Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Сборник задач по химии. Учебное пособие
.pdf
Контрольные задания
1. По термохимическому уравнению синтеза воды:
2H
2 (г)
+ O
= 2H2O
2 (г)
; ∆Ho = -572 кДж
(ж)
определите, какое количество теплоты выделится, если в реак-
цию вступило: а) 16 г кислорода; б) 67,2 дм3 водорода; в) образовалось 72 г воды.
2. По термохимическому уравнению горения метана:
СH
4 (г)
+ 2O
2 (г)
= СО
+ 2H2O
2 (г)
; ∆Ho = - 892 кДж
(ж)
рассчитайте, какое количество теплоты образуется при сгорании:
а) метана массой 0,032 кг; б) кислорода объемом 22,4 дм3 (н. у.) и
какой объем оксида углерода (IV) образуется, если выделяется
111,5 кДж теплоты (н. у.).
3. Определите тепловой эффект реакции:
2С2H
4 (г)
+ 5O
2 (г)
= 4СО
+ 2H2O
2 (г)
(ж)
,
если при сгорании этена (этилена) объемом 2,24 дм3 (н. у.) выделяется 65 кДж теплоты.
4. Определите тепловой эффект реакции:
СН
4(г)
+ 2O
2(г)
= СO
+ 2Н2O
2(г)
,
(г)
если при сгорании метана объемом 5,6 дм3 (н. у.) выделяется
222,5 кДж теплоты.
5. Определите тепловой эффект реакции:
КClO
= KCI
4(т)
+ 2O
(т)
2(г)
,
если при разложении 13,85 г перхлората калия поглощается
3,3 кДж теплоты.
6. Определите тепловой эффект химической реакции при
стандартных условиях: N
2(г)
+ O
= 2NO
2(г)
, если для реакции взя-
(г)
ли 5,6 дм3 азота и 11,2 дм3 кислорода; при этом поглотилось
45,2 кДж теплоты.
7. Определите объемы азота и кислорода, если при их взаи-
модействии поглотилось 45,2 кДж теплоты:
о
N
2 (г)
+ О
2 (г)
= 2NO
( г)
; Н
= 180,8 кДж.
8. Термохимическое уравнение горения серы имеет следую-
щий вид: S
(тв)
+ О
2 (г)
= SO
; Но = - 297 кДж. Сколько выделится
2 (г)
теплоты, если для реакции взяли 8 г серы и 11,2 дм3 кислорода?
81
4.4. Скорость химических реакций
.
||
12
12
c
cc
v
Скорость химических реакций выражается изменением
концентраций реагирующих веществ в единицу времени:
Концентрацию веществ обычно выражают в молях на 1 дм3
раствора, а время – в секундах или минутах. Если, например, исходная концентрация одного из реагирующих веществ составляла
1 моль/дм3, а через 4 с от начала реакции она стала 0,6 моль/дм3,
то скорость реакции будет равна (1 – 0,6) / 4 = 0,1 моль/(дм3·с).
Скорость химических реакций зависит от следующих факторов.
1. Влияние природы реагирующих веществ. Соединения
с ионной или ковалентной полярной связью в водных растворах
взаимодействуют между собой очень быстро. Скорость взаимодействия между собой соединений с неполярной ковалентной
связью разная и зависит от их химических свойств.
2. Влияние концентраций реагирующих веществ. Согласно закону действующих масс скорость химической реакции
прямо пропорциональна произведению концентраций реагирующих веществ: v = k ∙ с (А) ∙ с (В),
где с (А) и с (В) – молярные концентрации веществ А и В;
k – коэффициент пропорциональности, называемый констан-
той скорости реакции.
В случае гетерогенных реакций в выражение скорости реакции входят концентрации только тех веществ, которые находятся в газовой фазе или в растворе.
Например, для реакции: S
+ O
(т)
= SO
2(г)
скорость ре-
2(г)
акции равна:v=k ∙ с (O2).
3. Влияние температуры. Зависимость скорости реакции
от температуры определяется правилом Вант-Гоффа: при повышении температуры на каждые 10 оС скорость большинства
химических реакций увеличивается в 2 - 4 раза.
82
Математически эта зависимость выражается соотношением
,
10
12
12
ttvv
2
v
1
v
Дано:
с(Н2) = 3с
исх(Н2
)
с(Cl2) = 3с
исх
(Cl2)
Решение
H2 + Cl2 = 2HCl
1. Согласно закону действующих
масс скорость химической реакции равна:
v
исх
= k ∙ с
исх(H2
) ∙ с
исх
(Cl2).
Найти:
исх
v
v
.9
)Cl()H(
)(Cl)H(9
2исх2исх
2исх2исх
исх
cck
cck
v
v
где
,
- скорости реакции при конечной (t2) и начальной (t1)
температурах;
- температурный коэффициент, показывающий, во сколько
раз увеличивается скорость реакции с повышением температуры
реагирующих веществ на 10 оС.
4. Влияние присутствия катализаторов. Вещества, которые изменяют скорость, но не входят в состав продуктов реакции,
называют катализаторами. Катализаторы, которые увеличивают
скорость реакции, называются положительными. Например, скорость реакции разложения хлората калия увеличивается в присутствии оксида марганца (IV):
MnO
2
2KClO3 → 2KCl + 3O2.
Катализаторы, которые замедляют ход реакции, называются отрицательными или ингибиторами. Таким катализатором является, например, тетраэтилсвинец Pb(C2H5)4, который противодействует детонации топлива в двигателях внутреннего сгорания.
Пример 1. Как изменится скорость реакции водорода c хлором, если концентрации исходных веществ увеличить в 3 раза?
2. Если концентрации исходных веществ увеличить в 3 раза, то
v = k ∙с(H2) ∙с(Cl2)= k ∙3с
исх(H2
Ответ: скорость реакции водорода и хлора увеличится в 9 раз.
) ∙3с
(Cl2) = 9k ∙с
исх
исх(H2
) ∙с
(Cl2).
исх
83
Пример 2. Как изменится скорость реакции: 2Н2 + О2 = 2Н2О,
Дано:
2
1
2
P
P
Решение
1. Согласно закону Бойля-Мариотта:
P1·V1 = P2·V2,
повышение давления в 2 раза приводит к
уменьшению объемов веществ в 2 раза:
V2= V1/2.
Найти:
1
2
v
v
.8
O)()H(
)(O)H(8
212
2
1
212
2
1
1
2
cck
cck
v
v
Дано:
81
1
2
v
v
γ = 3
Решение
Исходя из зависимости скорости реакции от температуры, которая определяется
правилом Вант-Гоффа:
,
10
12
12
ttvv
находим:
Найти:
∆t = t2 – t1
.4081
3
log10log10
о
1
2
12
v
v
y
tt
если давление системы увеличить в 2 раза?
2. Так как молярная концентрация показывает число молей
вещества в объеме раствора этого вещества
с(Х) = n(X) / V(раствора Х),
то уменьшение объема в 2 раза приводит к росту концентраций
реагирующих веществ тоже в 2 раза:
с2(H2) = 2c1(H2); с2(O2) = 2c1(O2).
3. Скорости реакции до и после повышения давления
системы соответственно равны: v1 = k ∙с
v2 = k ∙с
2
(H2) ∙с2(O2) = k ∙22с
2
2
(H2) ∙2с1(O2) = 8k ∙с
1
2
(H2) ∙с1(O2),
1
2
(H2) ∙с1(O2).
1
Ответ: скорость реакции водорода и кислорода увеличится в 8 раз.
Пример 3. На сколько градусов надо повысить температу-
ру газообразной реакции, чтобы ее скорость увеличить в 81 раз?
Температурный коэффициент скорости реакции равен 3.
∆t =
Ответ: температуру реакции надо повысить на 40 оС.
84
Контрольные задания
1. Во сколько раз увеличится скорость реакции взаимодей-
ствия водорода и йода, если концентрации исходных веществ
увеличить в 4 раза?
2. Как изменится скорость реакции водорода c хлором, если
концентрации исходных веществ увеличить в 3 раза?
3. Как изменится скорость реакции фосфора с кислородом
(образуется Р2О5), если концентрации исходных веществ увеличить в 2 раза?
4. Как изменится скорость реакции водорода c кислородом,
если концентрации исходных веществ уменьшить в 2 раза?
5. Как изменится скорость реакции углерода c кислородом,
(образуется CO2), если концентрации исходных веществ уменьшить в 2 раза?
6. Как изменится скорость реакции: 2Fe + 3Cl2 = 2FeCl3,
если давление системы увеличит в 3 раза?
7. Как изменится скорость реакции: 2N2O = 2N2 + O2, если
давление системы уменьшить в 4 раза?
8. Как изменится скорость реакции: 2NO + H2 = N2 + 2H2O,
если давление системы увеличить в 4 раза?
9. Как изменится скорость реакции: C + O2 = CO2, если дав-
ление системы уменьшить в 3 раза?
10. Как изменится скорость реакции: 4P + 5O2 = 2P2O5,
если давление системы увеличить в 2 раза?
11. При температуре 50 оС скорость реакции равна
0,32 моль/(дм3 ∙ с). Какая скорость реакции при 10 оС, если температурный коэффициент скорости равен 2?
12. При температуре 40 оС скорость реакции равна
0,24 моль/(дм3 ∙ с). Какая скорость реакции при 20 оС, если температурный коэффициент скорости равен 2?
13. При температуре 60 оС скорость реакции равна
0,48 моль/(дм3 ∙ с). Какая скорость реакции при 20 оС, если температурный коэффициент скорости равен 3?
14. При температуре 10 оС скорость реакции равна
0,12 моль/(дм3 ∙ с). Какая скорость реакции при 30 оС, если температурный коэффициент скорости равен 3?
85
15. На сколько градусов надо повысить температуру газообразной реакции, чтобы ее скорость увеличить в 243 раза? Температурный коэффициент скорости реакции равен 3.
16. На сколько градусов надо повысить температуру газообразной реакции, чтобы ее скорость увеличить в 729 раз? Температурный коэффициент скорости реакции равен 3.
17. На сколько градусов надо повысить температуру газообразной реакции, чтобы ее скорость увеличить в 81 раз? Температурный коэффициент скорости реакции равен 3.
18. На сколько градусов надо понизить температуру газообразной реакции, чтобы ее скорость уменьшить в 32 раза? Температурный коэффициент скорости реакции равен 2.
19. На сколько градусов надо понизить температуру газообразной реакции, чтобы ее скорость уменьшить в 64 раза? Температурный коэффициент скорости реакции равен 2.
20. Рассчитайте температурный коэффициент скорости реакции, если при температуре 20 ºС реакция протекает за 4 минуты, при 30 ºС – за 1 минуту.
21. Определите скорость химической реакции, протекающей по схеме: PH3 + O2 → P2O3 + H2O; ΔHo = -2360 кДж при
50 оС (температурный коэффициент равен 3), если при стандартных условиях выделилось 118 кДж теплоты (константа скорости
реакции 0,3).
22. Определите скорость химической реакции, протекающей по схеме: С2H
4(г)
+ O
→ СO
2(г)
+ H2O
2(г)
); ΔHo = - 1360 кДж
(ж)
при 55 оС (температурный коэффициент равен 3), если при стандартных условиях выделилось 65 кДж теплоты (константа скорости реакции 0,1).
23. При 150 оС реакция заканчивается за 16 минут. Опреде-
лите, за какое время закончится эта реакция при 80 оС, если температурный коэффициент равен 2.
24. При 50 оС химическая реакция протекает за 4 минуты
30 секунд. За сколько времени закончится эта реакция при 70 оС,
если температурный коэффициент равен 3?
25. Как изменится скорость реакции водорода c хлором, если концентрации исходных веществ увеличить в 3 раза?
86
4.5. Необратимые и обратимые реакции.
v
v
.
)I( )H(
)HI(
22
2
2
1
cc
c
k
k
K
v
v
.
)B()A(
)E()D(
ba
ed
2
1
cc
cc
k
k
K
Химическое равновесие
Реакции, которые протекают только в одном направлении и
завершаются полным превращением исходных реагирующих веществ в конечные вещества, называются необратимыми:
Cu + 4HNO3 = Cu(NO3)2 + 2NO2 + 2H2O.
Реакции, которые одновременно протекают в двух взаимно
противоположных направлениях, называются обратимыми:
H2 + I2 2HI.
Обратимые реакции не доходят до конца и заканчиваются
установлением химического равновесия. Состояние обратимой
реакции, при котором скорости прямой и обратной реакций равны, называется химическим равновесием.
При химическом равновесии прямая и обратная реакции не
прекращаются, а идут с одинаковыми скоростями. В состоянии
равновесия концентрации компонентов реакции остаются неизменными и называются равновесными концентрациями.
Состояние химического равновесия характеризуется
константой равновесия (K) – это отношение констант скоростей
прямой и обратной реакций: K = k1 / k2.
Скорость прямой реакции равна:
Скорость обратной реакции равна:
= k1 ∙ с (H2) ∙с (I2).
пр
= k2 ∙ с2 (HI),
обр
тогда константа равновесия равна:
В общем виде обратимая реакция выражается уравнением:
aA + bB dD + eE.
В состоянии равновесия
пр
=
, поэтому:
обр
k1 ∙ сa (A) ∙ сb (B) = k2 ∙ сd (D) ∙ сe (E) и
87
В 1884 году французский ученый Ле Шателье установил
влияние внешних условий на положение равновесия обратимых
химических реакций – принцип смещения равновесия (прин-
цип Ле Шателье): если условия, при которых система находится
в равновесии, изменить, то равновесие смещается в направлении
процессов, противодействующих этому изменению.
Рассмотрим влияние внешних параметров на смещение
равновесия на примере реакции синтеза аммиака из азота и водорода: N
2 (г)
+ 3H
2NH
2 (г)
; ∆Ho = - 92 кДж.
3 (г)
Влияние концентрации реагирующих веществ. Повы-
шение концентрации исходных веществ смещает равновесие реакции вправо, т. е. в сторону образования конечных веществ и,
наоборот, рост концентрации конечных веществ смещает равновесие реакции влево, т. е. в сторону образования исходных веществ. В нашем примере повышение концентраций азота или водорода смещает равновесие реакции в сторону уменьшения этих
концентраций, т. е. в сторону образования аммиака.
Влияние температуры. При повышении температуры равновесие смещается в сторону эндотермической реакции, а при
понижении температуры – в сторону экзотермической реакции.
Прямая реакция (синтез аммиака) – это экзотермическая реакция,
а обратная реакция (разложение аммиака на азот и водорода) –
это эндотермическая реакция. Следовательно, повышение температуры увеличивает скорость эндотермической реакции, и равновесие смещается влево – в сторону образования азота и водорода.
Понижение температуры смещает равновесие реакции вправо – в
сторону образования аммиака.
Влияние давления. Повышение давления смещает равновесие системы в сторону образования меньших объемов, а понижение давления – в сторону образования больших объемов. Прямая реакция синтеза аммиака протекает с уменьшением объема
газообразных веществ, поэтому, чтобы сместить равновесие
вправо, надо повысить давление. Понижение давления увеличивает скорость обратной реакции (объемы газов увеличиваются) и
равновесие смещается влево – в сторону образования исходных
веществ – азота и водорода.
88
Пример 1. Равновесие реакции: N2 + О2 2NО достига-
Дано:
с(N2) = 0,15 моль/дм3
с(О2) = 0,05 моль/дм
3
с(NО) = 0,5 моль/дм3
Решение
1. Из уравнения реакции видно, что
для получения 2 моль оксида азота (II)
NO необходимо взять 1 моль кислорода и 1 моль азота. Следовательно, для
получения 0,5 моль NO израсходуется
0,25 моль N2 и 0,25 моль O2.
Найти:
с(N2)
исх.
c(О2)
исх.
Дано:
с
исх(N2
) = 0,8 моль/дм3
с
исх(Н2
) = 2,4 моль/дм
3
∆с(N2) = 0,3 моль/дм3
k = 0,2
Решение
1. Из уравнения реакции видно,
что на 1 моль азота N2 приходится
3 моль водорода H2. Следовательно,
если концентрация N2 уменьшается
на 0,3 моль/дм3, то концентрация
водорода H2 будет уменьшаться на
0,9 моль/дм3.
Найти:
с(N2)
исх.
c(О2)
исх.
v
) = 0,15 моль/дм3,
2
с(О2) = 0,05 моль/дм3, с(NО) = 0,5 моль/дм3. Определите исход-
ные концентрации азота и кислорода.
2. Исходные концентрации веществ равны сумме равновес-
ных и израсходованных на реакцию концентраций:
с(N2)
с(O2)
исх.
исх.
= с(N2)
= с(O2)
равн.
равн.
+ с(N2)
+ с(O2)
= 0,15 + 0,25 = 0,40 моль/дм3;
изр.
= 0,05 + 0,25 = 0,30 моль/дм3.
изр.
Ответ: исходные концентрации азота и водорода соответственно
равны 0,40 моль/дм3 и 0,30 моль/дм3.
Пример 2. Исходные концентрации азота и водорода соот-
ветственно равны 0,8 и 2,4 моль/дм3. Чему равна скорость прямой
реакции: N2 + 3H
2NH3 через некоторое время, когда исход-
2
ная концентрация азота уменьшится на 0,3 моль/дм3 (k = 0,2)?
2. Скорость химической реакции прямо пропорциональна
произведению концентраций реагирующих веществ:
= k ∙ с(N2) ∙ с3(H2) = 0,3·(0,8 – 0,3)·(2,4 – 0,9)3 = 0,51 моль/дм3·с.
Ответ: скорость реакции азота и водорода равна 0,51 моль/дм3·с.
89
Контрольные задания
1. Равновесие химической реакции: 2Н2 + О2 2Н2О
достигается, если с(Н2) = 0,2 моль/дм3, с(О2) = 0,05 моль/дм3,
с(Н2О) = 0,5 моль/дм3. Определите исходные концентрации водо-
рода и кислорода.
2. Равновесие химической реакции: N2 + О2 2NO
достигается, если с(N2) = 0,2 моль/дм3, с(О2) = 0,1 моль/дм3,
с(NО) = 0,7 моль/дм3. Определите исходные концентрации азота
и кислорода.
3. Равновесие химической реакции: N2 + 3H2 2NH3
достигается, если с(N2) = 0,3 моль/дм3, с(H2) = 0,9 моль/дм3,
с(NH3) = 0,4 моль/дм3. Определите исходные концентрации азота
и кислорода.
4. Равновесие в системе H2 + I2 2HI установилось при
концентрациях: c(H2) = 0,25 моль/дм3, c(I2) = 0,05 моль/дм3,
c(HI) = 0,9 моль/дм3. Определите исходные концентрации водо-
рода и йода.
5. Равновесие в системе 2NO2 2NO + O2 установилось
при следующих концентрациях: c(NO2) = 0,06 моль/дм3,
c(NO) = 0,24 моль/дм3. Определите исходную концентрацию ок-
сида азота (IV).
6. Исходные концентрации оксида азота (II) и кислорода соответственно равны 0,6 и 0,3 моль/дм3. Чему равна скорость прямой
реакции: 2NO + O2 2NO2 через некоторое время, когда исходная концентрация кислорода уменьшится на 0,2 моль/дм3
(k = 0,5)?
7. Исходные концентрации водорода и йода соответственно
равны 0,8 и 0,4 моль/дм3. Чему равна скорость прямой реакции:
H2 + I2 2HI через некоторое время, когда исходная концентрация йода уменьшится на 0,2 моль/дм3 (k = 0,3)?
8. Как надо изменить концентрацию, давление и температуру системы: N
2 (г)
+ O
2NO
2 (г)
; ∆Ho = 180,8 кДж, чтобы
(г)
сместить равновесие в сторону образования оксида азота (II)?
9. Как надо изменить концентрацию, давление и температуру системы: PCl
PCl
5 (г)
3 (г)
+ Cl
; ∆Ho = 129,7 кДж, чтобы
2 (г)
сместить равновесие в сторону образования PCl5?
90
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]