Zadachi_po_khimii

12

30.Чем отличаются кристаллические решетки CaF2, NH3 и Cu? Дайте ответ, определив тип химической связи в этих соединениях.

31.Что представляет собой гибридизация атомных орбиталей? Перечислите основные типы гибридизации. Рассмотрите структуру молекул ВF3 и NН3.

32.Какие типы химической связи имеются в следующих веще-

ствах: CsCl, [Cu(NH3)4]SO4? Укажите конкретно, какие связи соответствуют какому типу.

33.Какие связи участвуют в образовании молекулы ацетилена С2Н2? Ответ поясните схемой конфигурации молекулы.

34.Как определяется дипольный момент молекулы? Полярна ли молекула Н2О? Опишите ее строение.

35.Какая химическая связь называется водородной? Между мо-

лекулами каких веществ она образуется? Почему H2O и HF, имея меньшую молекулярную массу, плавятся и кипят при более высокой температуре, чем их аналоги?

36.Важными параметрами химической связи являются её длина и энергия. Дайте им определение. Поясните, какая связь более прочная в молекуле O2 или N2?

37.Молекулярные ионы N2+, NO¯ являются важнейшими компонентами верхних слоев атмосферы. Определите, какой из них более стабилен. Для решения используете метод молекулярных орбиталей и расчет кратности связи.

38.Объясните, почему отрыв одного электрона от молекулы O2 приводит к упрочнению связи, а от молекулы H2 – к её ослаблению. Объяснение дайте на основе метода молекулярных орбиталей.

39.Перекрывание каких атомных орбиталей приводит к образованию ковалентной σ-связи и ковалентной π-связи? Приведите примеры.

40.В ионосфере, расположенной на высоте 80 км от Земли, под

действием космических лучей образуются молекулярные ионы O2¯, O2+. Используя метод молекулярных орбиталей,

13

постройте для указанных ионов энергетические диаграммы, укажите число электронов на связывающих и разрыхляющих орбиталях, определите кратность связи и сделайте вывод, какой из этих ионов более стабилен.

Тема 3. Термохимические расчёты

Пример 1. Реакция горения аммиака выражается термохимическим уравнением:

4NH3(г)+3О2(г)=2N2(г)+6Н2О(г); ∆H= –1268,68 кДж.

Вычислите теплоту образования NН3(г).

Решение. Стандартная энтальпия образования газообразной воды ∆H Ho 2O = -241,98 кДж/моль (табл. 6). О2 и N2 – простые

вещества, для которых ∆H°=0. Обозначив ∆H NHo 3 через x, полу-

чим в соответствии с законом Гесса: ∆H = 6∆H Ho 2O - 4x. Подста-

новка значений даёт: x= (-6 241,98 + 1268,68)/4= -45,8 кДж/моль.

Пример 2. Рассчитайте стандартную энтальпию образования метана, исходя из следующих термохимических уравнений:

Н2(г)+1/2О2(г)=Н2О(ж); ∆H= –285,84 кДж;

С(к)+О2(г)=СO2(г); ∆H= –393,78 кДж;

СН4(г)+2O2(г)=2Н2O(ж)+СO2(г); ∆H= –890,61 кДж.

Решение. Первое и второе термохимические уравнения соответствую реакциям образования воды и диоксида углерода из простых веществ. Следовательно, ∆H этих реакций – и есть стандартные энтальпии образования соответствующих веществ (ср. с данными табл. 6). Тогда, аналогично примеру 1 обозначаем

∆HCHo 4 через x и для третьей реакции получаем уравнение: ∆H= ∆HCOo 2 + 2∆H Ho 2O – x. Решаем его относительно x и получаем

∆HCHo 4 = –74,85 кДж/моль.

Задачи

41.Рассчитайте стандартную энтальпию образования бензола, исходя из термохимического уравнения реакции:

С6Н6(ж)+1/2O2(г)=6СО2(г)+ЗН2О(ж); ∆H= –3136,3 кДж.

14

42.Рассчитайте количество теплоты, выделяющейся при получении 269 г хрома методом алюминотермии:

Сr2О3(к)+2А1(к)=А12О3(к)+2Сr(к).

43.Термохимическое уравнение взаимодействия оксида кальция с водой:

СаО(к)+Н2О(ж)=Са(ОН)2(к); ∆H= –62,27 кДж.

Вычислите стандартную энтальпию образования СаО.

44.Какое количество теплоты выделится при взаимодействии 25 г Na2O с водой? Уравнение реакции:

Na2O(к)+Н2О(ж)=2NаОН(к).

45.Какое количество теплоты выделится при сгорании 19,5 г бензола? Уравнение реакции:

2С6Н6(ж)+15O2(г)=12СO2(г)+6Н2O(ж).

46.Термохимическое уравнение реакции восстановления железа монооксидом углерода:

FeO(к)+СО(г)=Fe(к)+СО2(г); ∆H= –13,18 кДж.

Вычислите стандартную энтальпию образования FeO.

47.Какое количество теплоты выделится при получении 52 кг железа методом алюминотермии? Уравнение реакции:

Fe2O3(к)+2А1(к)=А12О3(к)+2Fe(к).

48. Исходя из термохимического уравнения реакции: 4NH3(г)+5О2(г)=4NO(г)+6Н2О(г); ∆H= –897,37 кДж,

вычислите стандартную энтальпию образования воды.

49.Рассчитайте тепловой эффект реакции термического разложения карбоната кальция и составьте соответствующее термохимическое уравнение.

50.Вычислите теплоту образования оксида меди(II), зная, что тепловой эффект реакции СuО(к)+С(к)=Сu(к)+СО(г) в изобарных условиях ∆H= +44,45 кДж.

51.Газообразный этиловый спирт С2Н5ОН можно получить при взаимодействии этилена C2H4(г) и водяных паров. Составьте термохимическое уравнение этой реакции, вычислив ее тепловой эффект.

15

52.Вычислите тепловой эффект реакции восстановления оксида железа(II) водородом, исходя из следующих термохимических уравнений:

FeO(к)+CO(г)=Fe(к)+CO2(г); ∆H= –13,18 кДж;

СО(г)+1/2O2(г)=СО2(г); ∆H= –283,0 кДж; Н2(г)+1/2O2(г)=Н2O(г); ∆H= –241,83 кДж.

53.Напишите термохимическое уравнение реакции между

СО(г) и водородом, в результате которой образуются СН4(г) и Н2О(г). Какое количество теплоты выделится при получении этим способом 11,2 л метана в пересчете на нормальные условия?

54.Кристаллический хлорид аммония образуется при взаимодействии газообразных аммиака и хлорида водорода. Составьте термохимическое уравнение этой реакции, вычислив ее тепловой эффект. Какое количество теплоты выделится, если израсходовать аммиак, занимающий объем 5,6 л при нормальных условиях?

55.Вычислите теплоту образования гидроксида кальция, исходя из следующих термохимических уравнений:

Са(к)+1/2О2(г)=СаО(к); ∆H= –635,60 кДж;

Н2(г)+1/2O2(г)=Н2O(ж); ∆H= –285,84 кДж; СаО(к)+Н2O(ж)=Са(ОН)2(к); ∆H= –65,06 кДж.

56.При сгорании газообразного аммиака образуются пары воды и монооксид азота NO(г). Напишите термохимическое уравнение этой реакции, вычислив ее тепловой эффект при постоянном давлении. Какое количество теплоты выделится в расчёте на 22,4 л аммиака при нормальных условиях?

57.Напишите термохимическое уравнение реакции полного сгорания этилового спирта. Вычислите теплоту образования

C2H5OH(ж), если известно, что при сгорании 11,5 г жидкого этанола выделилось 308,71 кДж теплоты.

58.Реакция горения бензола выражается стехиометрическим уравнением: С6Н6(ж)+71/2О2(г)=6СO2(г)+ЗН2О(г). Вычислите тепловой эффект этой реакции.

16

59.Вычислите тепловой эффект и напишите термохимическое

уравнение реакции горения этана С2Н6(г). Какое количество теплоты выделится при сгорании этана, занимающего объём 1 м3 при нормальных условиях?

60.При получении 0,5 моля гидроксида кальция из СаО(к) и

Н2О(ж) выделяется 32,53 кДж теплоты. Напишите термохимическое уравнение этой реакции и вычислите теплоту образования оксида кальция.

Тема 4. Направление химических реакций

Пример. Вычислите изменение изобарно-изотермического потенциала для реакции SnO2(к)+Sn(к)=2SnO(к) при стандартных условиях. Может ли эта реакция протекать самопроизвольно при стандартной температуре? Если нет – рассчитайте, при каких температурах этот процесс осуществим.

Решение. Находим в табл. 6 стандартные значения энтальпии образования ∆H° и абсолютной энтропии S° веществ, участвующих в реакции:

∆HSnOo 2 = –581,17 кДж/моль, ∆HSnOo = –286,17 кДж/моль, олово

– простое вещество, следовательно ∆HSno =0.

SSnOo 2 = 52,3 Дж/моль K, SSnOo = 56,7 Дж/моль K,

SSno = 51,4 Дж/моль K.

Изменение изобарно-изотермического потенциала (свободной энергии Гиббса) в процессе выражается через величины изменений энтальпии и энтропии: ∆G= ∆H–T ∆S, где T – абсолютная температура.

Для вычисления ∆H и ∆S данной химической реакции используем соотношения, следующие из закона Гесса:

∆H=2 ∆HSnOo – ∆HSnOo 2 = =2(–286,17)–(–581,17)=9,17 кДж, ∆S=2 SSnOo – SSnOo 2 – SSno = =2(56,7)–52,3–51,4=9,7 Дж/K.

Учитывая размерности величин ∆H и ∆S и подставив в выражение для расчёта ∆G° значение стандартной температуры

T=298 K, получаем: ∆G°=9,17–298 9,7 10–3=6,3 кДж.

17

Таким образом, изменение свободной энергии оказывается положительным. Следовательно, при стандартных условиях процесс восстановления SnO2 оловом невозможен.

Если положить ∆H и ∆S независящими от температуры, то можно определить, при каких температурах ∆G меняет знак на противоположный: очевидно, Tx должна удовлетворять условию

∆H-Tх ∆S= 0. Отсюда Tx= ∆H/ ∆S=9170/9,7=945 K. Эту темпера-

туру принято называть температурой начала реакции. Следовательно, при T>945 K ∆G<0 и реакция восстановления SnO2 оловом будет протекать самопроизвольно.

Задачи

61.Вычислите изменение изобарно-изотермического потенциа-

ла для реакции А12О3(к)+ЗСО(г)=2А1(к)+ЗСО2(г) при стандартных условиях. Может ли такой процесс в этих условиях протекать самопроизвольно?

62.Вычислите изменение свободной энергии Гиббса для реакции С2Н2(г)+21/2О2(г)=2СO2(г)+Н2О(г) при стандартной температуре. Может ли эта реакция протекать самопроизвольно в стандартных условиях?

63.Вычислите ∆G° для реакции ВаСО3(к)=ВаО(к)+СО2(г). При каких температурах термическое разложение карбоната бария протекает самопроизвольно?

64.Вычислите изменение изобарно-изотермического потенциа-

ла ∆G° для реакции SiO2(к)+2СО(г)=Si(к)+2СО2(г) при стандартных условиях. Может ли эта реакция при указанных условиях протекать самопроизвольно?

65.Вычислите ∆G° для реакции MgO(к)+СО2(г)=MgCО3(к). Может ли эта реакция протекать самопроизвольно при стандартных условиях?

66.Вычислите изменение изобарно-изотермического потенциа-

ла для реакции 2А12О3(к)+ЗС(к)=4А1(к)+ЗСО2(г) при стандартных условиях. При каких температурах возможно восстановление алюминия углеродом?

18

67.Возможно ли при стандартных условиях протекание реакции, описывающейся термохимическим уравнением:

Fe2O3(к)+ЗН2(г)=2Fe(к)+ЗН2О(г); ∆H=96,6 кДж?

При какой температуре начнется восстановление Fe2О3 водородом?

68. Рассчитайте изменение энтропии для следующих реакций: С(графит)+О2(г)=СО2(г);

2СН4(г)=С2Н2(г)+ЗН2(г).

Объясните наблюдающуюся разницу в величинах ∆S.

69.При какой температуре начнется термическая диссоциация хлорида фосфора(V)? Термохимическое уравнение реакции:

РС15(г)=РС13(г)+С12(г); ∆H=92,6 кДж.

70.Восстановление Fe3О4 оксидом углерода идет по уравнению: Fe3O4(к)+СО(г)=3FeO(к)+СО2(г). Вычислите ∆G° и сделайте вывод о возможности самопроизвольного протекания этой реакции. При какой температуре реакция пойдёт в прямом направлении?

71.Вычислите ∆G° для реакции MgO(к)+SO3(г)=MgSO4(к). Возможно ли её самопроизвольное протекание при стандартных условиях?

72.Чем можно объяснить, что при стандартных условиях экзотермическая реакция, протекающая по уравнению:

Н2(г)+СО2(г)=СО(г)+Н2О(ж),

в прямом направлении не протекает?

73.В каком направлении при стандартных условиях смещено

равновесие для химической реакции 2NO(г)+О2(г)=2NO2(г)? Ответ мотивируйте, вычислив ∆G° прямой реакции.

74.Рассчитайте ∆G° реакции, протекающей по уравнению

NH3(г)+НСl(г)=NH4C1(к).

Может ли эта реакция при стандартных условиях протекать самопроизвольно в прямом направлении?

75.Реакция взаимодействия метана с диоксидом углерода, протекающая по термохимическому уравнению

СН4(г)+СО2(г)=2СО(г)+2Н2(г); ∆H=247,37 кДж,

19

сопровождается поглощением теплоты. При каких температурах возможна эта эндотермическая реакция?

76. Вычислите ∆G° реакции, протекающей по уравнению

4NH3(г)+5О2(г)=4NO(г)+6Н2О(г).

Возможно ли самопроизвольное протекание этой реакции при стандартных условиях?

77.Определите возможность самопроизвольного протекания

реакции СО2(г)+4Н2(г)=СН4(г)+2Н2О(ж) при стандартных условиях.

78.Вычислите изменение энтропии в результате реакции образования аммиака из азота и водорода. Чем можно объяснить отрицательное значение ∆S?

79.Какие из карбонатов: ВеСО3, СаСО3 или ВаСО3 – можно получить при стандартных условиях по реакции взаимодейст-

вия соответствующих оксидов с СО2? Какая из этих реакций должна протекать наиболее интенсивно?

80.Вычислите ∆G° реакции, протекающей по уравнению

С2Н4(г)+3О2(г)=2СО2(г)+2Н2О(ж),

и сделайте вывод о возможности самопроизвольного протекания этой реакции при стандартных условиях.

Тема 5. Кинетика химических реакций

Пример 1. Вычислите время, необходимое для пиролиза половины первоначально имевшегося количества ацетона, если константа скорости этой реакции равна 0,0112 мин–1.

Решение. Реакция пиролиза ацетона является реакцией первого порядка, протекающей по схеме:

CH3COCH3→СH4+CH2CO.

Исходная концентрация ацетона – С0. Через время t концентрация ацетона С=С0/2. Используем уравнение, выражающее зависимость концентрации от времени для реакции первого поряд-

ка: ln CC0 = kt , где k – константа скорости реакции и С0/C=2. Та-

ким образом, t=ln2/0,0112 [мин], откуда t=62 мин.

20

Пример 2. Для некоторой реакции первого порядка константа скорости реакции при Т1=10°С k1=1,08 10-4с-1, а при Т2=60°С k2=5,484 10-2с-1. Определите температурный коэффициент скорости и энергию активации этой реакции.

Решение. По эмпирическому правилу Вант-Гоффа

Поскольку скорость реакции прямо пропорциональна константе скорости, подобное соотношение можно применять и к константам скорости при различных температурах, то есть, в данном случае:

8,314 1884,78 6,23=97624, т.е., искомое значение энергии ак-

тивации данной реакции Ea=97,624 кДж/моль.

Задачи

81.Скорость реакции А+2В→С при концентрациях вещества А, равной 0,5 моль/л, и вещества В, равной 0,6 моль/л, равна 0,018 моль/л с. Вычислить константу скорости реакции.

82.Константа скорости реакции, протекающей по схеме 2А+В→С, равна 5 10-4 л2/моль2 с. Вычислите скорость реак-

21

ции, если концентрации веществ А и В соответственно равны 0,6 и 0,8 моль/л.

83.Реакция между веществами А и В протекает по схеме А+2В→С. Начальные концентрации веществ А и В соответ-

ственно равны 0,3 и 0,5 моль/л. Константа скорости реакции равна 0,4 л2/моль2 с. Вычислите начальную скорость реакции и скорость реакции в момент времени, когда концентрация вещества А уменьшится на 0,1 моль/л.

84.При какой температуре следует проводить реакцию, чтобы скорость ее была в 10 раз меньше скорости реакции, проводимой при 50°С? Температурный коэффициент скорости реакции равен 2,5.

85.Две реакции при 10°С протекают с одинаковой скоростью. Температурный коэффициент скорости первой реакции равен 2, второй 3. Как изменится соотношение скоростей реакций, если проводить их при 50°С?

86.Как изменится скорость химической реакции при увеличении температуры от 100 до 140°С, если температурный коэффициент скорости равен 2? За какое время завершится реакция при 140°С, если при 100°С она протекает за 10 мин?

87.Исходная температура среды 300 К. При какой температуре скорость реакции возрастет в 1200 раз? Температурный коэффициент скорости реакции равен 2,3. Рассчитайте энергию активации этой реакции.

88.При разложении карбоната кальция по схеме

CaCO3→СаО+СО2

через 3 часа 25 мин непрореагировавшей осталась 0,1 часть первоначального количества реагента. Вычислите константу скорости реакции.

89.Вычислите время, необходимое на термическое разложение

паров ацетона наполовину, если константа скорости этого процесса равна 0,0112 мин-1.

90.При 150°С некоторая реакция заканчивается за 16 мин. Вычислите, за какое время закончилась бы эта же реакция при