МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
НИЖЕГОРОДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ им. Н.И.ЛОБАЧЕВСКОГО
ХИМИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТ
КАФЕДРА НЕОРГАНИЧЕСКОЙ ХИМИИ
Сборник задач по курсу неорганической химии
Часть 4
НИЖНИЙ НОВГОРОД, 2001
УДК 541 + 546 (079.1) Сборник задач по курсу неорганической химии: Методическая разработка для студентов 1 курса химического факультета ННГУ: Часть 4 / Сост. А.А.Сибиркин, Е.Л.Тихонова; Под общ. ред. Ю.Е.Еллиева.- Нижний Новгород, ННГУ, 2001.- 23 с.
Методическая разработка содержит задачи по химии соединений элементов-неметаллов.
Для студентов 1 курса химического факультета ННГУ.
Составители: А.А.Сибиркин, Е.Л.Тихонова
Редактор: д.х.н., профессор Ю.Е.Еллиев
Нижегородский государственный университет
им. Н.И.Лобачевского, 2001
Оглавление
ВОДОРОД. КИСЛОРОД . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
ГАЛОГЕНЫ. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
ПОДГРУППА СЕРЫ. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
АЗОТ. ФОСФОР . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .13
УГЛЕРОД. КРЕМНИЙ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
БОР. АЛЮМИНИЙ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .19
ИНЕРТНЫЕ ГАЗЫ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
Предисловие
Данное издание представляет собой сборник задач по курсу неорганической химии для студентов дневного и вечернего отделений химического факультета Нижегородского государственного университета им. Н.И.Лобачевского.
Изучение в первом семестре основ физической химии включает освоение приемов и методов решения задач и овладение новыми алгоритмами. Этому посвящены ранее вышедшие сборники задач по курсу неорганической химии (часть 1 - 3). Данное издание является их продолжением и содержит задачи по химии элементов - неметаллов, собранные в порядке изучения свойств этих элементов в соответствии с программой курса. Осмысление результатов решения предлагаемых задач направлено не только на закрепление материала первого семестра, но и способствует пониманию фактического материала неорганической химии. В процессе решения задач студент должен уяснить, что многие сведения качественного характера не требуют запоминания, поскольку могут быть получены в результате расчетов.
Составление данной методической разработки выполнили А.А.Сибиркин и Е.Л.Тихонова. Общая редакция сборника проведена профессором Ю.Е.Еллиевым.
Водород. Кислород
1. При разработке гидратной теории Д.И.Менделеев установил существование при низких температурах кристаллогидратов серной кислоты состава H2SO4 . х Н2O. Массовая доля воды в кристаллогидратах составляет соответственно 15.52, 26.87 и 42.36 % масс. Определите формулы кристаллогидратов.
2. Рассчитайте молярность раствора перманганата калия, если при взаимодействии 150 мл раствора с избытком пероксида водорода в кислой среде выделилось 31.6 мл газа, собранного над водой при 22 оC. Высота столба жидкости в эвдиометре составила 4.5 см, атмосферное давление 750 мм рт. ст., давление паров воды при этой температуре 19.83 мм рт. ст.
3. Смесь диоксида серы и кислорода объемом 100 мл (н.у.) нагрели над катализатором, в результате объем ее стал равным 80 мл (н.у.). Выделенный из полученной газовой смеси кислород пропустили через озонатор, степень превращения кислорода при этом составила 20 %. Полученный в озонаторе газ поглотили 25 мл 0.075 н. раствора иодида калия, в результате чего концентрация раствора соли уменьшилась до 0.061 н. Определите состав исходной газовой смеси.
4. Составьте схему и рассчитайте ЭДС гальванического элемента, составленного из двух водородных электродов, один из которых погружен в раствор 0.1 н. соляной кислоты, а другой - в раствор уксусной кислоты той же концентрации. Константа диссоциации уксусной кислоты равна 1.8 . 10-5.
5. В гидриде некоторого металла, проявляющего единственную степень окисления, массовая доля водорода составляет 4.17 %, а в галогениде того же металла массовая доля металла 39.32 %. Установите формулы гидрида и галогенида.
6. Растворимость азота, кислорода и аргона в 1 л воды при н.у. составляет 23.5, 48.9, 52.0 мл соответственно. Полагая, что воздух содержит 78 % азота, 21 % кислорода и 1 % аргона по объему, рассчитайте температуру замерзания воды, насыщенной воздухом. Криоскопическая константа воды равна 1.86 К . кг / моль, плотность раствора 1 г / мл.
7. Для определения молекулярной массы неэлектролита по понижению температуры замерзания навеска вещества массой 1.5011 ± 0.0002 г была растворена в 24.98 ± 0.05 мл воды. Понижение температуры замерзания составило 1.31 ± 0.01 оС. Вычислите молекулярную массу вещества, абсолютную и относительную погрешности ее определения. Криоскопическая константа воды равна 1.86 К . кг / моль, плотность воды 1 г / мл.
8. Проба газа содержит озон. После разложения озона объем газа увеличился на 1 %. Рассчитайте содержание озона в исходном газе.
9. Рассчитайте, сколько минут необходимо пропускать ток силой 6 А при напряжении 8 В через 12 л 2 М раствора сульфата натрия, чтобы получить 1.25 л газообразных продуктов электролиза, измеренных при 20 оС и давлении 98600 Па.
10. Энергия связи в молекуле водорода составляет 435 кДж / моль. Рассчитайте длину волны света, достаточную для диссоциации молекулы водорода на атомы. В какой области спектра лежат эти длины волн ?
11. Молекула кислорода диссоциирует на атомы при облучении УФ-светом с длинной волны 240 нм. Вычислите энергию связи в молекуле кислорода.
12. Рассчитайте, сколько граммов угля необходимо сжечь, чтобы нагреть 1 л воды от 20 до 100 оС. Удельная теплоемкость воды равна 4.18 Дж / (г . К), DHf (CO2 (г)) = - 393.7 кДж / моль.
13. Рассчитайте энтальпию разложения H2O2 на воду и кислород, используя следующие данные:
SnCl2 + 2 HCl + H2O2 ® SnCl4+ 2 H2O DHо1 = -393.3 кДж / моль,
SnCl2 + 2 HCl + 1/2 O2 ® SnCl4 + H2O DHо2 = -296.6 кДж / моль.
14. В 1 л водного раствора находится 3.4 г H2O2. Рассчитайте молярную концентрацию ионов H+, OH- и HO2-, а также молекул H2O2 в этом растворе, если Kw = 10-14, Ka (H2O2) = 1.4 . 10-12. Сравните результаты точного и приближенного расчетов.
15. Вычислите DH реакции
H2 (г) + 1/3 O3 (г) ® H2O (г),
если энтальпия образования воды (г) DHf = - 241.8 кДж / моль, энтальпия реакции 2 O3 (г) ® 3 O2 (г) равна DH1 = - 288.9 кДж / моль.
16. Вычислите константу равновесия Кр диссоциации H2O на атомы, если при 3500 К и общем давлении 5 атм степень диссоциации составляет 3.5 %.
17. Для реакции
H2О (г) + С (т) ® СО (г) + H2 (г)
DGо (600 К) = 50.96 кДж / моль, DGо (700 К) = 34.70 кДж / моль. Вычислите DНо и DSо этой реакции, считая их постоянными в интервале температур от 600 К до 700 К.
18. Навеску 100 г льда, имеющего температуру 0 оС, опустили в 100 г воды с температурой 50 оС. Какую температуру будет иметь вода после расплавления льда? Удельная теплоемкость воды равна 4.18 Дж / г . К, DHf (Н2О (ж)) = - 285.84 кДж / моль, DHf (Н2О (т)) = = - 291.85 кДж / моль.
19. Рассчитайте молекулярную массу Н2О2 в водном растворе, если раствор 1.567 г Н2О2 в 103 г воды замерзает при - 0.829 оС. Криоскопическая константа воды 1.86 К . кг / моль.
20. К 50 мл смеси кислорода и озона добавлено 200 мл водорода. Объем газов после окончания реакции составил 92 мл. Рассчитайте объемные доли кислорода и озона в исходной смеси газов.
21. При 5 оС коэффициент абсорбции Бунзена для водорода равен 0.0204. Вычислите процентную концентрацию насыщенного водородом водного раствора при Р (H2) = 1 МПа.
ГАЛОГЕНЫ
1. Образец диоксида марганца массой 2.5 г обрабатывают 30 мл 38 % HCl (r = 1.189 г / см3). Выделившийся газ полностью поглощают горячим раствором едкого кали. Выпавший при охлаждении полученного раствора осадок нагревают при 60 оС со щавелевой кислотой. Установите природу и рассчитайте объем выделяющегося газа. Растворимостью целевого продукта в охлажденном растворе можно пренебречь.
2. Раствор хлорида калия с массовой долей соли 3.1 % начинает кристаллизоваться при температуре - 1.39 оС. Рассчитайте осмотическое давление раствора при 20 оС. Для выполнения линейной интерполяции примите, что плотности 2 % и 4 % растворов данной соли составляют соответственно 1.011 и 1.024 г / см3.
3. Пользуясь термохимическими уравнениями
KClO3 (т) ® КCl(т) + 3/2 O2 (г) DH1 = - 44.6 кДж / моль,
KClO4 (т) ® KСl (т) + 2 O2(г) DH2 = - 2.4 кДж / моль,
рассчитайте энтальпию диспропорционирования 6.125 г бертолетовой соли.
4. Хлорид натрия массой 10 г обработали 30 мл концентрированной серной кислоты (w = 96 %, r = 1.84 г / см3). Выделившийся газ полностью поглотили водой и охладили до комнатной температуры. Объем полученного раствора составил 150 мл, плотность 1.015 г / см3. Рассчитайте выход продукта, если плотность 4 % раствора газообразного продукта составляет 1.019 г / см3.
5. В образце КВr было найдено 67.03 % брома (по массе). Вычислите абсолютную и относительную погрешности этого результата.
6. Атомная масса хлора равна 35.453 а.е.м. Природный хлор содержит два изотопа 35Cl и 37Cl, имеющих атомные массы 34.969 а.е.м. и 36.966 а.е.м. соответственно. Рассчитайте массовую и молярную долю изотопов в природном хлоре.
7. Пользуясь следующими значениями энтальпий образования атомов, молекул и ионов
DHf (Cl (г)) = 121.31 кДж / моль, DHf (Cl+ (г)) = 1383.69 кДж / моль,
DHf (Cl- (г)) = - 233.62 кДж / моль, DHf (Cl- (р)) = - 167.11 кДж / моль,
DHf (Cl2 (р)) = - 26.78 кДж / моль, DHf (Cl2+ (г)) = 1107.92 кДж / моль,
рассчитайте: а) энергию ионизации атома хлора; б) сродство атома хлора к электрону; в) энергию гетеролитического разрыва связи в молекуле хлора; г) энергию атомизации молекулы хлора; д) энтальпию гидратации хлорид-иона; е) энтальпию растворения хлора в воде; ж) энергию ионизации молекулы хлора.
8. Константа равновесия Кр реакции 2HI (г) ® H2 (г) + I2 (г) при 360 оС равна 0.0162, а при 445 оС - 0.0240. Рассчитайте DHо и DSо реакции.
9. Энергия активации реакции разложения иодоводорода составляет 185 кДж / моль. Рассчитайте долю активных молекул при 500, 1000 и 1500 К.
10. Установите, в каком состоянии (молекулярном, ассоциированном или диссоциированном) находится иод, растворенный в нитробензоле С6Н5NO2, если раствор 0.148 г иода в 22.405 г нитробензола замерзает при 5.35 оС. Температура замерзания нитробензола равна 5.82 оС, его криоскопическая константа 8.1 К . кг / моль.
11. Константа диссоциации HF в водном растворе Ка = 6.6 . 10-4. Константа скорости элементарной реакции H+ + F- ® HF составляет 1 . 1011 л / (моль . с) при 25 оС. Вычислите константу скорости диссоциации фтороводорода.
12. На титрование раствора, содержащего 0.2023 г Na2CO3, израсходовано 20.18 мл раствора соляной кислоты. Рассчитайте молярность и титр раствора HCl, а также титр этого раствора по карбонату натрия.
13. Рассчитайте константы равновесия при 25 оС процессов
I2 (к) + I- (p) ® I3- (p) и
I2 (p) + I- (p) ® I3- (p),
если растворимость кристаллического иода в чистой воде составляет 0.0013 моль / л, а в 0.1 М растворе KI - 0.0514 моль / л.
14. Для окисления 7.6 г FeSO4 в сернокислом растворе требуется 115 мл бромной воды. Рассчитайте растворимость (моль / л) брома в воде.
15. Рассчитайте ЭДС гальванического элемента
Pt, H2 | 0.1 M HF || 0.1 M HCl | H2, Pt,
если стандартный потенциал полуреакции 2H+ + 2e- ® H2 Eо = 0.0 B, Ka (HF) = 6.6 . 10-4 (при 298 К).
16. Рассчитайте интервал pH, в котором возможно окисление бромид-ионов бромат-ионами, если известны стандартные электродные потенциалы полуреакций:
Br2 + 2 e- ® 2 Br - Eо1 = 1.09 B,
2 BrO3- + 12 H+ + 10 e- ® Br2 + 6 H2O Eо2 = 1.52 B.
Примите, что процесс имеет место, если при [Br -] = 0.1 моль / л и [BrO3-] = 0.1 моль / л концентрация брома достигает 0.001 моль / л.
17. Степени термической диссоциации молекул хлора, брома и иода при 1000 К и 1 атм соответственно равны 3.5 . 10-4, 2.3 . 10-3 и 2.8 . 10-2. Рассчитайте константы равновесия Кр и Кс этих процессов.
18. Рассчитайте рН 0.1 М раствора фтороводорода (Ka = = 6.6 . 10-4) и иодоводорода (a = 0.9).
19. Энергия диссоциации HI равна 298.4 кДж / моль. Установите, возможно ли разложить HI на элементы при облучении УФ-светом с длиной волны 200 нм. Рассчитайте, какую энергию необходимо затратить для разложения 5 мг HI.
20. Навеску массой 154.36 г, содержащую HIO3 и H5IO6, нагревают при 250 оС до прекращения выделения газовой смеси. Водяной пар конденсируют, а другой газ в объеме 6.72 л (н.у.) собирают. Определите массу твердого продукта.
21. Проведя необходимые расчеты, покажите, возможно ли в закрытой системе образование газообразных Cl2O, ClO2 и Cl2O7 из простых веществ, если:
DHf (Cl2O) = 76 кДж / моль, Sо (Cl2O) = 266 Дж / моль . K,
DHf (ClO2) = 104 кДж / моль, Sо (ClO2) = 254 Дж / моль . K,
DHf (Cl2O7) = 287 кДж / моль, Sо (Cl2O7) = 565 Дж / моль . K,
Sо (O2) = 205 Дж / моль . K , Sо(Cl2) = 223 Дж / моль . K.
22. На приготовление 20 л хлорной воды израсходовано 0.448 л хлора (н.у.), который полностью перешел в раствор. Определите рН хлорной воды, если степень гидролитического диспропорционирования хлора в воде составляет 48.5 %. Константа диссоциации хлорноватистой кислоты 5 . 10-8.
23. Определите массовую долю КI в водном растворе, если для перевода этого вещества, содержащегося в 15.43 мл раствора (r = 1.076 г / мл), в HIO3 потребовалось 0.672 л (н.у.) хлора.