Химическая кинетика и равновесие 3 страница

2.4. В указанном комплексном соединении определите степени окисления всех составляющих, укажите комплексообразователь, лиганды, ионы внешней и внутренней сфер и координационное число, заряд комплексообразователя.

Запишите уравнение диссоциации данного комплексного соединения. Назовите это соединение.

Т а б л и ц а 2.5

 

Вариант	Соединение	Вариант	Соединение
	[Zn(NH3)4]Cl2	1'	[Co(H2O)(NH3)4(CN)]Br2
	[Al(H2O)6]Cl3	2'	[Co(NH3)5(SO4)]NO3
	K2[BeF4]	3'	[Pd(NH3)3Cl]Cl
	K[Al(OH)4]	4'	(NH4)3[RhCl6]
	K2[Be(SO4)2]	5'	K2[Co(NH3)2(NO2)4]
	[Pt(NH3)2Cl2]	6'	K2[Pt(OH)5Cl]
	[Co(NH3)5Cl]Cl2	7'	K2[Cu(CN)4]
	[Cr(H2O)5Cl]SO4	8'	[Cr(H2O)4(PO4)]
	[Cr(H2O)4Cl2]Cl	9'	[Cu(NH3)2(SCN)2]
	[Pt(NH3)3Cl]Cl	10'	[Rh(NH3)3(NO2)3]
	[Co(NH3)5Br]SO4	11'	[Pt(NH3)2Cl4]
	Ba[Cr(NH3)2(SCN)4]2	12'	[Co(NH3)5(H2O)]Cl3
	(NH4)2[Pt(OH)2Cl4]	13'	[Ag(NH3)2]NO3
	[Pd(H2O)(NH3)2Cl]Cl	14'	K[Ag(CN)2]
	[Cu(NH3)4](NO3)2	15'	[Co(NH3)3(NO2)3]

 

 

2.5. Определите степени окисления элементов в следующих сое-динениях: K₂MnO₄, Ba(ClO₃)₂, F₂O, Ca(NO₃)₂,H₂SiF₆, H₂O₂, Cr₂(SO₄)₃.

2.6. Сероводород при обычной температуре – газ, а вода – жидкость. Чем можно объяснить это различие в свойствах?

2.7. В чем заключается сущность донорно-акцепторного меха-низма образования химической связи? Приведите три примера соединений, связь в которых образована по этому механизму.

2.8. Дайте характеристику водородной связи. В каких случаях возможно ее образование? Приведите примеры.

2.9. Приведите формулы четырех соединений, в состав которых входят ионы с электронной конфигурацией 1 s ²2 s ²2 p ⁶3 s ²3 p ⁶.

2.10. Почему существует ион NH ?

2.11. Сколько электронов и протонов содержат следующие молекулы и ионы: Н₃О⁺, NCl₃ ?

2.12. Определите степени окисления элементов в следующих соединениях: CaCrO₄, Sr(ClO)₂, F₂O,Са₃(РО₄)₂, NH₄NO₃, Fe₂(SO₄)₃.

2.13. Опишите пространственное строение следующих молекул: AlCl₃ и РН₃. Объясните причины их различия.

2.14. Опишите пространственное строение следующих молекул: Н₂О, ВеF₂. Объясните причины их различия.

2.15. Определите степени окисления элементов в следующих соединениях: FeS, K₃[Fe(CN)₆], Fe₂O₃, Mn[PtF₆], CH₂Cl₂, CH₃COOH.

2.16. Какую валентность может проявлять сера в своих соединениях? Изобразите структуру атома серы в нормальном и возбужденном состояниях.

2.17. Объясните, почему максимальная валентность фосфора может быть равной пяти.

2.18. Каково взаимное расположение электронных облаков при sp ³-гибридизации? Приведите примеры соответствующих соедине-ний. Какую пространственную конфигурацию могут иметь молекулы веществ с таким типом гибридизации?

2.19. В чем причина различной пространственной структуры молекул BCl₃ и NH₃?

2.20. Какую форму могут иметь трехатомные молекулы типа АВ₂? Рассмотрите на примерах СО₂ и Н₂О.

2.21. Объясните механизм образования молекулы SiF₄.

2.22. Как изменяется прочность связи в ряду: HF–HCl–HBr–HI? Укажите причины этих изменений.

2.23. Объясните механизм образования ковалентных связей в молекулах СН₄, NH₃ и в ионе NH .

2.24. Объясните механизм образования молекулы BF₃ и иона BF . Какой атом или ион служит донором электронной пары при образовании иона BF ?

2.25. Дипольные моменты молекул BF₃ и NF₃ равны соответственно 0 и 0,2 D. Объясните причины неполярности первой и полярности второй молекул.

2.26. Какую ковалентную связь называют σ-связью и какую π-связью? Ответ разберите на конкретных примерах.

2.27. Каково взаимное расположение электронных облаков при sp ²-гибридизации? Какую пространственную конфигурацию могут иметь молекулы веществ с таким типом гибридизации? Приведите примеры соответствующих соединений.

2.28. В чем заключается sp -гибридизация атомных орбиталей? Приведите примеры молекул, при образовании которых происходит sp -гибридизация атомных орбиталей. Какова структура этих молекул?

2.29. Приведите формулы четырех соединений, в состав которых входят ионы с электронной конфигурацией 1 s ²2 s ²2 p ⁶.

2.30. Какие типы химических связей вам известны? Какой тип связи в следующих соединениях: HCl, Cl₂, RbCl? Ответы поясните.

2.31. Молекула PbCl₂ угловая, а молекула HgCl₂ линейная. Объясните различную пространственную структуру этих молекул.

2.32. Какие атомы или ионы называют донорами и акцепторами электронных пар? Приведите примеры.

2.33. Какие элементы II периода могут быть донорами и акцепторами электронных пар? Чем это определяется? Возможна ли донорная или акцепторная функция для центрального атома в молекулах: а) BeF₂; б) BF₃; в) CF₄; г) NH₃; д) H₂O; е) PCl₅?

2.34. Приведите примеры молекул, которые содержат: а) только σ-связи; б) одну σ- и одну π-связь; в) две σ- и одну π-связь; г) две σ- и две π-связи; д) четыре σ- и две π-связи.

2.35. Сколько σ- и π-связей содержат молекулы: а) SF₆, CCl₄; б) SO₃, SO₂; в) PCl₅, POCl₃; г) C₂H₄; C₂H₂; д) SO₂Cl₂, COCl₂?

 

 

ХИМИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА

 

Решение типовых задач

Пример 3.1. Реакция горения протекает по уравнению

 

СН₄ (г) + 2О₂ (г) = СО₂ (г) + 2Н₂О (ж) + 890,31 кДж

 

Вычислите, сколько теплоты выделится при сгорании 100 л (н.у.) углеводорода?

 

Р е ш е н и е

В термохимическом уравнении дано значение стандартной энтальпии сгорания , то есть тепловой эффект реакции окисления 1 моля (22,4 л) газообразного метана (СН₄). 100 л газа в нормальных условиях (н.у.) соответствуют молям газа, следовательно, при сгорании 100 л газа выделится кДж теплоты (зависимостью Δ Н от температуры пренебречь).

 

Пример 3.2. При соединении 27 г алюминия с кислородом выделилось 836,8 кДж теплоты. Определите энтальпию образования оксида алюминия (Al₂O₃).

 

Р е ш е н и е

Энтальпией образования сложного соединения называется тепловой эффект образования 1 моля этого соединения из простых веществ, взятых в устойчивом состоянии при заданных условиях, то есть для получения 1 моля Al₂O₃ необходимо 2 моля атомов Al, что составляет 54 г.

По условию задачи:

при соединении 27 г алюминия выделится 836,8 кДж,

при соединении 54 г алюминия выделится Q кДж,

 

кДж/моль,

= – 1673,6 кДж/моль.

 

Пример 3.3. Рассчитайте изменение внутренней энергии (Δ U) в химической реакции:

4NH₃ (г) + 5O₂ (г) = 4NO (г) + 6H₂O (г).

 

Р е ш е н и е

исходных веществ и продуктов реакции находим из табл. П. 1.

,

(4+6) – (4+5) = 1,

где n – число молей газообразных веществ.

По закону Гесса определяем энтальпию химической реакции

4·90,37 + 6·(-241,84) – – 4·(–46,19) = = –904,8 кДж;

R = 8,31·10^-3 Дж/моль·К; Т = 298 К;

Δ U = –904,8 – 8,31·298·10^-3 = –907,28 кДж.

 

Пример 3.4. Рассчитайте энтальпию образования жидкого сероуглерода (CS₂) по следующим данным:

S (ромб) + О₂ (г) = SO₂ (г) Δ Н ₁ = -296,9 кДж,

CS₂ (ж) + 3О₂ (г) = СО₂ (г) + 2SO₂ (г) Δ Н ₂ = -1109,0 кДж,

С (граф) + О₂ (г) = СО₂ (г) Δ Н ₃ = -393,5 кДж.

 

Р е ш е н и е

 

Составим термохимическое уравнение образования CS₂ (ж):

С (граф) + 2S (ромб) = СS₂ (ж) + Δ Н _х.

Для определения Δ Н _х производим соответствующие алгебраические действия с термохимическими уравнениями, чтобы получить искомое, аналогичные действия производим и с Δ Н _i:

2 S(ромб) + О₂ = SO₂ (г) + Δ Н ₁

1 С (граф) + О₂ = СО₂ + Δ Н ₃

- 1 CS₂ (ж) + 3О₂ = СО₂ (г) + 2SO₂ + Δ Н ₂

2S (pомб) + 3O₂ + C (граф) – 3О₂ – СS₂ = 2SO₂ + CO₂ – CO₂ – 2SO₂ =

= 2 Δ Н ₁ + Δ Н ₃ – Δ Н ₂

2S (ромб) + С (граф) = CS₂ + 2 Δ Н ₁ + Δ Н ₃ – Δ Н ₂

Δ Н _x = –2 Δ Н ₁ – Δ Н ₃ + Δ Н ₂ = –121,7 кДж/моль.

 

Пример 3.5. Вычислите (кДж), (Дж/К), (кДж) для следующей реакции:

2СО (г) + 2Н₂ (г) = СН₄ (г) + СО₂ (г).

 

Возможна ли реакция при Р = 1 атм и Т = 298 К? Вычислите темпе-ратуру равновесия реакции и константы равновесия при 298 и 1000 К.

 

Р е ш е н и е

По закону Гесса определяем и (термодина-мические параметры из табл.П.1).

= = -247,35 кДж.

= -256,21 Дж/К.

определяем по второму закону термодинамики:

= - 298· = –247,35 – 298·(–256,21) ·10^-3 = = –170,99 кДж, т. е. реакция при 298 К термодинамически вероятна.

Температура равновесия реакции – это Т _равн, когда = 0.

 

 

Большое значение свидетельствует о том, что в стандартных условиях идет практически только прямая реакция.

 

К _равн.при 1000 К определяем по формуле

 

Следовательно, при Т = 1000 К в равновесной смеси преобладают исходные вещества.

 

Ответ: = –247,35 кДж; = –256 Дж/К;

= –170,99 кДж;

Т _равн. = 965 К; = 1030; = 0,34.

 

Пример 3.6. Какое количество продуктов необходимо употре-бить в день в определенном массовом соотношении, чтобы удовлетворить суточную энергетическую потребность организма?

Продукты: макаронные изделия, телятина филе, морковь, сырковая масса, бананы; массовое соотношение продуктов 3:1:2:1:4.

 

Р е ш е н и е

 

По таблице калорийности пищи (табл. П.2) находим кало-рийность указанных продуктов: макаронные изделия – 330 ккал/100 г, телятина филе – 158 ккал/100 г, морковь – 33 ккал/100 г, сырковая масса – 207 ккал/100 г, бананы – 91 ккал/100 г. Так как массовое соотношение продуктов 3:1:2:1:4, то за единицу употребления пищи принимаем следующие значения: 300 г макаронных изделий, 100 г телятины, 200 г моркови, 100 г сырковой массы, 400 г бананов. При употреблении такого количества пищи вы будете получать следующее количество энергии (Q) (ккал):

 

Q = 330,3 + 158,1 + 33,2 + 207,1 + 91,4 = 1758 ккал.

 

Если вы юноша, то в среднем потребляйте Q _ср. = 3300 ккал/сут, если девушка, то Q _ср. = 2800 ккал/сут. Найдем коэффициент умножения продуктов (n)

n = Q _ср./ Q.

Например, вы юноша, тогда n = 3300/1758 = 1,87 раза, значит вам необходимо умножить единицу потребления пищевых продуктов на величину 1,87, т. е. макаронных изделий необходимо употребить 300·1,87 = 561 г, телятины филе 100·1,87 = 187 г, моркови 200·1,87 = = 374 г, сырковой массы 100·1,87 = 187 г, бананов 400·1,87 = 748 г. Это то количество продуктов, которое вы должны употребить для удовлетворения суточной энергетической потребности организма, при определенном массовом соотношении данных продуктов.

 

Задачи

 

3.1. Вычислите, сколько тепла выделится при сгорании 100 л (н.у.) углеводорода. Реакция горения протекает по уравнению.

 

Т а б л и ц а 3.1

 

Вариант	Уравнение
	C2H6(г) + 3,5O2(г) = 2CO2(г) + 2H2O(ж) + 1559,88 кДж
	C2H2(г) + 2,5O2(г) = 2CO2(г) + H2O(ж) + 1299,63 кДж
	C2H4(г) + 3O2(г) = 2CO2(г) + 2H2O(ж) + 1410,97 кДж
	C3H8(г) + 5O2(г) = 3CO2(г) + 4H2O(ж) + 2219,99 кДж
	C3H6(г) + 4,5O2(г) = 3CO2(г) + 3H2O(ж) + 2017,64 кДж
	C4H10(г) + 6,5O2(г) = 4CO2(г) + 5H2O(ж) + 3127,94 кДж
	C4H8(г) + 6O2(г) = 4CO2(г) + 4H2O(ж) + 2718,51 кДж
	C4H6(г) + 5,5O2(г) = 4CO2(г) + 3H2O(ж) + 2543,46 кДж
	C5H12(г) + 8O2(г) = 5CO2(г) + 6H2O(ж) + 3536,19 кДж
	C5H10(г) + 7,5O2(г) = 5CO2(г) + 5H2O(ж) + 3319,51 кДж
	C3H4(г) + 4O2(г) = 3CO2(г) + 2H2O(ж) + 1944,31 кДж
	C6H6(г) + 7,5O2(г) = 6CO2(г) + 3H2O(ж) + 2120,98 кДж
	C6H12(г) + 9O2(г) = 6CO2(г) + 6H2O(ж) + 2772,47 кДж
	C6H14(г) + 9,5O2(г) = 6CO2(г) + 7H2O(ж) + 3414,22 кДж
	C6H8(г) + 8O2(г) = 6CO2(г) + 4H2O(ж) + 2331,97 кДж

 

При соединении определенного количества вещества с кислородом выделилась теплота. Определите энтальпию образования оксидов.

 

Т а б л и ц а 3.2

 

Вариант	Вещество	Масса, г	Выделенная теплота, кДж
1’	Al		836,8
2’	B	27,5	1569,0
3’	P		6192,3
4’	Fe		4100,3
5’	Si	2,8	87,2
6’	Li		1190,8
7’	Ca		2538,9
8’	Fe		539,7
9’	S		1485,3
10’	Na		416,3
11’	K		780,0
12’	Cr		285,3
13’	Zn		40,2
14’	Ca		14,0
15’	Mg		300,5

 

3.2. Не проводя расчета определите, для каких из нижеприве-денных реакций разница в значениях D H и D U будет равна нулю.

 

Т а б л и ц а 3.3

 

Вариант	Уравнения реакций	Вариант	Уравнения реакций
	А. С (т) + 1/2 О2 (г) ® СО (г) Б. С (т) + О2 (г) ® СО2 (г) В. 2С (т) + 3Н2 (г) ® С2Н6 (г)	1’	А. 1/2N2 (г) + 3/2 H2(г) ® NH3(г) Б. N2 (г) + 2H2 (г) ® N2H4 (г) В. N2(г)+ 2Н2(ж) ® N2H2 (г)
	А. S (тв) + O2 (г) ® SO2 (г) Б. S (тв) + 3/2O2 (г) ® SO3 (г) В. S (тв) + H2 (г) ® H2S (г)	2’	А. 1/2N2 (г) + 1/2O2 (г) ® NO (г) Б. 1/2N2 (г) + O2 (г) ® NO2 (г) В. N2 + 5/2O2 (г) ® N2O5 (г)
	А. H2 (г) + O2 (г) ® H2O2 (г) Б. H2 (г) + 1/2O2 (ж) ® H2O (г) В. H2 (г) + 1/2O2 (г) ® H2O (ж)	3’	А. Al (тв) + 1/2Cl2 (г) ® AlCl (г) Б. Al (тв) + 3/2Cl2 (г) ® AlCl3 (г) В. Al(тв) + 3/2Cl2(ж) ® AlCl3(тв)

 

Не проводя расчета определите, для каких из нижеприведенных реакций разница в значениях Q_v и Q_p будет наибольшей.

Т а б л и ц а 3.4

 

Вариант	Уравнения реакций	Вариант	Уравнения реакций
	А. Cl2 (г) + 1/2O2 (г) ® Cl2O (г) Б. Cl2 (г) + 5/2O2 (г) ® Cl2O5 (г) В. Cl2 (г) + 3/2O2 (г) ® Cl2O3 (г)	4’	А. C (тв) + 2H2 (г) ® CH4 (г) Б. 2C (тв) + 3H2 (г) ® C2H6 (г) В. 6C (тв) + 3H2 (г) ® C6H6 (г)

 

 

Рассчитайте изменение внутренней энергии (кДж) в химической реакции.

Т а б л и ц а 3.5

 

Вариант	Уравнения реакций	Вариант	Уравнения реакций
	2Сl2 + 2Н2О(г) = 4НСl (г) + О2	5’	2CO(г) + 2H2(г) = CH4(г) + CO2(г)
	CO2 (г) + C (к) = 2CO (к)	6’	2SO2 (г) + O2 (г) = 2SO3 (г)
	2CH4(г) = C2H4(г) + 2H2(г)	7’	COCl2(г) = CO(г) + Cl2(г)

 

Не производя вычислений установите знак следующих процессов.

 

Т а б л и ц а 3.6

 

Вариант	Уравнения реакций	Вариант	Уравнения реакций
	КCl (тв) ® КCl (водн) CaCO3 (тв) ® CaO(тв) + CO2(г)	8’	N2 (г) + 3 H2 (г) ® 2 NH3 (г) Ag+(водн) + Cl- (водн) ® ® AgCl (тв)
	CuO (тв) ® Cu(тв) + 1/2 O2(г) Cl2 (г) ® 2 Cl (г)	9’	CO2(к) = CO2(г) 2NO(г) + O2(г) = 2NO2(г)
	2H2S(г) + 3O2 = 2H2O(ж) + + 2SO2(г)	10’	MgO(к) + H2(г) = Mg(к) + + H2O(ж)
	C(граф) + CO2 = 2CO(г)	11’	CH3COOH(водн) = = CH3COO-(водн) + H+(водн)
Окончание табл. 3.6
	4HCl(г) + O2(г) = 2Cl2(г) + +2H2O(г)	12’	NH4NO3(к) = N2O(г) + 2H2O(г)
	2CO(г) + 2H2(г) = CH4(г) + +CO2(г)	13’	COCl2 (г) = CO (г) + Cl2 (г)
	2SO2 (г) + O2 (г) = 2SO3 (г)	14’	CH4(г) + 2O2(г) = CO2(г) + +2H2O(г)
	2CH4 (г) = C2H2 (г) + 3H2 (г) 2CH4 (г) = C2H4 (г) + 2H2 (г)	15’	2CO (г) + O2 (г) = 2CO2 (г) CO (г) + H2O (г) = CO2 (г) + +H2 (г)

 

3.3. Зная теплоты сгорания графита и алмаза, вычислите неподдающуюся экспериментальному определению теплоту превращения графита в алмаз:

С (графит) + О₂ = СО₂ + 393,51 кДж,

С (алмаз) + О₂ = СО₂ + 395,40 кДж.

 

3.4. Определите энтальпию гидратации соды по реакции

Na₂CO₃ + 10H₂O = Na₂CO₃ × 10H₂O,

если при растворении безводной соды

Na₂CO₃ + aq = Na₂CO₃ × aq D H = – 25,12 кДж

и при растворении кристаллогидрата

Na₂CO₃ × 10H₂O + aq = Na₂CO₃ × aq + 10H₂O D H = 66,99 кДж.

 

3.5. Для реакции 2O₃ (г) = 3O₂ (г) D H = – 288,90 кДж.

Используя D H , вычислите изменение энтальпии в реакции