Химия. Готовимся к экзамену по химии. Учебное пособие

30%-ного раствора. Рассчитайте молярную концентрацию соля ной кислоты в полученном растворе, если его плотность 1,1 г/мл.

Решение

Вычислим массу соляной кислоты в конечном растворе:

mHCl =w1 V1 +w2 V2 =0,12 650 +0,30 550 =243 г. Масса конечного раствора:

mр ра = 650 +550 =1200 г.

Массовая доля соляной кислоты:

w=1200243 100 %=20,3 %.

Определим количество вещества соляной кислоты в 1200 г раствора. Молярная масса кислоты М = 36,5 г/моль.

n = mHCl = 243 =6,67 моль. MHCl 36,5

Объем конечного раствора:

V = mр ра =1200 =1091 мл.

ρр ра 1,1

Молярная концентрация соляной кислоты:

c = mVHCl =1,0916,67 =6,11 моль/л. Ответ: 20,3 %; 6,11 моль/л.

Задание  6

Вычислите массу (г) меди, которая выделится на катоде при пропускании через водный раствор сульфата меди(II) (инерт ные электроды) тока силой 10 ампер в течение 35 минут. Напи шите уравнения анодного и катодного процессов, а также сум марное уравнение электролиза.

Решение

В водном растворе сульфат меди(II) диссоциирует:

CuSO4 →Cu2+ +SO2–4 .

Стандартный электродный потенциал меди, равный 0,34 В, выше значения потенциала восстановления ионов водорода из воды (–0,41 В). Поэтому на катоде будет происходить восста новление ионов Cu2+ и выделение металлической меди.

При электролизе сернокислых солей на инертном аноде про исходит электрохимическое окисление воды с выделением кис лорода.

11

На катоде: (–)Cu2+ +2e →Cu.

На аноде: (+)2H2O −4e →4H+ +O2. Продукты электролиза: Cu и O2.

Суммарное молекулярное уравнение электролиза соли:

2CuSO4 +2H2О →2Cu +O2 +2H2SO4.

Масса вещества, выделившегося на электроде при электро лизе, определяется по законам Фарадея, математическое выра жение которых имеет вид

m = ItMFэкв ,

где m – масса вещества, выделившегося на электроде, г;

Мэкв – молярная масса эквивалента этого вещества, г/моль; I – сила тока, А;

t – время, электролиза, с;

F – постоянная Фарадея, равная 96 500 Кл/моль.

где n – число электронов.

Подставляя это значение, а также силу тока и время элек тролиза (в секундах), получаем искомую массу меди:

m =10 35 60 31,75 =6,91 г. 96 500

Ответ: 6,91 г.

Задание  7

Напишите формулу мицеллы гидрозоля AgBr, получен ного при сливании 150 мл 0,04 М раствора AgNO3 и 150 мл 0,02 М раствора KBr. В ответе укажите потенциалопределяю щие ионы.

Решение

При смешении растворов протекает реакция: AgNO3 +KBr →AgBr +KNO3.

12

Бромид серебра – нерастворимое соединение. Определим количества вещества реагентов:

n(AgNO3 )=0,15 0,04 =0,006 моль; n(KBr)=0,15 0,02 =0,003 моль.

Расчет показывает, что нитрат серебра находится в избыт ке. Следовательно, ядром коллоидных частиц золя бромида се ребра будут адсорбироваться ионы Ag+ и частицы золя приоб ретают положительный заряд. Противоионами являются ионы NO–3. Формула мицеллы золя бромида серебра при условии из

бытка AgNO3:

{m[AgBr]nAg+ (n −x)NO3−}x+ xNO3−.

Ответ: Ag+.

Задание  8

Методом алюминотермии получено железо восстановлением его из оксида железа(III). Пользуясь приведенными данными, рассчитайте стандартную энергию Гиббса реакции восстановле ния одного моля оксида железа(III). Определите возможность самопроизвольного протекания реакции при стандартных усло виях.

Решение

Уравнение реакции, описывающее процесс восстановления оксида железа(III) алюминием:

Fe2O3(к) +2Al(к) →Al2O3(к) +2Fe(к).

Рассчитаем DН°хим.реакц и DS°хим.реакц:

DН°хим.реакц =Df H°Al2O3(к) −Df H°Fe2O3(к) =

=–1676 +822,2 =–853,8 кДж;

DS°хим.реакц =(S°Al2O3(к) +2S°Fe(к) )−(SFe2O3(к) +2S°Al(к) )=

=50,9+2 27,15–87,4–2 28,31=–38,82 Дж/К.

Вычислим энергию Гиббса:

DG°=DH°хим.реакц –TDS°хим.реакц =

=–853,8 +298 38,82 10–3 =–842,23 кДж.

13

Величина DG° < 0, следовательно, реакция протекает само произвольно в прямом направлении.

Ответ: –842,23 кДж; реакция протекает самопроизвольно.

2.2.  Институт новых материалов и нанотехнологий

Экзаменационный билет №  1

Задание  1

Напишите названия соединений:

Ni(H2O)2 (NH3 )4 (OH)2 ; Ce2 (SO4 )3 .

Выпишите степени окисления металлов в данных соедине ниях и укажите, являются ли данные степени окисления выс шими для этих элементов.

Решение

Названия: гидроксид тетраамминдиакваникеля(II); сульфат церия(III).

У никеля есть степень окисления +III, у церия – степень окисления +IV. Металлы в приведенных соединениях не нахо дятся в своих высших степенях окисления.

Ответ: Ni(II), Ce(III); степени окисления не являются выс шими.

Задание  2

Составьте полную электронную формулу атома, в основном состоянии которого 5s-подуровень заполнен, а на 4d-подуровне имеются три свободных орбитали. Укажите в ответе химиче ский символ элемента.

Решение

Искомый элемент относится к d-элементам, у которых про исходит заполнение 4d-подуровня. Такие элементы располо жены в пятом периоде Периодической системы. Три свобод ных орбитали на 4d-подуровне есть только в атоме циркония, при этом две орбитали заняты неспаренными электронами.

14

Электронная формула:

40 Zr:1s22s22p63s23p63d10 4s2 4p6 4d25s2.

Ответ: Zr.

Задание  3

Вычислите, какой объем (мл) 40 %-ного раствора нитрата серебра, имеющего плотность 1,5 г/см3, нужно взять для того, чтобы приготовить 600 мл 0,5 М раствора.

Решение

Вычислим массу AgNO3 в конечном растворе. Молярная мас са соли M = 170 г/моль, молярная концентрация с = 0,5 моль/л, объем конечного раствора V = 0,6 л.

mAgNO3

Необходимо взять такую массу исходного раствора mисх, которая содержит 51 г AgNO3. Вычислим ее, используя значе ния массовой доли соли: w = 0,4.

mисх = mAgNOw 3 = 0,451 =127,5 г. Объем исходного раствора

Vисх = mρисх =127,51,5 =85 мл.

Для приготовления конечного раствора необходимо взять 85 мл исходного раствора и добавить воды, доведя объем до 600 мл.

Ответ: 85 мл.

Задание  4

Завершите уравнение реакции, используя метод электрон

но-ионных полуреакций:

Cr(OH)3 +NaOH +Cl2 →…

Укажите сумму коэффициентов уравнения. Используя та блицу стандартных электродных потенциалов (см. прил.  1), найдите ЭДС реакции при стандартных условиях.

Решение

Окислитель – хлор; хром(III) в щелочной среде окисляется до хромат-иона.

Составим полуреакции и просуммируем их.

15

Молекулярное уравнение реакции

2Cr(OH)3 +10NaOH +3Cl2 →2Na2CrO4 +6NaCl +8H2O. Сумма коэффициентов уравнения 31.

ЭДС реакции при стандартных условиях:

E°=j°ок −j°восст =j°Cl2 /2Cl– −j°CrO24−/Cr(OH)3 =

=1,36 −(−0,12)=1,48 В. Ответ: 31; 1,48 В.

Задание  5

При термическом разложении 702 г метаванадата аммония получили 450 г оксида ванадия(V). Рассчитайте выход реак ции (%).

Решение

Составим уравнение реакции термического разложения метаванадата аммония:

2NH4VO3 =V2O5 +2NH3 +H2O.

Вычислим число молей NH4VO3:

Ответ: 82,4 %.

Задание  6

Определите, какой металл – Fe, Cr, Co, Sn, Ni – участвует в представленной схеме превращений. Запишите все соответству ющие схеме уравнения реакций с соединениями этого металла.

16

Me(NH3 )6 (OH)3 ←NH3 H2O+O2 Me(OH)2 Br2, NaOH→

Гидроксид железа(II) окислится до гидроксида железа(III), но с концентрированной серной кислотой гидроксид железа(III) реагирует без изменения степени окисления.

Гидроксид хрома(II) еще легче, чем железа(II), окислится до гидроксида металла(III); указанная же на схеме реакция получения соли двухвалентного металла при реакции гидрок сида хрома(III) с концентрированной серной кислотой невоз можна.

Гидроксид кобальта(II) окислится бромом до гидроксида кобальта(III). При взаимодействии гидроксида кобальта(III) с концентрированными кислотами идут окислительно-восстано вительные реакции, в ходе которых кобальт восстанавливается до степени окисления +II. Гидроксид кобальта(II) с гидратом аммиака образует амминокомплекс, который в присутствии кислорода переходит в амминокомплекс кобальта(III).

Гидроксид олова(II) под действием брома перейдет в свою наиболее устойчивую степень окисления +IV.

Для никеля характерна как реакция получения гидрок сида никеля(III) при взаимодействии гидроксида никеля(II) с бромом, так и последующий переход из степени окисления +II в +III в реакции с концентрированной серной кислотой. Гидроксид никеля(II) образует комплексное соединение при взаимодействии с раствором аммиака. Тем не менее, соедине ния никеля, в отличие от соединений кобальта, не удовлетво ряют условию задачи, поскольку амминокомплекс никеля(II) не окисляется кислородом.

Искомый элемент – Co. Уравнения реакций:

2Co(OH)2 +Br2 +2NaOH =2CoOOH +2NaBr +2H2O;

4CoOOH +4H2SO4(конц) =4CoSO4 +O2 +6H2O;

4Co(OH)2 +24NH3 H2O +O2 =4 Co(NH3 )6 (OH)3 +22H2O.

Ответ: Co.

17

Задание  7

Определите значения рН (рН < 7, рН = 7 или рН > 7) в рас творах следующих солей: перманганат калия, сульфат марган­ ца(II), манганат калия.

Напишите сокращенное ионное уравнение реакции с водой соли, в растворе которой рН > 7.

Решение

Прирешениивопросаокислотностисредыврастворесолимы, прежде всего, определяем, идет ли гидролиз, обусловленный тем, что соль образована слабой кислотой или слабым основанием.

Перманганат калия KMnO4 образован сильной марганцовой кислотой HMnO4 и сильным основанием KOH. Гидролиз не идет, среда нейтральная и рН = 7.

Сульфат марганца(II) MnSO4 образован сильной кислотой H2SO4 и слабым основанием Mn(OH)2. Протекает обратимый гидролиз по катиону. Уравнение реакции гидролиза по первой

ступени в сокращенной ионной форме: Mn2+ +H2O MnOH+ +H+.

В результате гидролиза появляется кислая среда, рН < 7. Манганат калия K2MnO4 – соль сильного основания KOH

и несуществующей марганцовистой кислоты. Взаимодействие манганат-иона с водой идет особым образом: протекает обрати мая окислительно-восстановительная реакция диспропорцио

нирования. Сокращенное ионное уравнение реакции:

3MnO24− +2H2O MnO2 +2MnO4− +4OH−.

В результате взаимодействия соли с водой в растворе появ ляется щелочная среда, рН > 7.

Ответ: для KMnO4 рН = 7; для MnSO4 рН < 7; для K2MnO4 рН > 7.

Задание  8

Содержание тетрацианокадмата(II) калия и цианида ка лия в растворе составляет 0,1 моль/л и 6,5 г/л соответственно. Найдите концентрацию ионов кадмия (моль/л), если констан та нестойкости комплекса равна 8 10–18.

Решение

Составим уравнения первичной и вторичной диссоциации комплексного соединения:

18

K2 Cd(CN)4 →2K+ + Cd(CN)4 2– ;Cd(CN)4 2– Cd2+ +4CN–.

Выражение для константы нестойкости:

Cd2+ CN− 4 Kн = Cd(CN)4 2− .

Примем, что первичная диссоциация является полной. Тог да молярная концентрация комплексных ионов равна концен трации комплексного соединения:

Уравнение диссоциации KCN: KCN →K+ +CN–.

Ионы CN– образуются в растворе и при диссоциации циани да калия, и при диссоциации комплексных ионов. Вклад дис социации комплексных ионов пренебрежимо мал по сравнению с диссоциацией сильного электролита KCN.

Приняв степень диссоциации KCN равной 1, получаем [CN–] = 0,1 моль/л.

Выразим концентрацию ионов Cd2+ исходя из приведенно го выше выражения для константы нестойкости. Подставим известные значения и вычислим концентрацию Cd2+:

Ответ: 8 10–5 моль/л.

19

2.3.  Институт экотехнологий и инжиниринга

Экзаменационный билет №  1

Задание  1

Составьте полную и сокращенную электронные формулы атома марганца в степени окисления +IV. Определите число неспаренных электронов атома марганца в этой степени окис ления.

Решение

Марганец располагается в VIIB подгруппе четвертого пери ода Периодической таблицы. Его порядковый номер 25.

Чтобы правильно составить электронную формулу атома в определенной степени окисления, следует сначала составить

электронную формулу атома в нулевой степени окисления. Mn:1s22s22p63s23p63d5 4s2.

Когда атом переходит в положительную степень окисления, он теряет электроны. В первую очередь, это будут электроны

внешнего, а затем предвнешнего электронного уровня. Mn(IV):1s22s22p63s23p63d3 4s0.

Сокращенная электронная формула Mn(IV): [Ar] 3d34s0. 3 неспаренных электрона находятся на подуровне 3d.

Ответ: На 3d-подуровне находятся 3 неспаренных электрона.

Задание  2

К раствору, содержащему нитраты цинка, хрома(III) и желе­ за(III), добавили избыток раствора едкого натра. Составьте урав нения реакций. В ответе приведите формулы содержащих пере ходные металлы продуктов реакций.

Решение

При добавлении раствора едкого натра к растворам солей металлов образуются гидроксиды металлов. Однако если ги дроксид металла обладает амфотерными свойствами, то про цесс идет дальше, и образуется гидроксокомплекс. Среди пе речисленных металлов амфотерными свойствами обладают гидроксиды цинка и хрома, поэтому уравнения реакций сле дует записать:

20