Учебное пособие 800215

Если в окружающей среде повышается температура (реакционную систему нагревают), то равновесная система отвечает противодействием – смещает равновесие в сторону эндотермической реакции.

Чтобы сместить равновесие в сторону экзотермической реакции, то есть увеличить скорость экзотермической реакции, в окружающей среде температура должна понизиться (реакционную систему нужно охладить).

Пример 3.8. Каких веществ и почему станет больше в равновесной системе: 2H2S (газ) + SO2 (газ) 2H2O (пар) + 3S (твёрдая) , rН < 0,

если равновесную систему нагреть?

Решение. В данном случае прямая реакция является экзотермической (идёт с выделением теплоты). Обратная реакция будет эндотермической (идёт с поглощением теплоты).

При увеличении температуры возрастают скорости всех реакций. Однако скорость эндотермической реакции, при прочих равных условиях, возрастает в большее число раз, чем экзотермической.

Поэтому в данном случае при повышении температуры в большее число раз увеличится скорость обратной реакции и равновесие сместится в сторону течения обратной реакции. В равновесной системе станет больше исходных веществ.

Упражнение 3.9. Каких веществ и почему станет больше в равновесной системе:

SO2 (газ) + NO2 (газ) + H2O (жидкая) H2 SO4 (раствор) + NO (газ), rН < 0,

если температуру окружающей среды уменьшить?

Влияние давления

Давление оказывает влияние на состояние равновесия в том случае, если в реакции участвуют газообразные вещества и число молей газов у исходных веществ и у продуктов реакции неодинаково.

Если сумма коэффициентов у газообразных исходных веществ больше, чем у продуктов реакции, то при увеличении внешнего давления скорость прямой реакции увеличивается в большее число раз, чем обратной и равновесие смещается в сторону течения прямой реакции. Если внешнее давление уменьшить, то увеличится скорость того процесса, где образуется большее число моль газообразных веществ.

Пример 3.9. В сторону образования каких веществ (исходных или продуктов) и почему сместится химическое равновесие

2H2S (газ) + SO2 (газ) 2H2O (пар) + 3S (твёрдая),

если внешнее давление уменьшить?

Решение. Подсчитаем число моль газообразных веществ у исходных веществ и продуктов реакции. У исходных веществ – 3, у продуктов реакции – 2. Следовательно, в ходе прямого процесса давление в равновесной системе уменьшается, а в ходе обратной реакции ─ увеличивается. Поэтому при уменьшении

41

внешнего давления химическое равновесие сместится в сторону образования исходных веществ, где образуется большее число молей газообразных веществ.

Упражнение 3.10. В сторону образования каких веществ и почему сместится химическое равновесие

SO2 (газ) + NO2 (газ) + H2O (жидкая) H2SO4 (раствор) + NO (газ),

если внешнее давление увеличить?

Пример 3.10. Как следует изменить (увеличить или уменьшить) внешние условия (концентрацию, температуру, давление), чтобы химическое равновесие

N2 (газ) + 3H2 (газ) 2NH3 (газ) , rН < 0

сместилось в сторону образования аммиака (NH3), то есть увеличился выход продуктов реакции?

Решение. Для увеличения выхода продуктов реакции внешние воздейст-

вия должны быть такими, чтобы скорость прямой реакции стала больше, чем скорость обратной реакции.

В ходе прямой реакции:

·концентрации исходных веществ уменьшаются, поэтому их нужно увеличивать;

·теплота выделяется, поэтому температуру нужно уменьшать;

·давление уменьшается, поэтому давление нужно увеличивать.

если процесс идёт с увеличением числа моль газообразных веществ, то давле-

ние над системой следует ________________________________________ ;

если процесс идёт с уменьшением числа моль газообразных веществ, то давле-

ние над системой следует ________________________________________ .

Домашние задания

Задание 3.5. Для равновесной системы

FeCl3 (раствор) + 3KCNS (раствор) Fe(CNS)3 (раствор) + 3KCl (раствор)

запишите кинетические уравнения прямой и обратной реакции, а также выражение для константы химического равновесия.

Задание 3.6. Концентрацию каких веществ и почему в равновесной системе:

Na2S2O3(раствор) + H2SO4(раствор) Na2SO4 (раствор)+S(твёрдая)+ H2SO3(раствор)

следует увеличить, чтобы увеличить выход серы?

Задание 3.7. Куда сместится химическое равновесие (вправо или влево) при понижении температуры? Станет ли при этом окраска газа более интенсивной или менее интенсивной?

Задание 3.8. В сторону образования каких веществ и почему сместится химическое равновесие

2F2 (газ) + 2H2O (жидкая) 4HF (раствор) + O2 (газ), rН< 0,

если: · давление над системой уменьшить;

·температуру понизить;

·концентрацию исходных веществ увеличить?

3.3.КОНТОЛЬНЫЕ ЗАДАНИЯ

Теоретические вопросы

1. Что изучает химическая кинетика и какие основные факторы влияют на скорость химических реакций?

2. Сформулируйте закон действующих масс для химической кинетики и объясните, как скорость химических реакций зависит от концентрации веществ.

3. Почему скорость химических реакций увеличивается с увеличением температуры? Сформулируйте правило Вант Гоффа.

4. Какое состояние отвечает состоянию химического равновесия и что характеризует константа химического равновесия?

5. Сформулируйте принцип Ле Шателье.

Задачи и упражнения

1. Как изменится скорость реакции, протекающей по уравнению

2NO (газ) + О2 (газ) → 2NO2 (газ) ,

если: а) концентрацию NO увеличить в три раза; б) давление уменьшить в два раза?

2. Как изменится скорость реакции при увеличении температуры на 20 ° С, если температурный коэффициент реакции равен двум? Что произойдет со скоростью реакции, если температуру понизить от 80 ° С до 30 ° С?

3. Для равновесной системы 2СО (газ) СО2 (газ) + С (твёрдый)

запишите кинетические уравнения прямой и обратной реакции, а также выражение для константы химического равновесия.

4. Как следует изменить внешние условия (увеличить или уменьшить концентрацию, температуру, давление), чтобы химическое равновесие

4NН3 (газ) + 5О2 (газ) 4 NО (газ) + 6 Н2О (газ) , rН < 0

сместилось в сторону образования NО, то есть увеличился выход продуктов реакции?

43

Тема 4. ОСНОВНЫЕ КЛАССЫ НЕОРГАНИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ

Прочитайте и запомните слова и словосочетания, приведённые в табл. 4.1.

44

На рис. 10 пунктирными линиями показаны возможные превращения оксидов в гидроксиды, а также оксидов и гидроксидов в соли.

4.1. ОКСИДЫ И ГИДРОКСИДЫ

Оксиды состоят из двух элементов, один из которых – кислород. Название оксида складывается из слова «оксид» и названия элемента, который образовал оксид. Например, K2O – оксид калия. Степень окисления кислорода в оксидах равна −2, степень окисления элемента имеет положительное значение (+n). Об- щую формулу оксида можно представить как

Э+хn O−у2 ,

где х – число атомов элемента, у – число атомов кислорода и (n·х) = (2·у).

Если элемент образует несколько оксидов, то указывается степень окисления элемента римской цифрой в скобках без знака «+». Например, оксид се-

ры (IV) – SO 2, оксид серы (VI) – SO 3, оксид азота (III) – N 2O3.

45

Пример 4.1. Составьте формулы оксидов элементов третьего периода периодической системы (степень окисления элементов равна номеру группы периодической системы).

Решение представлено в табл. 4.2.

Таблица 4.2

Формулы оксидов элементов третьего периода

Упражнение 4.1. Составьте формулы оксидов Li, Ca, Sn(II), Fe(II), Fe(III), Cr(III), Cr(VI), S(IV), C(IV).

Название основных и амфотерных гидроксидов складывается из слова «гидроксид» и названия элемента, который образовал гидрооксид. Названия кислот складываются из слова «кислота» и прилагательного, корнем которого является название соответствующего элемента на русском языке (смотрите табл. 1.2 и 4.3).

Основными называются оксиды, которым соответствуют основные гидроксиды (основания). Основные оксиды образуют металлы со степенью окисления +1 или +2 (кроме Be и Zn и некоторых других).

Молекулы оснований состоят из атома металла и одной или нескольких

групп ОН . Общая формула оснований:

Меn+(ОН) n ,

где n – число гидроксидных групп ОН , равное степени окисления (заряду) иона металла Меn +.

Пример 4.2. Напишите формулы оксидов Na, Ca и Mn(II) и соответствующих им оснований.

Решение. Оксиды Nа2O, CaO, MnO являются основными оксидами и им соответствуют основания NaOH, Ca(OH)2, Mn(OH)2.

Упражнение 4.2. Напишите формулы оксидов K, Cu(II), Ni(II) и соответствующих им оснований.

Кислотными называются оксиды, которым соответствуют кислотные гидроксиды (кислоты). Кислотные оксиды образуют все неметаллы и металлы со степенью окисления +4, +5, +6, +7. Большинство кислотных оксидов, образованных неметаллами, взаимодействуют с водой с образованием растворимых в воде кислот. В табл. 4.3 приводятся формулы и названия наиболее распространённых кислородосодержащих кислот.

* − реакция не идёт, H2SiO3 нерастворима в воде.

47

Существуют также бескислородные кислоты, например: H2S (сероводородная), HCl (хлороводородная или соляная), HBr (бромоводородная) HI (йодоводородная) и другие. Кислотные остатки таких кислот не содержат кислорода.

Молекулы кислот состоят из атомов водорода и кислотного остатка.

Общая формула кислот:

H +n A n− ,

где А – кислотный остаток, n – число атомов водорода, равное величине заряда кислотного остатка.

Формула кислородсодержащей кислоты может быть представлена в виде:

H +n Э+ уО−m2 ,

где n – число атомов водорода, +y – степень окисления элемента Э, образовавшего кислоту, m – число атомов кислорода

Пример 4.3. Напишите формулы оксидов неметаллов углерода и фосфора, металла марганца со степенью окисления +7 и соответствующих им кислот.

Решение. Оксиды CO2, P2O5, Mn2O7 являются кислотными оксидами и им соответствуют кислоты H2CO3, H3PO4, HМnO4.

Упражнение 4.3. Напишите формулы оксидов двух любых неметаллов, а также металла ванадия со степенью окисления +5 и соответствующие им кислоты.

Амфотерными называются оксиды, которые в зависимости от условий

проявляют основные или кислотные свойства, т.е. обладают двойственным характером. К ним относятся оксиды металлов со степенью окисления +3, +4, а также оксиды бериллия и цинка и некоторых других. Амфотерные гидроксиды проявляют свойства как кислот, так и оснований. Формулы амфотерных гидроксидов можно записать как в кислотной, так и в основной форме.

Пример 4.4. Напишите формулы оксидов алюминия и цинка, а также соответствующие им гидроксиды в форме основания и кислоты.

Решение представлено в табл. 4.4.

Упражнение 4.4. Напишите формулы оксидов хрома (III) и олова (IV), а также соответствующие им гидроксиды в форме основания и кислоты.

Пример 4.5. Определите, какими свойствами обладают приведенные ниже оксиды: FeO, Fe2O3, CrO3, Li2O, SiO2 и распределите их по свойствам: основные, кислотные, амфотерные.

Решение.

Li2O: основный оксид, образован металлом со степенью окисления +1; FeO: основный оксид, образован металлом со степенью окисления +2;

48

SiO2: кислотный оксид, образован неметаллом;

Fe2O3 и Cr2O3: амфотерные оксиды, образованы металлами со степенью окисления +3.

Основные: Li2O, FeO; кислотный: SiO2; амфотерные: Fe2O3, CrO3.

Упражнение 4.5. Определите, какими свойствами обладают приведённые ниже оксиды: MgO, N2O3, PbO, SO2, BeO, MnO2, и распределите их по свойствам: основные, кислотные, амфотерные.

Пример 4.6. Составьте формулы гидроксидов элементов I ─ VII групп третьего периода периодической системы и укажите их химические свойства. Степень окисления элементов примите равной номеру группы.

Решение.

Упражнение 4.6. Составьте формулы гидроксидов элементов I ─ VII групп второго периода периодической системы и укажите их химические свойства. Степень окисления элементов примите равной номеру группы.

Домашние задания

Задание 4.1. Составьте формулы оксидов элементов 1-7 групп второго и четвёртого периодов периодической системы. Степень окисления кислорода в оксидах равна −2, а степень окисления элементов примите равной номеру группы (валентность железа примите равной трём, а никеля и кобальта – двум). Укажите химические свойства оксидов: основные, кислотные, амфотерные.

Задание 4.2. Составьте формулы гидроксидов элементов 1 ─ 7 групп четвёртого периода периодической системы. Степень окисления элементов примите равной номеру группы (степень окисления железа примите равной +3, а никеля и кобальта ─ равной +2). Укажите химические свойства гидроксидов: основные, кислотные, амфотерные.

Задание 4.3. Определите химические свойства следующих гидроксидов: Ni(OH)2, Cr(OH)3, Be(OH)2, HNO3, H2SO3, Co(OH)2, Mn(OH)4, Ca(OH)2 и рас-

пределите их по группам: основные, кислотные, амфотерные.

4.2. СОЛИ

Соли ─ сложные вещества, состоящие из кислотного и основного остатков. Соли бывают средние, кислые и основные (рис. 13). Далее рассмат-

риваются только средние соли.

Формулы солей записываются в соответствии с зарядом кислотных и основных остатков (табл. 4.5).

49

Составление химических формул солей

Названия средних солей складываются из названия кислотного остатка и названия металла (остатка основания) – табл. 4.6.

Упражнение 4.7. Составьте химические формулы следующих солей: нитрат калия, карбонат натрия, фосфат кальция, хлорид аммония. Аммоний (NH4+) – это остаток гидроксида аммония NH4OH.

50