх + х/2НCl = СuClх + хH2O Так как в условиях не указано, какой оксид меди вступает в реакцию, определим это. Закон эквивалентов: массы реагирующих друг с другом веществ пропорциональны их эквивалентным массам: Mэ(НCl)= Э*M(НCl)=36,5г/моль*1 = 36,5 г/моль Таким образом: Mэ(СuOх) = Mэ(НCl)* m(CuOх) / m(НCl) Mэ(СuOх) = 36,5*75/68,7 = 39,84 г/моль Так как M(Cu) = 63,5 г/моль, а Mэ(СuOх) <63,5г/моль, получаем искомое соединение СuO – оксид меди (II): CuO + 2НCl = СuCl2 + H2O

Найти: Mэ(СuOх)-?

Ответ: Mэ(СuO2) = 39,84 г/моль

2. 
   Запишите в тетрадь уравнение реакции CO_(r)+H_2(r)=C_(k)+H₂O_(r):
   

1. Рассчитайте стандартную энтальпию и стандартную энтропию химической реакции.

2. Покажите, какой из факторов процесса, энтальпийный или энтропийный, способствует, самопроизвольному протеканию процесса в прямом направлении.

3. Определите, в каком направлении (прямом или обратном) при 298 K будет протекать реакция, если все ее участники находятся в стандартном состоянии.

4. Рассчитайте температуру, при которой равновероятны оба направления реакции. При каких температурах, выше или ниже рассчитанной, более вероятно протекание указанной реакции в прямом направлении?

Решение:

CO_(r)+H_2(r)=C_(k)+H₂O_(r)

1. 
   Табличные данные:
   

ΔН⁰₂₉₈(CO_(r)) = -110,53кДж/моль

ΔН⁰₂₉₈ (H_2(r)) = 0

ΔН⁰₂₉₈ (С_(к)) = 0

ΔН⁰₂₉₈ (H₂O_(r)) = -241,84 кДж/моль

Следствие из закона Гесса: изменение энтальпии химической реакции равно разности сумм энтальпий образования продуктов реакции и исходных веществ с учетом стехиометрических коэффициентов:

ΔН⁰₂₉₈х р. = (n * ΔН⁰₂₉₈прод. ) –  (m * ΔН⁰₂₉₈ исх), где n, m – стехиометрические коэффициенты. Аналогичным образом можно рассчитывать изменение и других функций – энтропии (ΔS⁰₂₉₈х р.), энергии Гиббса (ΔG⁰₂₉₈х р.).

ΔН⁰₂₉₈х р. = ΔН⁰₂₉₈ (H₂O_(r)) - ΔН⁰₂₉₈(CO_(r)) = -241,84-(-110,53) = -131,31кДж (реакция экзотермическая).

ΔS⁰₂₉₈(CO_(r)) = 197,40 Дж/(моль*К)

ΔS⁰₂₉₈ (H_2(r)) = 130,60 Дж/(моль*К)

ΔS⁰₂₉₈ (С_(к)) = 5,74 Дж/(моль*К)

ΔS⁰₂₉₈ (H₂O_(r)) = 188,74 Дж/(моль*К)

ΔS⁰₂₉₈х р. = (ΔS⁰₂₉₈ (H₂O_(r)) + ΔS⁰₂₉₈ (C_(к)) – (ΔS⁰₂₉₈(CO_(r) + ΔS⁰₂₉₈(H_2(r))) = (188,74+5,74) – (197,40+130,60) = 194,48 – 328,0 = -133,52 Дж/К

2. 
   ΔG⁰₂₉₈х р. = ΔH⁰₂₉₈х р. – T* ΔS⁰₂₉₈х р.
   

При самопроизвольном протекании процесса в прямом направлении ΔG⁰₂₉₈х р. должна быть <= 0.

Вклады энтальпийного и энтропийного факторов существенно зависят от температуры. Если Т > 0 К, то больший вклад вносит энтальпийный фактор, ΔG⁰₂₉₈х р —> ΔН⁰₂₉₈х р. При низких температурах значение и знак ΔG⁰₂₉₈х р. определяются значением и знаком ΔH⁰₂₉₈х р. и самопроизвольно протекают, как правило, экзотермические реакции.

3. 
   Рассчитаем стандартное изменение энергии Гиббса реакции по уравнению из п.(2)
   

ΔG⁰₂₉₈х р. = ΔH⁰₂₉₈х р. – T* ΔS⁰₂₉₈х р. = -131310 – 298 * (-133,52) = -91521 Дж = -91,52 кДж

Так как ΔG⁰₂₉₈х р. <0, при 298 K будет протекать прямая реакция.

4. 
   Оба направления реакции равновероятны при ΔG⁰₂₉₈х р. =0
   

Рассчитаем температуру:

ΔH⁰₂₉₈х р. – T* ΔS⁰₂₉₈х р. = 0

-131310 – Т * (-133,52) =0

133,52Т = 131310

Т = 983 К

В интервале температур 0-983К протекает прямая реакция, при температурах выше 983 протекает обратная реакция.

3. 
   Вычислите: константу равновесия обратимой реакции, исходные и равновесные концентрации компонентов в системах (величины, которые нужно вычислить, обозначены в таблице через x)
   

Уравнение реакции	Кр	Равновесные концентрации, моль/л	Исходные концентрации, моль/л
2 CO + O2 2 CO2	x	[CO] = 4, [O2] = 1, [CO2] = 2	[CO] = x1, [O2] = x2

Решение:

Константа равновесия данной реакции выражается уравнением:

К = = = 0,25

Исходные концентрации угарного газа и кислорода находим на основе уравнения реакции.

Согласно уравнению реакции на образование 2 моль CO₂ расходуется 1 моль O₂. По условию задачи образовалось 2 моль CO₂, на что израсходовалось 1 моль O₂. Учитывая равновесную концентрацию кислорода, находим его исходную концентрацию: С(O₂) = 1 + 1 = 2 моль/л. По уравнению реакции на образование 2 моль CO₂ необходимо 2 моль CO. Исходная концентрация оксида углерода (II) С(CO) = 4 + 2 = 6 моль/л.

4. 
   Как изменится скорость прямой и обратной реакции, если объем газовой смеси увеличить (уменьшить) в n раз?
   

Уравнение реакции	n
N 2 + 3H2 2 NH3	Уменьшить в 3 раза

Решение:

Согласно закону действия масс скорости (ν) прямой и обратной реакции до изменения объема будут равны:

- скорость прямой реакции: υ пр = k*[N₂]*[Н₂]³

- скорость обратной реакции: υ обр = k*[NН₃]²

После уменьшения объема гомогенной системы в три раза концентрация каждого из реагирующих веществ увеличится в три раза: [N₂]’= 3[N₂], [H₂] = 3[H₂]; [NH₃] = 3[NH₃]. При этих концентрациях скорости (ν2) прямой и обратной реакции примут значения:

= k*3[N₂]*27[Н₂]³ = 81* k*[N₂]*[Н₂]³

υ2 обр = k*9[NН₃]² = 9* k*[NН₃]²

Тогда: = 81 = 9

При уменьшении объема гомогенной системы в 3 раза скорость прямой реакции возрастет в 81 раз, скорость обратной – в 9 раз

5. 
   Рассчитайте : а) массовую долю ω(%) растворенного вещества; б) молярную концентрацию С_M(X); в) молярную концентрацию эквивалента С_эк ; г) титр Т; д) молярную долю χ растворенного вещества раствором, полученных при растворении вещества в воде (плотность раствора см. в приложении).
   

Растворенное вещество		Объем воды, мл
формула	Масса, г
HNO3	108	192

Решение: примем плотность воды равной 1 г/см³ (1 г/мл)

А) массовая доля ω (%) растворенного вещества

W (HNO₃) = m(HNO₃) / m(смеси) *100%

m(смеси) = m(HNO₃) + m(воды)

m(воды) = V(воды) * ρ (воды)

тогда:

m(воды) = 192*1 = 192 г

m(смеси) = 108+192 = 300г

W (HNO₃) = 108/300*100% = 36%

Б) молярная концентрация С_M(X)

С_M (HNO₃) = υ(HNO₃) / V(раствора)

υ(HNO₃) = m(HNO₃) / M(HNO₃) = 108/ 63 = 1,71 моль

V(раствора) = m(раствора) / ρ(раствора) (где m(раствора) это m(смеси) из п.А, из того же пункта известно, что массовая доля азотной кислоты 36%).

Справочно: ρ(раствора) 36% азотной кислоты 1,2205 г/см³

V(раствора) = 300/1,2205 = 245,8 см³ = 0,2458 дм³

С_M (HNO₃) = 1,71 / 0,2458 = 6,96 моль/дм³ (или моль/л)

В) молярная концентрация эквивалента С_эк

С_экв (HNO₃) = υ _экв(HNO₃) / V(раствора)

υ _экв(HNO₃) = Э* υ(HNO₃) Так как азотная кислота – одноосновная, Э=1

Тогда υ _экв(HNO₃) = υ(HNO₃)

Следовательно, С_экв (HNO₃) = С_M (HNO₃) = 6,96 моль-экв/дм³ (моль-экв/л)

Г) титр Т;

Титр - масса растворённого вещества (в граммах), содержащаяся в одном миллилитре раствора.

Т (HNO₃) = m(HNO₃) / V(раствора) = 108 / 245,8 = 0,4394 г/см³ (г/мл)

Д) молярная доля χ растворенного вещества

Мольная доля – это отношение количества растворенного вещества к общему количеству вещества всех компонентов раствора:

χ(HNO₃) = υ (HNO₃) /(υ (HNO₃) + υ (H₂O))

υ (H₂O) = m(H₂O) / M(H₂O) = 192 / 18 = 10,7 моль

χ(HNO₃) = 1,71 / (1,71+10,7) = 0,138 или 13,8%

6. 
   Окислительно-восстановительные реакции протекают по приведенным схемам. Для каждой реакции укажите: а) окислитель и восстановитель; б) какое вещество окисляется, какое веществ восстанавливается. Составьте электронные уравнения и на их основании расставьте коэффициенты в уравнении реакции.
   

Схемы реакции

Ge+KOH+O2=K2GeO3+H2O

HCl+CrO3=Cl2+CrCl3+H2O

Решение:

Ge+2KOH+O₂=K₂GeO₃+H₂O

Ge0 – 4e- = Ge +2 O2 0 + 2*2e- = 4O-

1 1

Процесс окисления, металл - восстановитель Процесс восстановления, кислород - окислитель

12HCl+2CrO₃=3Cl₂+2CrCl₃+6H₂O

Cr+6 + 3e- = Cr+3 2Cl-1 – 2e- = Cl2 0

2 3

Процесс восстановления, CrO3 - окислитель Процесс окисления, HCl - восстановитель

7. 
   Составьте схему гальванического элемента из двух полуэлементов, напишите уравнение токообразующей реакции, рассчитайте ЭДС, Е и изменение свободной энергии Гиббса ΔG для составленного элемента.
   

Концентрация катионов полуэлементов, моль/л
первого	второго
Zn/Zn2+-0,05	Cd/Cd2+-0,02

Решение:

В гальваническом элементе анодом становится металл, обладающий меньшим значением электродного потенциала, а катодом – металл с большим значением электродного потенциала. Кадмий имеет большее значение электродного потенциала восстановления (-0,40В), чем цинк (-0,763В). Значит, в данном гальваническом элементе кадмиевый электрод будет катодом, а цинк – анодом.

На аноде протекает процесс окисления металла, а на катоде – процесс восстановления металла. Процессы окисления-восстановления на электродах:

Анод (-) Zn⁰ - 2е → Zn²⁺ │1 - процесс окисления на аноде

Катод (+) Cd²⁺ + 2е → Cd⁰ │1 - процесс восстановления на катоде

Суммируя реакции на аноде и катоде, получаем уравнение, которое в ионной форме выражает происходящую в элементе реакцию:

Zn + Cd²⁺ → Cd⁰ + Zn²⁺

Схема гальванического элемента

А (-) | Zn | Zn²⁺ || Cd²⁺ | Cd | К (+)

1. 
   Для определения ЭДС гальванического воспользуемся уравнением Нернста:
   

Е⁰ = ϕ°(Cd²⁺ / Cd) – ϕ°( Zn²⁺ / Zn) = -0,40- (-0,763) = 0,363 В

Е = 0,363 +0,059/ 2 * Ln (0,02/0,05) = 0,363+0,0295*(-0.91) = 0,336 В

2. 
   Изменение энергии Гиббса
   

Энергия Гиббса химической реакции в гальваническом элементе и его ЭДС связаны соотношением ΔG = −nFE, где n – число электронов, которые переходят от окислителя к восстановителю в стехиометрическом уравнении реакции.

ΔG = − 2*96500*0,336 = - 64848 Дж = -64,8 кДж

8. 
   Напишите схемы катодного и анодного процессов при электролизе раствора соли с инертными элетродами. Рассчитайте массу (для газа – объем при н.у.) выделяющегося на катоде вещества при заданных условиях.
   

Соль	Сила тока, А	Время
NiC2	3	0,5 ч

Решение:

NiC₂ – скорее всего, опечатка, так как соединение никеля с углеродом – карбид никеля Ni₃C

Примем соль как хлорид никеля NiCl₂

Схема электролиза водного раствора хлорида никеля с инертным анодом:

Уравнение диссоциации соли:

NiCl₂ → Ni²⁺ + 2Cl^-

Катод:

Так как в ряду напряжений металлов никель расположен после алюминия и до водорода, то на катоде ионы никеля восстанавливаются вместе с водой:

Ni²⁺ + 2е- = Ni⁰

2Н₂О + 2е- = Н₂ + 2ОН^-

Анод:

Бескислородные анионы в водных растворах окисляются на аноде до галогенов:

2Cl^- - 2е → Cl₂

Добавим в обе части уравнения недостающие противоионы:

2Н₂О + 2Cl^- + Ni²⁺ = Н₂ + 2ОН^- + Cr + Cl₂

Теперь можно записать уравнение в молекулярном виде:
электролиз

2NiCl₂ + 2H₂O ======== 2Cl₂ + H₂ + Ni(OH)₂ + Ni

Рассчитаем объем водорода (при н.у.), выделяющегося на катоде:

Время электролиза выражают в секундах: 0,5ч = 30 минут = 1800с

Из закона Фарадея:



m(H₂) = 3*1800*2 / (2* 96485) = 0,056 г



тогда V(H₂) = m(H₂) * Vm / M(H₂) = 0,056*22,4/2 = 0,627дм³

9. 
   Какие коррозионные процессы могут протекать при контакте двух металлов? Составьте уравнения анодного и катодного процессов и результирующее (суммарное) уравнение процесса коррозии в заданных условиях. Если коррозия невозможна, то объясните почему.
   

Металлы	Среда
Cu, Ag	а) аэрируемый раствор H2SO4 б) закрытый сосуд с раствором HCl

Решение:

По условиям протекания коррозии при контакте двух металлов, различают несколько видов коррозии:

- контактную – электрохимическую коррозию, вызванную контактом металлов, имеющих разные электродные потенциалы в данном электролите;

- щелевую – коррозию в щелях и зазорах между металлами.

Рассмотрим варианты металлов и среды по заданию.

ϕ°(Cu²⁺ / Cu) = 0,345В

ϕ°(Ag+ / Ag) = 0,799В

Оба представленных металла находятся в ряду напряжений после водорода и имеют положительный потенциал, что говорит о преимущественной роли окислительных свойств, кроме того, на оба металла разбавленные кислоты не действуют.

Разница в значении потенциала в данной паре невелика: данные металлы, находясь в контакте, очень мало подвержены контактной коррозии, а их соединение в технике (металлических конструкциях) проверено и одобрено в нормативной документации (ГОСТ 9.005). Контакт меди с серебром разрешен даже в условиях влажных и аэрируемых сред.

Из вышеперечисленного следует, что данная пара металлов подвергаться значимой коррозии в указанных средах не будет.