Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Алгоритм решения задач по химии. Часть 1. Практикум. Учебное пособие
.pdf
40 (ω – 25) 1
25 1
=
40 2
ω
25 (40 – ω) 2
Решая полученное уравнение, находим значение ω = 30 %.
Ответ: 30 %.
Задачи для самостоятельного решения
1. Какаю массу соли и воды надо взять для приготовления раствора с массовой долей сульфата натрия 0,12 массой
40 кг?
Ответ: 4,8 кг сульфата натрия и 35,2 кг воды.
2. Какую массу медного купороса CuSO4∙5H2O и воды
надо взять для приготовления раствора сульфата меди (II) массой 40 кг с массовой долей CuSO4 2 %?
Ответ: 1,25 кг медного купороса и 38,75 кг воды.
3. Железный купорос FeSO4∙7H2O массой 3,5 г раствори-
ли в 40 г воды. Определите массовую долю сульфата железа (II)
в полученном растворе.
Ответ: 4,4 %.
4. Какой объем раствора серной кислоты с массовой долей 88 % и плотностью 1,8 г/см3 надо взять для приготовления
раствора кислоты объемом 300 см
3
с массовой долей H2SO4 40 %
и плотностью 1,3 г/ см3?
Ответ: 40 %.
5. Определите массовую долю гидроксида натрия в рас-
творе, полученном растворением 9,2 г натрия в 1 дм
3
воды.
Ответ: 1,2 %.
41
6. При выпаривании 200 г раствора с массовой долей соли
гом
dν dC
υ = =
Vdτ dτ
гет
dν
υ=
Fdτ
сред
ΔC
υ=
Δt
20 % образовалось 10 кристаллического вещества. Масса раствора после выпаривания – 110 г. Определите массовую долю
растворенного вещества в растворе после выпаривания.
Ответ: 27,3 %.
7. Из 100 г раствора с массовой долей NaCl 30 % выпариванием удалили 40 г воды. Определите массовую долю хлорида
натрия в полученном растворе.
Ответ: 5 %.
8. Смешали 400 г раствора с массовой долей H2SO4 5 % и
200 г раствора с массовой долей серной кислоты 14 %. Определите массовую долю кислоты в полученном растворе.
Ответ: 8 %.
9. ХИМИЧЕСКАЯ КИНЕТИКА
Химическая кинетика изучает скорость и механизм
реакции.
Скорость реакции υ определяется изменением количества
вещества в единицу времени в единице объема V
(гомогенная реакция, [υ
поверхности F (гетерогенная реакция, [υ
] = моль/(дм3∙с)) или на единице
гом
] = моль/(м2∙с)):
гет
,
.
В ходе реакции количество продуктов реакции
увеличивается, а исходных веществ – уменьшается.
Истинная скорость реакции не остается постоянной в
течение реакции, поэтому вводят понятие средней скорости
реакции в некотором промежутке времени Δt:
,
где ΔС – изменение концентрации вещества за промежуток времени Δt.
42
Зависимость скорости реакции от концентрации
21
21
t -t
10
tt
υ = υ γ
выражается законом действующих масс: скорость химической
реакции прямо пропорциональна произведению концентраций
реагирующих веществ.
Например, для реакции
aA + bB pP + qQ
скорость выражаются следующим кинетическим уравнением:
= k ∙ [A]a [B]b,
где [A] и [B] – молярные концентрации (моль/дм3) веществ А и
В; k – константа скорости реакции, численно равная скорости
реакции, при единичных концентрациях реагирующих веществ.
Константа скорости зависит от природы реагирующих веществ
(реагентов), температуры и присутствия катализаторов, но не
зависит от концентрации реагентов.
Закон действия масс справедлив только для элементарных
реакций, протекающих в газах или в разбавленных растворах
(гомогенные системы). В реакциях с участием твердых веществ
(гетерогенные системы) скорость зависит от поверхности
соприкосновения между реагирующими веществами и не
зависит от массы твердого вещества:
С(т.)
+ О2 (г.) = СО
(г.); υ = k [О2].
2
Зависимость скорости реакции от температуры
определяется правилом Вант-Гоффа (1884 г.): при повышении
температуры на каждые 10 ºС скорость химической реакции
возрастает в 2-4 раза. Правило Вант-Гоффа выражается
уравнением:
43
где υ
- скорость химической реакции при температуре t1; υ
t
1
t
2
скорость реакции при температуре t2; - температурный
коэффициент скорости реакции, имеющий значение от 2 до 4.
В этом разделе встречаются задачи, в которых оценивается зависимость скорости реакции от концентрации исходных
веществ, давления, температуры.
Алгоритм решения задач
1. Если спрашивается, как изменяется скорость реакции при из-
менении концентрации одного (или нескольких) исходных
веществ, то следует записать выражение закона действующих масс для данной реакции. В случае участия в реакции
газообразных веществ, вместо концентрации в условии может фигурировать давление.
2. Оценить кратность изменения концентрации компонентов,
подставить "новые" значения концентрации в выражение для
закона действующих масс, оценить изменение скорости реакции.
3. Если в задаче говорится о скорости или времени реакции как
функции температуры, то следует записать выражение для
правила Вант-Гоффа.
Задача 1.
Как изменится скорость реакции: 2NO
(Г)
+ О
= 2NO
2(Г)
2(Г)
,
если увеличить давление в системе в 2 раза?
Решение.
Запишем кинетическое уравнение процесса до изменения давления в системе:
=k[NO]
0
2
[O2]н.
н
Вследствие увеличения давления или уменьшения объема в этой
гомогенной газообразной системе концентрация каждого из реагирующих веществ увеличится в 2 раза:
-
44
[NO]к = 2[NO]н, [O2]к = 2[O2]н.
2
Н
2
кН
2
0
Н
2
Н
(2 NO ) (2 O )
= = 8.
NO O
k
υ
υ
k
2
6
нач
2 3 3 3
дм моль моль моль
0,4 0,3 0,5 0,03
моль с дм дм дм с
υ
Следовательно, кинетическое уравнение процесса после изменения давления будет иметь вид:
= k(2[NO]н)2(2[O2]н).
к
Разделив величину k на 0, определим, как изменится скорость
реакции:
Ответ: скорость увеличится в 8 раз.
Задача 2.
Гомогенная реакция между веществами А и В выражается уравнением А + 2В = С. Начальные концентрации исходных веществ
составляют: [A]0 = 0,3 моль/дм
3
, [В]
= 0,5 моль/дм
0
3
. Константа
скорости реакции равна 0,4 дм6/(моль2∙c). Найти начальную скорость реакции и скорость реакции по истечении некоторого
времени, когда концентрация вещества С составит 0,2 моль/ дм3.
Решение.
Запишем кинетическое уравнение данного гомогенного процесса:
= k[A][В]2.
Начальная скорость реакции будет равна:
Для расчета конечной скорости реакции необходимо знать, конечные концентрации вещества А и В, так как они уменьшаются
в ходе реакции.
45
[A]1=[A]0-[A],
120 - 100
10
120 100
= 2,2υυ
[В]1=[В]
- [В],
0
где [A] и [В]– изменение концентрации вещества А и В к моменту времени, когда образовалось 0,2 моль вещества С.
Для определения изменения концентраций веществ А и В
воспользуемся уравнением реакции и составим пропорции:
1 моль в-ва А в ходе реакции дает 1 моль в-ва С,
Х моль А ─ 0,2 моль С.
Х = 0,2 моль, [A] = 0,2 моль/дм3, [A]1 = 0,3 – 0,2 = 0,1 моль/дм3.
2 моль в-ва В в ходе реакции дает 1 моль в-ва С,
Х моль В ─ 2 моль С.
Х = 0,4 моль, [В] = 0,4 моль/дм
3
, [В]
= 0,5 – 0,4 = 0,1 моль/дм3.
1
Определив конечные концентрации веществ А и В, рассчитаем
конечную скорость реакции:
1
= k[A]
2
[В]
= 0,40,10,12 = 0,0004 (моль· дм
1
1
-3∙с-1
).
Ответ:
= 0,03 моль/(дм3∙с),
нач
= 0,0004 моль/(дм3∙с).
1
Задача 3.
При 100 °С некоторая реакция заканчивается через 5 мин. Определить, через какое время закончится реакция, если ее проводить при 120 °С, температурный коэффициент скорости реакции равен 2,2.
Решение.
Для решения задачи воспользуемся правилом Вант-Гоффа, которое в нашем случае следует записать так:
.
46
120
120
1
=υ
τ
100
100
1
=υ
τ
120 100
2
10
120 100
1 1 1
2,2 2,2
5
120
2
5
1,08.
2,2
Так как скорость реакции обратно пропорциональна времени
протекания реакции, то:
;
.
Тогда зависимость скорости реакции от температуры примет
вид:
.
Ответ: при 120 °С реакция закончится через 1,08 мин.
Задачи для самостоятельного решения
1. Как изменится скорость гомогенного процесса:
2Н
+ + О2 = 2Н2О, если повысить давление в системе в 4 раза?
2
Ответ: увеличится в 64 раза.
2. Во сколько раз повысится скорость химической реак-
ции при увеличении температуры процесса от 20 до 50 °С, если
температурный коэффициент скорости реакции равен 2?
Ответ: увеличится в 8 раз.
3. Окисление серы и еѐ диоксида протекают по уравнени-
ям: а) S
(Т)
+ О
2(Г)
= SO
; б) 2SO
2(Г)
2(Г)
+ O
= 2SO
2(Г)
. Как изменит-
3(Г)
ся скорость каждой из этих реакций, если объем каждой из систем уменьшить в 3 раза?
Ответ: а) увеличится в 9 раз; увеличится в 27 раз.
4. Гомогенный процесс протекает по уравнению:
Н
+ J2 = 2HJ. Константа скорости реакции при некоторой тем-
2
пературе равна 0,16 дм3/(моль∙c). Исходные концентрации реагирующих веществ равны: [H2]
[J2]
= 0,05 моль/дм3. Вычислите начальную скорость реакции
нач
= 0,04 моль/дм3,
нач
и скорость процесса, когда концентрация водорода уменьшилась до 0,03 моль/ дм3.
Ответ:
= 3,2·10-4 моль/(дм3∙с);
нач
= 1,92·10-4 моль/(дм3∙с).
τ
47
5. Как изменится скорость реакции, протекающей в газо-
вой фазе, при повышении температуры на 30 °С, если температурный коэффициент скорости реакции равен 2,2?
Ответ: скорость увеличится в 10,6 раза.
6. Во сколько раз изменится скорость гомогенной реак-
ции: 2SO
2(Г)
+ O
= 2SO
2(Г)
, если объем газовой смеси умень-
3(Г)
шить в 3 раза?
Ответ: скорость увеличится в 27 раз.
7. Напишите выражение кинетического уравнения про-
цесса: 2СО + О
= 2СО
2
, определите во сколько раз увеличится
2
скорость реакции, если: а) повысить концентрацию СО в 3 раза,
б) повысить концентрацию О
в 2 раза, в) повысить давление в
2
системе в 2 раза?
Ответ: а) скорость увеличится в 9 раз; б) скорость увеличится в
2 раза; в) скорость увеличится в 8 раз.
8. Как изменится скорость гомогенной реакции:
N2 + 2O2 = 2NO2, если: а) увеличить концентрацию азота в
2 раза, б) увеличить концентрацию кислорода в 2 раза,
в) уменьшить объем газовой смеси в 2 раза?
Ответ: а) скорость увеличится в 2 раза; б) скорость увеличится в
4 раза; в) скорость увеличится в 8 раз.
9. Как изменится скорость реакции, протекающей в газо-
вой фазе, при увеличении температуры с 10 до 50 °С, если температурный коэффициент скорости реакции равен 2,3?
Ответ: скорость реакции увеличится в 28 раз.
10. Гомогенный процесс протекает по уравнению:
Н
+ Cl2 = 2HCl. Константа скорости реакции при определен-
2
ной температуре равна 0,18 дм3/(моль∙c). Начальные концентрации реагирующих веществ составляли:
[H2]
= 0,06 моль/дм
нач
3
, [Cl2]
= 0,05 моль/дм3. Вычислите
нач
начальную скорость реакции и скорость процесса, когда концентрация водорода уменьшилась до 0,02 моль/дм
Ответ:
нач
= 5,4·10
-4
моль/(дм
3
∙c);
= 3,6·10
τ
-5
3
.
моль/(дм
3
∙c).
48
11. Во сколько раз увеличится скорость процесса при по-
вышении температуры на 50 °С, если температурный коэффициент скорости реакции равен 2,5?
Ответ: скорость увеличится в 98 раз.
12. Константа скорости некоторого гомогенного процес-
са: А + 2В = АВ
реакции в начальный момент времени, если [A]
= [B]
= 0,4 моль/дм
нач
, равна 0,002 дм6/(моль2∙c). Найдите скорость
2
=
3
? Какова будет скорость процесса через
нач
некоторое время, если к этому моменту концентрация вещества [AB2] составила 0,1 моль/дм3?
Ответ:
= 1,28·10
нач
-4
моль/(дм
3
∙c);
= 1,2·10-4 моль/(дм3∙c).
τ
13. Гомогенный процесс протекает по уравнению:
2SO
2(Г)
+ О
2(Г)
= 2SO
. Во сколько раз возрастет скорость реак-
3(Г)
ции, если давление в системе повысить в 3 раза?
Ответ: скорость увеличится в 27 раз.
14. Гомогенная реакция протекает по уравнению:
2NO + O2 = 2NO2. Концентрации веществ равны:
[NO] = 0,03 моль/дм
3
, [O
]= 0,05 моль/дм3. Как изменится ско-
2
рость реакции, если концентрации реагирующих веществ увеличить в 2 раза?
Ответ: скорость увеличится в 8 раз.
15. Гомогенная реакция между веществами А и В вы-
ражается уравнением: 2А + В = С. Начальные концентрации веществ равнялись: [A]
[B]
= 0,4 моль/дм3. Константа скорости реакции
нач
= 0,5 моль/дм3,
нач
равна 0,1 дм6/(моль2∙c). Вычислите начальную скорость реакции и скорость реакции по истечении некоторого времени,
когда концентрация вещества В уменьшилась на 0,2 моль/л.
Ответ:
= 0,01 моль/(дм3∙c),
нач
= 0,0002 моль/(дм3∙c).
t
16. Константа скорости гомогенной реакции:
2А + В = А
в начальный момент времени, если [A]
[B]
нач
торое время, если к этому моменту образовалось 0,2 моль/дм
ства А
Ответ:
В, равна 0,02 дм6/(моль2∙c). Определите скорость реакции
2
= 0,5 моль/дм3,
нач
= 0,4 моль/дм
В?
2
t
= 4·10
-5
моль/(дм
3
. Чему будет равна скорость реакции через неко-
3
∙c).
3
веще-
49
10. ХИМИЧЕСКОЕ РАВНОВЕСИЕ
Для любой обратимой реакции
aA + bB + ... ↔ pP + qQ + ...
через некоторое время наступает химическое равновесие, при
котором скорости реакции в обоих направлениях равны,
поэтому количества исходных веществ A, B, … и продуктов
реакции P, Q, … перестают изменяться.
Концентрации веществ, установившиеся при
химическом равновесии, называются равновесными
концентрациями, они обязательно удовлетворяют условию
равновесия – закону действия масс:
[P]p [Q]q ... Продукты реакции
Kр = —————— —————————.
[A]a [B]b ... Исходные вещества
Принято не записывать в это выражение постоянные кон-
центрации (концентрации твердых веществ, а также воды в разбавленных водных растворах). Постоянная K
называется кон-
р
стантой равновесия, она зависит только от природы реагирующих веществ и температуры.
В задачах такого типа необходимо определить смещение
равновесия химической реакции в ту или иную сторону в зависимости от изменения какого-то параметра, найти равновесные
или исходные концентрации компонентов, записать константу
равновесия данного процесса.
Алгоритм решения задач
1. Запишите уравнение химической реакции.
2. Запишите константу равновесия.
3. Если в задаче говорится о смещении химического равновесия, то
следует воспользоваться принципом Ле Шателье и оценить на
50
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]