Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Общая химия. Учебное пособие-1
.pdf
31
рость реакции при исходной концентрации оксида азота (I) 3,0 моль/л и скорость этой реакции, если концентрация исходного реагента уменьшилась в 3 раза.
13. Реакция идет по схеме Н2 + I2 ↔ НI. Константа скорости этой реакции
равна 0,16. Вычислите начальную скорость реакции при исходной концентрации водорода 0,6 моль/л и йода 0,7 моль/л и скорость реакции при концентрации водорода 0,6 моль/л.
14. Как изменится скорость прямой и обратной реакции системы N2 +
+ H2 ↔ NH3 при повышении давления в 3 раза?
15. Как изменится скорость прямой и обратной реакции системы СО2 +
+ С ↔ СО при уменьшении объема в 2 раза?
16. Концентрация реагентов, участвующих в реакции N2 + О2 ↔ NО,
в исходный момент была: азот — 0,064 моль/л; кислород — 0,1 моль/л. Вычислите концентрацию реагентов в момент, когда концентрация азота уменьшилась в два раза.
17. Концентрация реагентов, участвующих в реакции NО + О2 ↔ NО2,
в некоторый момент стала: оксид азота (II) — 1,2 моль/л; кислород — 0,5 моль/л;
оксид азота (IV) — 0,5 моль/л. Вычислите концентрации реагентов в первоначальный момент реакции.
18. Вычислите скорость реакции разложения в начальный момент N2О5 ↔
↔ NО2 + О2, если в сосуде объемом 2 л содержится 0,16 моль оксида азота (V),
константа скорости — 1,5 × 10–3. Какова будет скорость реакции, если образовалось 0,02 моль кислорода?
19. Концентрация реагентов, участвующих в реакции N2 + H2 ↔ NH3,
в некоторый момент была: азот — 0,5 моль/л; водород — 1,5 моль/л; аммиак —
1,0 моль/л. Вычислите концентрацию реагентов в момент, когда концентрация
азота стала 0,2 моль/л.
20. Как изменится скорость реакции и ее продолжительность при понижении температуры в системе от 80 до 30 °С, если температурный коэффициент
равен двум?
32
РАЗДЕЛ 7. ХИМИЧЕСКОЕ РАВНОВЕСИЕ
Все химические реакции можно разбить на две группы: необратимые
и обратимые реакции. Необратимая реакция может протекать только в одном
направлении. Обратимая реакция может протекать как в прямом, так и в обратном направлениях.
Химическое равновесие — состояние системы реагирующих веществ,
когда состав и свойства системы не меняются в течение длительного времени,
характеризуется равенством скоростей прямой и обратной реакции:
υ→ = υ←;
аА + вВ ↔ dD + eE;
υ→ = k→ × [A]а × [B]в;
υ ← = k← × [D]d × [E]e.
Константа химического равновесия — отношение произведения равно-
весных концентраций продуктов реакции к произведению равновесных концентраций исходных веществ в степенях их стехиометрических коэффициентов:
âa
ed
BA
ED
][][
][][
k
k
=
→
;
p
k
k
k
=
→
;
âa
ed
p
BA
ED
k
][][
][][
=
.
В условиях химического равновесия концентрации исходных веществ
и продуктов реакции не изменяются во времени и называются равновесными.
Термодинамическое условие химического равновесия:
∆G = 0.
Принцип Ле-Шателье: если на систему, находящуюся в равновесии,
оказать какое-либо воздействие, то равновесие смещается в сторону процесса,
уменьшающего данное воздействие.
Влияние состава реакционной смеси:
– при увеличении концентраций исходных веществ или при уменьшении
концентраций продуктов реакции равновесие смещается в сторону протекания
прямой реакции (вправо);
33
– при увеличении концентраций продуктов реакции или уменьшении
концентраций исходных веществ равновесие смещается в сторону протекания
обратной реакции (влево).
Влияние температуры:
– при увеличении температуры равновесие смещается в сторону протекания эндотермической реакции (Н 0);
– при уменьшении температуры равновесие смещается в сторону протекания экзотермического процесса (Н 0).
Влияние общего давления в системе: при увеличении общего давления
(уменьшении объема) равновесие смещается в сторону протекания той реакции,
при которой уменьшается количество газообразных веществ (в сторону уменьшения суммарного объема газов).
Пример 1: при синтезе аммиака N2 + 3H2 ↔ 2NH3 равновесие установилось при следующих концентрациях реагирующих веществ:
лмольс /4
2
N
=
;
;/2
2
лмольс
Н
=
лмольс /6
2
NH
=
. Рассчитайте константу равновесия этой реакции
и исходные концентрации азота и водорода.
Решение: константа равновесия этой реакции равна:
.1,1
84
36
24
6
c
c
K
3
2
3
N
2
NH
22
3
=
=
=
=
H
c
На образование 2 моль NH3 расходуется 1 моль N2, а на образование
6 моль NH3 потребовалось: 6 / 2 = 3 моль N2. Учитывая равновесную концентрацию N2, находим его исходную концентрацию:
./734
2
N
лмольс
исх
=+=
На об-
разование 2 моль NH3 необходимо израсходовать 3 моль H2, а для получения
6 моль NH3 требуется H2: 3 × 6 / 2 = 9 моль. Тогда исходная концентрация H2:
./1192
2
лмольс
исхН
=+=
Пример 2: реакция протекает по уравнению 4 НCl + O2 ↔ 2H2O + 2Cl2.
В сторону какой реакции сместится химическое равновесие, если концентрации всех реагирующих веществ увеличить в 3 раза?
Решение: начальные скорости прямой и обратной реакций были следую-
щие:
2
4
1 OHClпрям
ccК=
,
22
2
22
ClOHобр
ccK=
.
После увеличения концентраций скорость прямой реакции станет:
,2433)3()3(
222
4
1
4
1
54
1 oHClOHClOHClпрям
ccKccKccK ===
т. е. возрастет в 243 раза.
34
Скорость обратной реакции:
,813)3()3(
22
2
22
2
42
l
2
2
222222
ClOHCjOHСОHобр
ccKccKccK ===
т. е. возрастет в 81 раз. Следовательно, равновесие реакции сместится в сторону
прямой реакции.
Задания для самоконтроля
1. Дайте определение состояния химического равновесия.
2. Дайте определение константы равновесия.
3. Приведите термодинамическое условие химического равновесия.
4. Сформулируйте принцип Ле-Шателье.
Контрольные задания
1. Константа равновесия системы N2 + H2 ↔ NH3 при некоторой температуре равна 0,1. Известны равновесные концентрации реагентов: водород —
0,2 моль/л; аммиак — 0,08 моль/л. Вычислите исходные концентрации азота
и водорода.
2. Равновесие системы NО + О2 ↔ NО2 установилось при концентрациях
реагирующих веществ: кислород — 0,2 моль/л; оксид азота (II) — 0,3 моль/л;
оксид азота (IV) — 0,5 моль/л. Вычислите константу равновесия и исходные
концентрации реагентов.
3. Вычислите равновесные концентрации воды и оксида углерода (II),
константу равновесия в реакции: СО + Н2О ↔ СО2 + Н2. Известны исходные
концентрации реагентов: вода — 0,4 моль/л, оксид углерода (II) — 0,25 моль/л.
Равновесные концентрации продуктов реакции: водород — 0,15 моль/л, оксид
углерода (IV) — 0,15 моль/л.
4. Равновесие системы SO2 + О2 ↔ SO3 установилось при концентрациях
реагирующих веществ: кислород — 0,1 моль/л; оксид серы (IV) — 0,4 моль/л;
оксид серы (VI) — 0,5 моль/л. Вычислите константу равновесия и исходные
концентрации реагентов.
5. В системе А + 2В ↔ С равновесные концентрации реагентов: [А] =
= 0,06 моль/л; [В] = 0,12 моль/л; [С] = 0,08 моль/л. Вычислите константу равно-
весия и исходные концентрации реагентов.
6. Константа равновесия реакции разложения йодоводорода на простые
вещества при некоторой температуре равна 12,5 × 10–2. Рассчитайте процент
35
разложения йодоводорода в момент равновесия, если исходная концентрация
йодоводорода — 1,0 моль/л.
7. Вычислите равновесные концентрации водорода и азота, константу
равновесия в реакции: N2 + H2 ↔ NH3. Известны исходные концентрации реагентов: азот — 4 моль/л, водород — 6 моль/л; равновесная концентрация продукта реакции — 4 моль/л.
8. В сосуде объемом 2 л находится 6 моль оксида серы (IV) и 2 моль кислорода. Вычислите константу равновесия реакции окисления оксида серы (IV)
до оксида серы (VI) в момент, когда в реакцию вступило 60 % исходного количества оксида серы (IV).
9. Константа равновесия реакции С ↔ А + В равна 0,08. Равновесная концентрация вещества А составляет 0,06 моль/л. Вычислите исходную концентрацию и процент разложения вещества С.
10. Равновесие системы СО + Сl2 ↔ СОСl2 установилось при концентрациях реагирующих веществ: хлор — 0,2 моль/л, оксид углерода (II) —
0,3 моль/л; продукта реакции — 0,5 моль/л. Вычислите константу равновесия
и исходные концентрации реагентов.
11. Реакция протекает по схеме: N2О ↔ N2 + О2, начальная концентрация
оксида азота (I) равна 0,8 моль/л. Вычислите константу равновесия, если в момент равновесия процент разложения исходного реагента составлял 25 %.
12. Вычислите константу равновесия системы С + Н2О ↔ СО + Н2, если
равновесная концентрация водорода равна 0,15 моль/л, а концентрация исходных реагентов уменьшилась в два раза.
13. Вычислите константу равновесия системы 2С ↔ А + В, если началь-
ная концентрация вещества С равна 3 моль/л, равновесная концентрация этого
же вещества — 2 моль/л.
14. Вычислите константу равновесия системы СО2 + С ↔ СО, если равновесные концентрации реагентов равны 0,6 моль/л. Чему равна исходная концентрация оксида углерода (IV)?
15. Равновесие системы НСl + О2 ↔ Сl2 + Н2О установилось при следующих концентрациях реагентов: хлороводород — 0,4 моль/л, кислород —
1,2 моль/л, хлор — 0,4 моль/л, вода — 0,4 моль/л. Вычислите константу равновесия системы, исходные концентрации реагентов.
16. Исходные концентрации оксида азота (II) и хлора равны 0,1 моль/л.
Вычислите константу равновесия системы NО + Сl2 ↔ NОСl2, если к моменту
равновесия в реакцию вступило 20 % оксида азота (II).
17. Равновесие системы Н2S + О2 ↔ SO2 + Н2О установилось при концентрациях реагирующих веществ: кислород — 0,1 моль/л; сероводород —
36
0,4 моль/л; оксид серы (IV) — 0,4 моль/л; вода — 0,4 моль/л. Вычислите константу равновесия и исходные концентрации реагентов.
18. В некоторый момент времени концентрации реагентов в системе
NН3 + О2 ↔ NО + Н2О были равны: аммиак — 1,5 моль/л; кислород —
0,5 моль/л; вода — 1,8 моль/л. Вычислите константу равновесия и исходные
концентрации реагентов.
19. В реакционном сосуде объемом 0,5 л протекает синтез хлороводорода
с участием 0,6 г водорода и 3,6 г хлора. Вычислите константу равновесия, если
в сосуде образовалось 18 г хлороводорода.
20. Константа равновесия реакции С + D ↔ А + В равна 1,0. Вычислите
равновесные концентрации реагентов, если в исходный момент в сосуде объемом 5 л содержалось 20 моль вещества С и 30 моль вещества D.
21. Укажите внешние воздействия (давление, температура, объем, концентрация, катализатор) на равновесную систему для смещения равновесия
в сторону продуктов реакции:
1. N
2(г)
+ H
2(г)
↔ NH
3(г)
, ∆Н0 < 0.
2. СО
2(г)
+ С
(т)
↔ СО
(г)
, ∆Н0 > 0.
3. NО
(г)
+ О
2(г)
↔ NО
2(г)
, ∆Н0 > 0.
4. SO
2(г)
+ Сl
2(г)
↔ SO2Сl
2(г),
∆Н0 < 0.
5. РСl
5(г)
↔ РСl
3(г)
+ Сl
2(г)
, ∆Н0 > 0.
6. СО
(г)
+ О
2(г)
↔ СО
2(г)
, ∆Н0 < 0.
7. N
2(г)
+ О
2(г)
↔ NО
(г)
, ∆Н0 > 0.
8. Н
2(г)
+ О
2(г)
↔ Н2О
(г)
, ∆Н0 > 0.
9. О
2(г)
↔ О
3(г)
, ∆Н0 < 0.
10. SO
2(г)
+ О
2(г)
↔ SO
3(г),
∆Н0 < 0.
11. Н
2(г)
+ Br
2(г)
↔ НBr
(г)
, ∆Н0 > 0.
12. N
2(г)
+ О
2(г)
↔ NО
2(г)
, ∆Н0 > 0.
13. СН
4(г)
+ О
2(г)
↔ СО
2(г)
+ Н2О
(г)
, ∆Н0 < 0.
14. S
(т)
+ О
2(г)
↔ SO
2(г),
∆Н0 < 0.
15. С
(т)
+ О
2(г)
↔ СO
2(г)
, ∆Н0 < 0.
16. НCl
(г)
+ О
2(г)
↔ Н2O
(г)
+ Cl
2(г)
, ∆Н0 < 0.
17. NО
(г)
+ NО
2(г)
↔ N2О
3(г)
, ∆Н0 > 0.
18. Fe2О
3(к)
+ СО
(г)
↔ FeО
(к)
+ СО
2(г)
, ∆Н0 > 0.
19. Н
2(г)
+ О
2(г)
↔ Н2О
2(ж)
, ∆Н0 < 0.
20. N2О
4(г)
↔ NО
2(г)
, ∆Н0 > 0.
37
РАЗДЕЛ 8. РАСТВОРЫ.
СПОСОБЫ ВЫРАЖЕНИЯ СОСТАВА РАСТВОРОВ
Растворы — гомогенные системы, состоящие не менее чем из двух ком-
понентов: растворителя и растворенного вещества.
При растворении происходит взаимодействие растворенного вещества
и растворителя — сольватация. Продукты называются «сольваты» (для водных
растворов — «гидраты»).
Растворенными веществами при одинаковом агрегатном состоянии
компонентов обычно считаются компоненты, находящиеся в недостатке, в то
время как компонент, находящийся в избытке, считается растворителем.
Количественной характеристикой раствора является его концентрация.
Массовая доля растворенного вещества (w%) выражается отношением
массы растворенного вещества (m
вещества
) к массе раствора (m
раствора
), умножен-
ным на 100 %:
%100
m
m
w
раствора
вещества
=
;
,Vm
раствора
=
где V — объем раствора, мл;
ρ — плотность раствора, г/мл.
Молярная концентрация раствора (С) показывает количество моль растворенного вещества в объеме раствора:
)/(
VM
m
c
раствор авещества
вещества
лмоль
=
,
где m
вещества
— масса вещества, г;
M
вещества
— молярная масса вещества, г/моль;
V — объем раствора, л.
Молярная концентрация эквивалента (нормальность раствора) показы-
вает количество моль-эквивалентов растворенного вещества в объеме раствора:
)/(
VM
m
растворавещества э
вещества
лмольс
э
=
,
38
где m
вещества
— масса вещества, г;
M
э вещества
— молярная масса эквивалента вещества, г/моль;
V — объем раствора, л.
Титр показывает количество грамм растворенного вещества в 1 мл рас-
твора:
)/(
V
m
раствора
ва-в
млгТ =
.
Моляльная концентрация (моляльность) — число моль растворенного
вещества n(В), содержащихся в 1 кг растворителя (m(A) = 1 кг = 1 000 г):
С
m
(В) = n(В) / m(A) [моль/кг или моль/1 000 г].
Молярная доля — отношение числа молей растворенного вещества n(В)
(или растворителя n(A)) к общему количеству моль компонентов раствора
n(В) + n(A):
)B(n)A(n
)B(n
)B(X
+
=
;
)B(n)A(n
)A(n
)A(X
+
=
;
X(A) + X(В) = 1.
Различные способы выражения концентрации активно используются
в пищевых технологиях. Химический состав продуктов питания выражается
массовой долей компонентов в них. Например, молоко имеет состав: жир 2,5 %;
белок 2,8 %; углеводы 4,7 %. В практике лабораторного анализа методами титрования применяют молярную концентрацию эквивалента реагентов.
Пример: в 1 кг воды растворено 198 г серной кислоты, плотность полу-
ченного раствора — 1,11 г/см3 (1,11 г/мл).
Найти:
а) массовую долю H2SO4;
б) молярную концентрацию;
в) молярную концентрацию эквивалента;
г) титр.
39
Решение:
1) m
р-ра
= m
(
)
2
ОН
+ m
)H(
42
SO
; m
р-ра
= 1 000 г + 198 г = 1 198 г;
2) V
р-ра
= m
р-ра
/ ρ = 1 198 г / 1,11 г/мл = 1 079 мл = 1,079 л.
млг
мл
г
Т
V
m
Т
SO
рар
SOH
SO
/1953,0
1079
198
;
4
2
H
42
42
H
===
−
;
3)
мольгSO/98M
42
H
=
;
лмоль
л
г
VM
С
мол ьг
SO
SO
/87,1
98079,1
198
m
)/(
H
H
42
42
=
=
=
;
4)
мольг
мольг
M
SOH
SO
/49
2
/98
2
M
42
42
эH
===
.
лмоль
л
г
VM
С
мол ьг
SOэ
SO
э
/74,3
49079,1
198
m
)/(
H
H
42
42
=
=
=
.
Задания для самоконтроля
1. Дайте определение массовой доли вещества в растворе.
2. Дайте определение молярной концентрации.
3. Дайте определение молярной концентрации эквивалента.
4. Дайте определение титра раствора.
5. Дайте определение моляльной концентрации.
6. Дайте определение молярной доли.
Контрольные задания
1. Рассчитайте массу сульфита натрия, необходимую для приготовления
3 л раствора с массовой долей вещества 8 % (плотность раствора 1,075 г/мл).
2. Рассчитайте молярную концентрацию азотной кислоты с массовой до-
лей 24 % (плотность раствора 1,14 г/мл).
3. 20 г пентагидрата сульфата меди растворили в 80 мл воды. Рассчитайте
массовую долю соли в полученном растворе.
4. Смешали 60 г 7 %-го раствора и 50 г 15 %-го раствора нитрата калия.
Определите массовую долю соли в полученном растворе.
5. Какой объем серной кислоты с массовой долей 24 % (плотность рас-
твора 1,17 г/мл) необходим для приготовления 2 л раствора с молярной концентрацией эквивалента 0,2 моль/л?
6. Какой объем 50 %-го раствора азотной кислоты (плотность раствора
1,31 г/мл) необходим для нейтрализации раствора, содержащего 32 г гидрокси-
да натрия?
40
7. Рассчитайте молярную концентрацию эквивалента серной кислоты
с массовой долей 62 % (плотность раствора 1,52 г/мл).
8. Какое количество вещества гидроксида калия содержится в 3 л раство-
ра с массовой долей вещества 26 % (плотность раствора 1,24 г/мл)?
9. В каком объемном соотношении необходимо смешать растворы, со-
держащие 12,6 г азотной кислоты в 1 л и 3,6 г гидроксида натрия в 1 л, для полной нейтрализации реагентов?
10. Какой объем раствора гидроксида натрия с концентрацией 0,1 моль/л
потребуется для полного осаждения железа из 50 мл раствора хлорида железа (II) с молярной концентрацией эквивалента 0,3 моль/л?
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]