Методич.для заочн.(Химия)
.pdf
Лиганды
|
|
Н2 |
|
|
|
SCN- |
|
|
SCN- |
Na |
+ |
Co |
3+ |
Комплексо- |
|
|
образователь |
||
|
|
|
|
Ион |
SC |
SC |
внешней |
N- |
N- |
сферы |
|
|
|
|
Н2 |
|
|
О |
Лиганды
Ион внутренней сферы (комплексный ион)
Рис. 2.6 а. Схема комплексного соединения Na[Co(SCN)4(H2O)2] –
– диаквотетрароданокобальтат (III) натрия
26
Комплексообразователь
|
|
|
|
NН |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Лиганды |
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
NН |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Cl |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
NН3 |
Fe3+ |
NO2 |
Cl |
||||
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
– |
|
|
|
|
Ион |
|
NН3 |
|
Ион |
|||||
внешней |
|
|
внешней |
||||||
сферы |
|
|
|
сферы |
|||||
|
|
|
|
NН |
|
|
|
|
|
Лиганды |
|
|
|
Ион внутрен- |
|||
|
|
||
|
|
ней сферы |
|
|
|
||
|
|
(комплексный |
|
|
|
ион) |
|
|
|
|
Рис. 2.6 б. Схема комплексного соединения [Fe(NH3)5 NO2]Cl2 –
– дихлорид нитритопентаамминожелеза (III)
Так как между ионами внешней и внутренней сферы действует слабая ионная связь, то в растворе под действием молекул воды эта связь разрывается, т.е. происходит диссоциация молекулы комплексного соединения на ионы внешней и внутренней сферы:
Na[Co(SCN)4(H2O)2] Na+ + [Co(SCN)4(H2O)2]− ; [Fe(NH3)5NO2]Cl2 [Fe(NH3)5NO2]2+ + 2Cl− .
Однако комплексный ион при этом сохраняет свою целостность. Комплекс перестает существовать, если разрывается внутренняя связь между комплексообразователем и лигандами.
Используя данную информацию, представим в виде табл. 2.3 характеристики двух комплексных соединений. Следует иметь в
27
виду, что необходимо указывать все степени окисления частиц, составляющих данное соединение.
Заряд комплексообразователя определяют исходя из зарядов ионов внешней сферы, лигандов, их количества и нейтральности молекулы в целом. Определим заряд комплексообразователя для рассматриваемых комплексных соединений.
Na+[Cox(SCN) 4− (H2O)02 ] |
[Fex(NH3)30 (NO 2 )–]Cl2− |
||||
1+ х + 4(-1) + 2·0 = 0 |
х + 0·5 + (-1) + (-1)·2 = 0 |
||||
|
х = +3 |
|
х = +3 |
|
|
Следовательно, комплексообразователем в 1-ом соединении |
|||||
является Со3+, а во втором – Fe3+. |
|
|
|
||
|
|
|
|
Таблица 2.3 |
|
|
|
|
|
|
|
Характеристики |
|
|
|
|
|
комплексного |
Формула комплексного соединения |
|
|||
соединения |
Na[Co(SCN)4(H2O)2] |
|
[Fe(NH3)5NO2]Cl2 |
||
Комплексное |
Na+[Cox(SCN) 4− (H2O) 02 ] |
|
[Fex(NH3) 50 NO 2 |
–]Cl 2− |
|
соединение с ука- |
|
|
|
|
|
занием |
степеней |
|
|
|
|
окисления всех |
|
|
|
|
|
частиц |
|
|
|
|
|
Комплксообра- |
Со3+ |
|
Fe2+ |
|
|
зователь |
|
|
|
|
|
Лиганды |
|
SCN − , H2O0 |
|
NH 30 , (NO2)– |
|
Координационное |
4 + 2 = 6 |
|
5 + 1 = 6 |
|
|
число |
|
|
|
|
|
Ионы внутренней |
[Co(SCN)4(H2O)2] − |
|
[Fe(NH3)5NO2]2+ |
||
сферы |
|
|
|
|
|
Ионы |
внешней |
Na+ |
|
Cl − |
|
сферы |
|
|
|
|
|
Уравнение |
Na[Co(SCN)4(H2O)2] |
|
[Fe(NH3)5(NO2)]Cl2 |
||
диссоциации |
Na+ + [Co(SCN)4(H2O)2] − |
|
[Fe(NH3)5(NO2)]2+ + 2Cl − |
||
комплексного |
|
|
|
|
|
соединения |
|
|
|
|
|
28
|
|
|
Таблица II.1. |
|
|
|
Формулы молекул |
|
|
Номер варианта |
|
|
||
1 |
CaCl2 |
|
NF3 |
|
2 |
CdF2 |
|
PH3 |
|
3 |
CuCl2 |
|
SbBr3 |
|
4 |
MgBr2 |
|
AsCl3 |
|
5 |
ZnI2 |
|
H2S |
|
6 |
BeH2 |
|
SCl2 |
|
7 |
HgCl2 |
|
OF2 |
|
8 |
SrBr2 |
|
H2Se |
|
9 |
BCl3 |
|
H2Te |
|
10 |
AlH3 |
|
SF2 |
|
11 |
GaBr3 |
|
SiH4 |
|
12 |
CuF2 |
|
CH4 |
|
13 |
SrBr2 |
|
Cl2 |
|
14 |
CoCl2 |
|
GeH4 |
|
15 |
MgBr2 |
|
CH3Cl |
|
16 |
HgF2 |
|
SiCl4 |
|
17 |
CaBr2 |
|
CH2Cl2 |
|
18 |
CdCl2 |
|
SiF4 |
|
19 |
ZnF2 |
|
PbBr4 |
|
20 |
BeI2 |
|
PBr3 |
|
21 |
ZnCl2 |
|
SbCl3 |
|
22 |
CdH2 |
|
AsBr3 |
|
23 |
MgH2 |
|
SbF3 |
|
24 |
CaH2 |
|
SnCl4 |
|
25 |
SrH2 |
|
CF4 |
|
26 |
ZnBr2 |
|
CHCl3 |
|
27 |
GaH3 |
|
CCl4 |
|
28 |
AlH3 |
|
SnBr4 |
|
29 |
InCl3 |
|
H2Te |
|
30 |
ZnH2 |
|
PbCl4 |
|
29
|
|
Таблица II.2 |
|
Формулы комплексных соединений |
|
Номер |
||
варианта |
|
[Co(NH3)5SO4]NO3 |
1 |
K 2 [PtCl6] |
|
2 |
Na2[Cu(CN)4] |
[Co(H2O)2(NH3)4]Cl2 |
3 |
(NH4)3[RhCl6] |
[Cr(H2O)4Cl2]Br |
4 |
K3[CoF6] |
[Pd(NH3)3Cl]Cl |
5 |
Na[Ag(NO3)2] |
[Pt(NH3)3Cl]Br |
6 |
K2[Cd(CN)4] |
[Co(NH3)5Br]SO4 |
7 |
Na3[V(SCN)6] |
[Pd(H2O)(NH3)2Cl]Cl |
8 |
K[Ag(CN)2] |
[Co(NH3)5H2O]Cl3 |
9 |
K4[Mn(CN)6] |
[Ti(H2O)4Br2]Br |
10 |
K2[NiCl4] |
[Cu(H2O)3OH]Cl |
11 |
(NH4)3[Fe(CN)6] |
[Hg2(H2O)OH]Cl |
12 |
H[AuCl4] |
[Co(NH3)5Cl]Cl2 |
13 |
K3[Al(OH)6] |
[Be(H2O)3OH]Cl |
14 |
K2[Zn(CN)4] |
[Ni(H2O)6]SO4 |
15 |
Na3[Co(NO2)6] |
[Pt(NH3)2(H2O)(OH)]NO3 |
16 |
Ba[Cr(NH3)2(SCN)4]2 |
[Cu(NH3)4](NO3)2 |
17 |
(NH4)2[Pt(OH)2Cl4] |
[Al(H2O)6]Cl3 |
18 |
K2[Co(NH3)2(NO2)4] |
[Zn(NH3)4]Cl2 |
19 |
K2[Pt(OH)5Cl] |
[Ag(NH3)2]NO3 |
20 |
Na2[IrCl6] |
[Cr(H2O)5(OH)]Cl2 |
21 |
K2[Zn(OH)4] |
[Fe(H2O)5NO2]SO4 |
22 |
Na[Al(OH)4(H2O)2] |
[Co(NH3)6]Cl3 |
23 |
K2[HgI4] |
[Ti(H2O)4(OH)2]Cl2 |
24 |
K2[Ni(CN)4] |
[Cr(NH3)2(H2O)4](NO3)3 |
25 |
Na2[Be(OH)4] |
[Cr(NH3)4(SCN)Cl](NO3)2 |
26 |
K4[Cd(OH)6] |
[Pt(NH3)2(H2O)2Br2]Cl2 |
27 |
Na[Cr(H2O)4Cl2] |
[Ag(NH3)2]Br |
28 |
K2[Fe(H2O)Cl5] |
[Ni(NH3)6](NO3)2 |
29 |
Na2[PtBr4] |
[Zn(NH3)2Cl]Cl |
30 |
K[PtNH3Cl3] |
[Fe(H2O)6]Cl3 |
30
Тема III. ХИМИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА
Задание 3.1. Запишите реакцию взаимодействия указанного
по варианту элемента с кислородом. Используя приведенные в табл. III.1 данные, рассчитайте энтальпию образования оксида.
Пример решения 3.1
Пусть по условию задачи в реакцию вступает 20 г алюминия. При взаимодействии с кислородом выделяется 619,85 кДж тепла (Q).
Энтальпией образования ( Hf,2980 ) сложного соединения
называется тепловой эффект образования 1 моля этого соединения из простых веществ, взятых в устойчивом состоянии при стандартных условиях. Единицей измерения является кДж/моль.
Записываем уравнение химической реакции
4 Al (тв) + 3 O2 = 2 Al2O3 (тв).
Определяем количество тепла (Q) для одного моля соединения, для этого проводим сокращение и получаем
2 Al (тв) + 3/2 O2 (г) = Al2O3 (тв) .
По условию задачи:
при соединении 20 г алюминия выделяется 619,85 кДж
при соединении 2-х молей алюминия, т.е. 2×27, выделяется Q кДж
Q = 2 27 619,85 =1673,6 кДж. 20
Так как тепло выделяется, то энтальпия системы уменьшается
H0298 = - 1673,6 кДж/моль.
Следовательно, реакция образования оксида Al2O3 является экзотермической.
Задание 3.2. Для приведенной по варианту реакции (табл.
III.2) рассчитайте: Hf,2980 (кДж), Sf,2980 (Дж/К), Gf,2980 (кДж) химической реакции, вероятность ее протекания при Р = 101,3 кПа и Т = 298 К и температуру начала реакции.
31
Пример решения 3.2
По закону Гесса тепловой эффект реакции зависит от природы и состояния конечных продуктов и исходных веществ, но не зависит от пути протекания реакции, т.е. от числа и характера промежуточных стадий, т.е., при расчете H0 химической реакции
( H0 |
): |
298,х.р. |
|
H0298,х.р. = ∑ΔН0f, продуктов реакции − ∑ΔН0f, исходных веществ
При этом следует учитывать число молей веществ в уравнении химической реакции.
Так для реакции:
а1А1 + а2А2 + ...= b1В1 + b2В2 + ...,
где ai – число молей для исходных веществ; Ai – исходные вещества; bi – число молей для продуктов; Bi – конечные продукты,
Н0298, х.р. = (b1 |
H 0 |
+ b2 |
H |
0 |
+...) – (a1 |
H |
0 |
+ a2 |
H |
0 |
+...). |
|
298, B1 |
|
|
298, B2 |
|
|
298, A1 |
|
|
298, А2 |
|
Значения термодинамических параметров, приведенных в Приложении 2, даны для одного моля вещества. Стандартная
энтальпия образования вещества обозначается |
H0 |
|
. |
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
f ,298 |
|
|
|
|
В |
качестве примера |
рассчитаем |
H0 |
|
для |
следующей |
|||||
химической реакции: |
|
|
|
298,х.р. |
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
2СО (г) + 2Н2 (г) = СН4 (г) + СО2 (г). |
|
+ 2 H 0 |
|
|
|||||
Н0 |
|
= ( H0 |
+ H0 |
|
) − (2 H 0 |
|
|
) = |
|||
298, х.р. |
298, СН4 (г) |
298, СО2 (г) |
|
298,СО(г) |
|
298, Н2(г) |
|
||||
|
|
|
|
|
|||||||
= (-74,85+ (-396,3)) − (2×(-110,5) + 2×0) = -250,15 кДж.
Так как энтальпия системы уменьшается ( Н < 0), то тепло выделяется. Следовательно, данная реакция является экзотермической.
Аналогично рассчитаем S0298 химической реакции. Энтропия вещества определяет меру беспорядка в системе и
представлена значением Sf,2980 . Единица измерения энтропии:
Дж/моль·К. |
0 |
|
S0 |
|
+2S0 |
|
|
|
S0 |
=(S |
+ |
)−(2S0 |
) |
= |
|||
298,х.р. |
|
298, СН4 (г) |
|
298, СО2 (г) |
298,СО(г) |
298, Н2(г) |
|
|
=(186,19+213,6)−(2×197,4 + 2×130,6) = -794,59 Дж/К = -0,795 кДж/К.
32
Так как энтропия системы уменьшается ( S < 0), следовательно, система стала обладать большей степенью упорядоченности.
Переходим к расчету G0298 химической реакции. Значение G 0298 химической реакции рассматривается как изменение свободной
энергии системы (энергии Гиббса) – энергии, используемой для совершения полезной работы.
G0 |
|
= H0 |
− Т× S0 |
298,х.р. |
298,х.р. |
298,х.р. |
|
При расчете G |
0 |
химической реакции, согласно второму |
|
|
298 |
|
|
закону термодинамики, от полной энергии, связанной с |
Н реакции |
отнимается энергия "беспорядка", т.е. – произведение |
Т× S. В |
результате получается "энергия порядка", а порядок характеризует работу, которую может совершить система.
Если свободная энергия системы уменьшается ( Gх.р.<0), значит химическая реакция термодинамически вероятна.
Реакция не может протекать самопроизвольно, если т.е., если свободная энергия возрастает, то на совершение работы требуются затраты энергии извне.
При |
Gх.р.=0 |
система |
находится |
в |
состоянии |
|||
термодинамического равновесия. |
|
|
|
|||||
Согласно вышеприведенной формуле, |
|
|
||||||
G0 |
|
= |
(-250,15) |
− 298×(-0,795) = +13,24 кДж, |
||||
298 |
|
|
|
|
|
|
|
|
т.е. реакция |
при |
298 |
К и |
Р = |
101,3 кПа |
термодинамически |
||
не возможна. |
|
|
|
|
|
|
|
|
Рассчитаем температуру начала реакции, т.е. Травн.. Для этого исходим из условия термодинамического равновесия, при котором
Gх.р.=0:
|
G |
0 |
|
= H0 |
− Т× S0 |
= 0. |
||||
|
|
298,х.р. |
|
|
298,х.р. |
|
298,х.р. |
|
||
Тогда |
Т = |
|
Н |
2980 |
= |
−250,15 |
= 314,65 К, |
|
||
|
S2980 |
−0,795 |
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
||||
ниже этой температуры реакция будет термодинамически возможной, так как G0298,х.р. примет значение меньше нуля.
33
|
|
|
|
Таблица III.1 |
|
|
|
|
|
Вариант |
Элемент |
Масса |
Формула |
Выделенное |
|
|
элемента, г |
оксида |
тепло, кДж |
1 |
Fe |
560 |
FeO |
-2648 |
2 |
Si |
2,8 |
SiO2 |
-90,8 |
3 |
Li |
28 |
Li2O |
1190,8 |
4 |
Ca |
160 |
CaO |
2542,0 |
5 |
Fe |
11,2 |
Fe2O3 |
-82,2 |
6 |
S |
160 |
SO2 |
-1485,3 |
7 |
Na |
46 |
Na2O |
-416,3 |
8 |
K |
78 |
K2O |
-726,4 |
9 |
Cr |
26 |
CrO3 |
-292,8 |
10 |
Zn |
13 |
ZnO |
-70,1 |
11 |
Ca |
5 |
CaO |
-79,4 |
12 |
Mg |
12 |
MgO |
-300,5 |
13 |
B |
21,6 |
B2O3 |
-1254,0 |
14 |
P |
248 |
P2O5 |
-6192,3 |
15 |
Be |
18 |
BeO |
-1197,0 |
16 |
Ag |
54 |
Ag2O |
-7,7 |
17 |
Cs |
26,6 |
Cs2O |
-31,7 |
18 |
Cu |
128 |
CuO |
-324 |
19 |
Rb |
17,1 |
Rb2O |
-33,0 |
20 |
Sr |
438 |
SrO |
-2952,0 |
21 |
Ti |
144 |
TiO |
-1579,0 |
22 |
Ge |
145,2 |
GeO |
-510,0 |
23 |
Al |
27,0 |
Al2O3 |
-837,5 |
24 |
C |
60,0 |
CO2 |
-1967,5 |
25 |
As |
75,0 |
As2O5 |
-462,5 |
26 |
Ba |
68,5 |
BaO |
-279,0 |
27 |
C |
36,0 |
CO |
-331,5 |
28 |
Cu |
32,0 |
Cu2O |
-43,3 |
29 |
N |
70,0 |
N2O |
+205,2 |
30 |
H |
4,0 |
H2O |
-483,6 |
34
Таблица III.2
Номер |
Уравнение реакции |
варианта |
|
1CH4 (г) + 2O2 (г) = CO2 (г) + 2H2O (г)
2CO (г) + H2O (г) = CO2 (г) + H2 (г)
32H2S (г) + 3O2 = 2H2O (ж) + 2SO2 (г)
42CH3OH (ж) + 3O2 (г) = 4H2O (ж) + 2CO2 (г)
54HCl (г) + O2 (г) = 2Cl2 (г) + 2H2O (г)
6CaCO3 (к) + HCl (ж) = CaCl2 (к) + CO (г)
7 |
3Fе2О3 (к) + Н2 (г) = 2Fе3O4 (к) + Н2О (г) |
8 |
Fе2О3 (к) + 3Н2 (г) = 2Fе (к) + 3Н2О (г) |
9 |
Fе3О4 (к) + 4Н2 (г) = 3Fе (к) + 4Н2О (г) |
10Fе3О4 (к) + Н2 (г) = 3FеО (к) + Н2О (г)
11СО (г) + 2Н2 (г) = СН3ОН (ж)
12 |
СО(г) + 3Н2 (г) = СН4 (г) + Н2О (г) |
13MgО (к) + H2 (г) = MgCO3 (к) + H2O (ж)
14C (граф) + 2 N2O (г) = CO2 + 2 N2 (г)
154NH3 (г) + 3O2 (г) = 2N2 (г) +6H2O (ж)
16SO2 (г) + CO2 (г) = SO3 (г) + CO (г)
174NH3 (г) + 5O2 (г) = 4NO (г) + 6H2O (г)
182Cl2 (г) + O2 (г) = 2Cl2O (г)
192ZnS (к) + 3O2 (г) = 2ZnO (к) + 2SO2 (г)
20CaO (к) + 3C (граф) = CaC2 (к) + CO (г)
21H2S (г) + Cl2 (г) = 2HCl (г) + S (к)
22H2S (г) + I2 (г) = 2HI (г) + S (к)
23Al2O3 (к) + 3SO3 (г) = Al2(SO4)3 (к)
242H2S (г) + O2 (г) = 2H2O (г) + 2S (к)
254HCl (г) + O2 (г) = 2H2O (г) + 2Cl2 (г)
262P (т) + Н2 (г) + 3О2 (г) = 2 НРО3 (ж)
27С2Н5ОН (ж) + 3О2 (г) = 2СО2 (г) + 3Н2О (г)
282NH4NO3 (к) = 4Н2О (г) + О2 (г) + 2N2 (г)
292PbS (к) + 3О2 (г) = 2PbO (к) + 2SO2 (г)
30SO2 (г) + 2H2S (г) = 3S (к) + 2Н2О (г)
35