Мачула А.А. Сборник задач по курсу Общая и неорганическая химия

11.В сосуде объемом 2 л смешали газ А количеством вещества 4,5 моль и газ В количеством вещества 3 моль. Газы реагируют в соответствии с уравнением А + В = С. Через 20 секунд в системе образовался газ С количеством вещества 2 моль. Определить среднюю скорость реакции. Какие количества веществ А и В не прореагировали?

12.Реакция между веществами А и В выражается уравнением А + В → С. Начальные концентрации составляют [Α]Ο = 0,03 моль/л, [Β]Ο = 0,05 моль/л. Константа скорости реакции равна 0,4. Найти начальную скорость реакции и скорость реакции по истечении некоторого времени, когда концентрация образовавшегося вещества С станет равна 0,01 моль/л.

13.Реакция между газообразными веществами А и В выражается уравнением А + В → С. Начальные концентрации веществ составляют [Α]0 = 0,03 моль/л, [Β]0 = 0,03моль/л. Константа скорости реакции равна 0,1. По истечении некоторго времени концентрация вещества А уменьшилась на 0,015 моль/л. Во сколько раз необходимо увеличить общее давление, чтобы скорость химической реакции стала равной первоначальной скорости?

14.На сколько градусов надо увеличить температуру, чтобы скорость реакции возросла в 27 раз? Температурный коэффициент скорости реакции равен 3.

15.При 20оС реакция протекает за 2 минуты. За сколько времени будет протекать эта реакция а) при 50оС, б) при 0оС ? Температурный коэффициент скорости реакции равен 2.

16.При температуре 30оС реакция протекает за 25 минут, а при 50оС за 4 минуты. Рассчитать температурный коэффициент скорости реакции.

51

17.Скорость реакции при 0оС равна 1 моль/л с. Вычислить скорость этой реакции при 30оС, если температурный коэффициент скорости равен 3.

18.При повышении температуры на 50оС скорость реакции выросла в 32 раза. Вычислить температурный коэффициент скорости химической реакции.

19.Две реакции протекают при 25оС с одинаковой скоростью. Температурный коэффициент скорости первой реакции равен 2,0, а второй - 2,5. Найти отношение скоростей этих реакций при

95оС.

20.Чему равна энергия активации реакции, если при повышении температуры от 290 до 300 К скорость реакции увеличивается в 2 раза?

21.Во сколько раз увеличится скорость реакции, протекающей при 298 К, если в результате использования катализатора удалось уменьшить энергию активации на 4 кДж/моль?

22.Каково значение энергии активации реакции, скорость которой при 300 К в 10 раз больше, чем при 280 К.

23.Энергия активации реакции О3(г) +NO(г) → О2(г) +NO2(г) равна 40 кДж/моль. Во сколько раз изменится скорость реакции при повышении температуры от 27 до 37оС?

24. Один катализатор снижает энергию активации при 300 К на 20 кДж/моль, а другой -на 40 кДж/моль. Какой катализатор эффективнее? Ответ обосновать расчетом отношения скоростей реакций при использовании того или иного катализатора.

25. При 150оС некоторая реакция заканчивается за 16 минут. Принимая температурный коэффициент скорости реакции равным 2,5, рассчитать, через какое время закончится эта реакция, если проводить ее а) при 200оС, б) при 80оС.

52

26.При повышении температуры на 10оС скорость химической реакции вырастает в 2 раза. При 20оС она равна 0,04 моль/(л с). Какова будет скорость этой реакции при а) 40оС, б)0оС?

27.При 20оС скорость химической реакции равна 0,04 моль/(л с). Рассчитать скорость этой реакции при 70оС, если известно, что энергия активации равна 70 кДж/моль.

28.Вычислить температурный коэффициент реакции γ, если константа скорости этой реакции при 120оС равна 5,88 10-4, а при

170оС - 6,7 10-2.

29.Во сколько раз изменится скорость химической реакции при увеличении температуры от 300 К до 400 К, если температурный

коэффициент γ = 2? Чему равна энергия активации этой реакции?

30.Во сколько раз увеличится скорость химической реакции А + 2В → С при повышении давления в системе в 4 раза и одновременном повышении температуры на 40оС. Реагирующие вещества - газы. Температурный коэффициент реакции равен 2.

31.Во сколько раз уменьшится скорость химической реакции 2А(г)

+В(г) → 2С(г) при уменьшении давления всех веществ в системе в 3 раза и одновременном понижении температуры системы на

30оС? Температурный коэффициент скорости реакции γ равен 2. 32. Реакция между газообразными веществами А и В выражается уравнением А + В → С. Начальные концентрации веществ составляют [Α]0 = 0,05 моль/л и [В]0 = 0,05 моль/л. По истечении некоторого времени концентрация веществ уменьшилась вдвое. Определить, как необходимо изменить температуру, чтобы скорость реакции стала равной первоначальной скорости, если а) температурный коэффициент реакции равен 2, б) энергия активации равна 70 кДж, температура протекания реакции –

27оС?

53

33. Известно, что при повышении температуры от 290 до 300 К скорость химической реакции возрастает в два раза. Рассчитать энергию активации. Как изменится скорость этой реакции при 310 К, если в систему ввести катализатор, понижающий энергию активации этой реакции на 10 кДж/моль?

Химическое равновесие

1.При некоторой температуре равновесие в системе 2NO2 ↔2NO+O2 установилось при концентрациях [NO]=0.4 моль/л, [NO2]=0.2 моль/л, [O2]=0.1 моль/л. Найти константу равновесия и исходную концентрацию NO2, если исходная концентрация кислорода равна нулю. Какие условия будут способствовать смещению равновесия в сторону образования NO, если прямая реакция эндотермическая?

2.Константа равновесия системы А+В↔С+D равна единице. Сколько процентов вещества А подвергнется превращению, если смешать 3 моля вещества А и 5 молей вещества В? Какие условия будут способствовать смещению равновесия в сторону образования В, если прямая реакция экзотермическая?

3.Для системы

СО(Г)+H2O(Г)↔CO2(Г)+H2(Г)

[CO]0=[H2O]0=0.03 моль/л, [CO2]0=[H2]0=0. Рассчитать константу равновесия, если равновесная концентрация углекислого газа равна 0.01 моль/л. Какие условия будут способствовать смещению равновесия в сторону образования СО, если прямая реакция эндотермическая?

4. Для системы

2NO(Г)+Cl2(Г)↔2NOCl(Г)

[NO]0=0.5 моль/л, [Cl2]0=0.2 моль/л, [NOCl]0=0 моль/л . Найти константу равновесия, если к моменту его наступления прореагировало 20% оксида азота. Какие условия будут

54

способствовать смещению равновесия в сторону образования NOCl, если прямая реакция экзотермическая?

5. Рассчитать равновесные концентрации всех веществ в системе

H2(Г) + I2(Г) ↔2HI(Г),

если в сосуд емкостью 10 литров поместить 1 моль йода и 2 моля водорода (КС=50). Какие условия будут способствовать смещению равновесия в сторону образования йода, если прямая реакция экзотермическая?

6.Для системы СО(Г)+H2O(Г)↔CO2(Г)+H2(Г) , [CO]0=[H2O]0=1 моль/л, [CO2]0=[H2]0=0. Рассчитать состав равновесной смеси (%об.), если константа равновесия КС=1. Какие условия будут способствовать смещению равновесия в сторону образования водорода, если обратная реакция экзотермическая?

7.В замкнутом сосуде протекает реакция АВ(Г) ↔А(Г) +В(Г). Константа равновесия КС=0.04. Найти начальную концентрацию АВ , если равновесная концентрация АВ равна 0.02 моль/л. Какие условия будут способствовать смещению равновесия в сторону образования А, если обратная реакция экзотермическая?

8.В замкнутом сосуде объемом 10 л при температуре 800˚С установилось равновесие CaCO3(Т) ↔CaO(Т)+CO2(Г) . Константа равновесия КР=300 кПа. Какая масса СаСО3 разложилась? Какие условия будут способствовать смещению равновесия в сторону образования углекислого газа, если прямая реакция эндотермическая?

9.В замкнутом сосуде при некоторой температуре установилось равновесие Fe(Т)+H2O(Г) ↔FeO(Т)+Н2(Г). Определить долю прореагировавшей воды, если КР=1, а исходное парциальное давление водорода равно нулю. Какие условия будут способствовать смещению равновесия в сторону образования водорода, если обратная реакция экзотермическая?

55

10.Определить равновесную концентрацию водорода в системе 2HI(Г) ↔H2(Г)+I2(Г), если исходная концентрация HI составляла 0.05 моль/л, а константа равновесия КС=0.02. Какие условия будут способствовать смещению равновесия в сторону образования НI, если прямая реакция эндотермическая?

11.Для системы С(Т)+СО2(Г) ↔2СО(Г) константа равновесия КС=2. Найти равновесную концентрацию СО2 для начальных условий [CO2]0=0, [CO]0=5 моль/л. Какие условия будут способствовать смещению равновесия в сторону образования СО, если прямая реакция эндотермическая?

12.Для системы С2Н6(Г)↔С2Н4(Г)+Н2(Г) равновесные концентрации веществ соответственно равны 0.2, 0.4, 0,4 моль/л. При каких концентрациях веществ равновесие установится вновь, если его нарушить удалением всего С2Н4? Какие условия будут способствовать смещению равновесия в сторону образования этана, если прямая реакция эндотермическая?

13.Для системы 2AlCl3 (г) ↔ Al2Cl6 (г) константа равновесия при некоторой температуре равна 1. Найти равновесную концентрацию продукта прямой реакции, если исходные концентрации веществAlCl3 и Al2Cl6 соответственно составляли 2 и 3 моль/л. Какие условия будут способствовать смещению равновесия вправо, если прямая реакция экзотермическая?

14.Для системы SbCl3 (г)+ Cl2 (г) ↔ SbCl5 (г) найти константу равновесия, если известно, что к моменту наступления равновесия прореагировало 80% SbCl3, а начальные концентрации SbCl3 , Cl2 и SbCl5 равны соответственно 1, 2, и 1.5 моль/л. Какие условия способствуют смещению равновесия влево, если прямая реакция экзотермическая?

15. Для системы SO2 (г) + Cl2 (г) ↔ SO2Cl2 (г) найти равновесную концентрацию SO2Cl2, если константа равновесия равна 1.5, а исходные концентрации SO2, Cl2 и SO2Cl2 равны соответственно

56

2, 1 и 0 моль/л. Какие условия способствуют смещению равновесия вправо, если прямая реакция экзотермическая?

6.Элементы химической термодинамики

Квеличинам, характеризующим химические системы, относятся внутренняя энергия (U), энтальпия (Н), энтропия (S) и энергия Гиббса (изобарно-изотермический потенциал (G). Они связаны между собой следующими соотношениями:

Н= U + p V,

G = Н - T S,

где p, V, Т - соответственно давление, объем и температура. Поскольку U, H, S представляют собой функции состояния системы, т.е. не зависят от способа и пути, которыми это состояние достигнуто, то их изменение может быть определено как разность между их значениями в конечном и начальном состояниях.

Протекание химических реакций связано с изменением этих термодинамических величин и сопровождается выделением или поглощением энергии в виде теплоты или в виде работы. При этом, согласно первому началу термодинамики, количество энергии, которое выделяется или поглощается системой, равно изменению внутренней энергии dU этой системы.

dU = δQ - p dV, (1)

где δQ - тепловая энергия, которая поглощается или выделяется при протекании химической реакции, иными словами, тепловой эффект реакции.

Реакции, в которых теплота выделяется, называются экзотермическими реакциями, а реакции, сопровождающиеся поглощением тепла - эндотермическими реакциями. Уравнение

57

химической реакции, включающее в себя величину и знак теплового эффекта, называется термохическим уравнением.

Для изохорных процессов (V= const) тепловой эффект реакции равен изменению внутренней энергии системы: QV = U; для изобарных процессов - изменению энтальпии Qр = Н. Это легко можно показать, используя уравнение (1). Таким образом, тепловой эффект химической реакции при изобарных или изохорных процессах не зависит от пути проведения химической реакции, а определяется только начальным и конечным состояниями. Это утверждение получило название закона Гесса и положено в основу термохимических расчетов.

Поскольку большинство химических реакций протекает при постоянном давлении, тепловой эффект этих реакций может быть рассчитан как разность суммы стандартных теплот (энтальпий) образования продуктов реакции и исходных веществ:

ΔΗoх.р.= (Σνi ΔΗiof)продукты - (Σνj ΔΗjof)исходные вещества ,

где ν - коэффициенты в уравнении реакции, моль .

Стандартной энтальпией (теплотой) образования сложного вещества называется тепловой эффект образования 1 моля этого вещества из простых, термодинамически устойчивых веществ при стандартных условиях. За стандартные условия приняты Р =1,013 105 Па и Т=298 К. Стандартные энтальпии образования простых, термодинамически устойчивых веществ приняты равными нулю. Величины стандартных энтальпий образования сложных веществ обозначают как Ноf298 и приводятся в справочниках. Размерность Ноf298 - кДж/моль.

Пример1 Рассчитать тепловой эффект химической реакции

2NaOH(тв) + CO2(г) = Na2CO3(тв) + H2O(ж)

58

по известным значениям стандартных теплот образования

(кДж/моль): NaOH(тв)- -426,6, Na2CO3(тв)- -1129, CO2(г)- -393,51, H2O(ж)- -285,8.

Решение

ΔΗoх.р.= (Σνi ΔΗiof)продукты - (Σνi ΔΗiof)исходные вещества =

=[1 Ноf298 (Na2CO3)+1 Ноf298(H2O)]- [2 Ноf298(NaOH)+1 Ноf298(CO2)]=

= -1129 - 285,8 + 2 426,6 + 393,51 = -168,1 кДж Термохимическое уравнение этой реакции может быть записано в виде

2NaOH(тв) + CO2(г) = Na2CO3(тв) + H2O(ж); ΔΗo = -168,1 кДж.

Замечание: размерность ΔΗoх.р - кДж, т. к. размерность Ноf298 - кДж/моль, а размерность ν - моль.

Пример 2 Учитывая теплоту образования газообразного диоксида углерода

Ноf298(СО2)= -393,5кДж/моль и термохимическое уравнение С(графит) + 2N2O(г) = CO2 (г) + 2N2(г): ΔΗo = -557,5 кДж

вычислить стандартную теплоту образования N2O(г).

Решение Из закона Гесса

ΔΗo = [1 Ноf298(CO2) + 2 Ноf298(N2)] -[1 Ноf298(С) + 2 Ноf298(N2O)],

откуда

Ноf298(N2O)=1/2 [ΔΗo + Ноf298(С)- Ноf298(CO2) - 2 Ноf298(N2)]= =82 кДж/моль.

59

Исходя из термохимического уравнения может быть рассчитано количество выделенной или поглощенной теплоты по известной массе одного из реагирующих веществ, и, наоборот, по известному количеству выделенной теплоты, соответствующей известной массе хотя бы одного участника химической реакции, может быть составлено термохимическое уравнение.

Пример 3 Определить количество теплоты, которое выделится при гашении

100 г негашеной извести водой при 25оС, если известны стандартные теплоты образования веществ, участвующих в химической реакции.

Решение Реакция гашения извести имеет вид

СаО(тв) + Н2О(ж) = Са(ОН)2(тв) ΔΗрo = ? Согласно следствию закона Гесса

ΔΗрo = (Σνi ΔΗiof)прод. - (Σνi ΔΗiof)исх.в. = 986,2 + 635,1 + 285,8 = - 65,3 кДж.

В соответствии с уравнением реакции, это количество тепла (65,3 кДж) выделяется на 1 моль СаО. Определим количество вещества СаО, вступившего в химическую реакцию по условию задачи:

ν(СаО) = m(CaO)/M(CaO) = 100/(40+16) = 1,78 моль.

Тогда количество выделившегося тепла определяется из соотношения

Q= 65,3 кдж/(моль СаО) 1,78 (моль СаО) = 116,61 кДж.

Пример 4

60