Химия_1 / prakticheskie

практично необоротна. Навпаки, при K <<< 1 вважають, що реакція практично не відбувається.

Приклад 9. Напишіть вирази для констант рівноваги реакцій:

а) Н2О(г)+ СО(г) СО2(г)+ Н2(г) б) СО2(г)+ С(гр.) 2СО(г)

Розв’язання. Оборотна реакція (а) – гомогенна. Якщо учасниками реакції є гази, можемо в вираз константи рівноваги підставляти парціальні тиски замість концентрацій. Такий вираз позначають Кр на відміну від константи Кс, що виражають через концентрації. Отже:

Гетерогенна реакція (б) є оборотньою за умови, що графіт узято у надлишку. У випадку гетерогенних реакцій концентрації твердих речовин не включають у вираз константи рівноваги, бо вони залишаються сталими при усяких зміщеннях рівноваги. Отже, для реакції (б):

Приклад 10. При деякій температурі у посудині ємкістю 1л змішали 5 моль N2 і 8 моль Н2. До моменту досягнення рівноваги реакції прореагувало 2 моль N2. Обчисліть константу рівноваги реакції при цій температурі.

Розв’язання. Позначимо початкові концентрації через с0, рівноважні ср, а зміну концетрації по ходу досягнення

рівноваги як с = ср – с0. Запишемо рядками під формулами учасників цієї гомогенної оборотної реакції молярні кількості речовин, дані з умов задачі і невідомі величини, що необхідно обчислити:

91

Зверніть увагу, що згідно з умовою задачі початкова концентрація продукту реакції – аміаку – дорівнює нулю. Для

вихідних речовин с < 0 (їх концентрація зменшується), а для

продуктів – с > 0 (концентрація зростає).

Визначаємо, скільки молей водню прореагує з 2 моль азоту до досягнення рівноваги реакції і скільки молей аміаку утвориться до цього моменту. Згідно із стехіометрією:

x = (3:1) 2 = 6 моль

у = (2:1) 2 = 4 моль.

Далі знайдемо рівноважні концентрації усіх учасників реакції N2, H2 і NH3 (враховуємо, що вони співпадають з числами молей, тому що об'єм дорівнює одному літру):

ср(N2) = c0 + c = 5 + (-2) = 3 моль/л; ср(Н2) = с0 + с = 8 + (-6) = 2 моль/л; ср(NН3) = c0 + c = 0 + 4 = 4 моль/л.

Підставляємо розраховані чисельні значення рівноважних концентрацій у вираз константи рівноваги і розраховуємо її величину:

Рівноважний стан – найбільш стійкий стан системи за даних умов. Самодовільний вихід системи з цього стану неможливий. Змінюючи умови, можна перевести систему з одного рівноважного стану в інший, що буде найбільш стійким за нових умов. Такий перехід називається зміщенням рівноваги. Після досягнення рівноваги концентрації учасників реакції, як і інші параметри стану системи, самодовільно не змінюються.

92

Напрям зміщення рівноваги можна визначити за

принципом Ле Шательє:

Якщо на систему, що перебуває у стані рівноваги, впливати ззовні, то рівновага зміщується у бік тієї реакції, що послаблює цей вплив.

Згідно з принципом Ле Шательє:

нагрівання зміщує рівновагу у бік ендотермічної, а охолодження – екзотермічної реакції;

підвищення тиску зумовлює зміщення рівноваги у бік реакції, що створює меншу кількість газів (а значить, сприяє зменшенню тиску в системі), а зниження тиску – у протилежний бік;

введення в систему додаткової кількості будь-якого з реагентів викликає зміщення рівноваги у тому напрямку, в якому його концентрація зменшується. Так, введення в

систему вихідних речовин зміщує рівновагу в бік продуктів реакції ("праворуч"), а збільшення концентрації продуктів – в бік утворення вихідних речовин ("ліворуч").

Приклад 11. Визначте напрямок зміщення рівноваги

газів (дві молекули SO2 і одна молекула О2), а одержують дві (дві молекули SO3), то підвищення тиску зміщує рівновагу праворуч. При підвищенні тиску з більшою швидкістю буде перебігати пряма реакція, в ході якої тиск падає. Саме пряма реакція послаблює зовнішній вплив на рівноважну систему.

б) За знаком зміни ентальпії цієї оборотної реакції визначаємо, що пряма реакція екзотермічна ( Н 0), а

зворотна – ендотермічна ( Н 0). З ростом температури з більшою швидкістю перебігає зворотна реакція, яка супроводжується поглинанням теплоти. Саме ця реакція

93

послаблює зовнішній вплив на систему. Рівновага зміщується у бік цієї реакції, ліворуч.

в) При підвищенні концентрації SO3 з більшою швидкістю перебігає зворотна реакція (для неї SO3 – вихідна речовина, концентрація якої в ході реакції зменшується). Рівновага зміщується ліворуч.

ДОМАШНЄ ЗАВДАННЯ

1. Для реакції 2NO(г)+O2(г) 2NO2(г) запишіть кінетичне рівняння і визначте, як зміниться швидкість реакції, якщо:

а) збільшити концентрацію NO у 3 рази; б) збільшити тиск у

системі в 3 рази; в) збільшити об єм системи в 2 рази. Відповідь: а) зросте у 9 разів; б) зросте в

27 разів; в) зменшиться у 8 разів.

2.Розрахуйте, у скільки разів зміниться швидкість реакції окиснення вуглецю до вуглекислого газу, якщо тиск кисню збільшити в 4 рази? Відповідь: збільшиться у 4 рази.

3.Обчисліть, у скільки разів збільшиться швидкість деякої хімічної реакції при підвищенні температури на 1000С, якщо її температурний коефіцієнт дорівнює двом.

Відповідь: в 1024 рази.

4. Відомо, що деяка хімічна реакція при 1000С перебігає за 30 хвилин. Температурний коефіцієнт її дорівнює двом. Розрахуйте час протікання цієї реакції при 50 0С і при 150 0С.

Відповідь: 16 годин; 0,94 хвилини.

5.Через деякий час після початку реакції N2(г)+ 3Н2(г) 2NH3(г) концентрації речовин складали: с (N2) = 0,03 моль/л; с (Н2) =

=0,01 моль/л; с (NH3) = 0,008 моль/л. Розрахуйте вихідні концентрації азоту і водню та як змінилася швидкість реакції за цей проміжок часу.

Відповідь: с0(N2) = 0,034 моль/л; с0(Н2) = 0,022 моль/л,

зменшилася в 12 разів.

94

6. Початкові концентрації реагентів реакції 2CO(г) + O2(г)

2СO2(г) складають: с0(СО)= 0,04 моль/л, с0(О2) = 0,06 моль/л. Константа швидкості дорівнює 0,4 л2/моль2 с. Розрахуйте

початкову швидкість реакції і швидкість реакції через деякий час, коли концентрація СО зменшиться на 0,02 моль/л.

Відповідь: 3,84 10-5 моль/(л с); 8 10-6 моль/(л с).

7. Напишіть вираз константи хімічної рівноваги для процесу дисоціації вуглекислого газу згідно з рівнянням: 2СО2(г)

2СО(г)+О2(г), можливого в умовах вибуху у шахті. Як впливають зростання тиску і температури на цю рівновагу?

8. Для оборотної реакції

FeO(к)+СО(г) Fe(к)+СО2(г); Н0298 = -18,2 кДж напишіть вираз константи рівноваги і вкажіть напрямок

зміщення рівноваги при: а) збільшенні температури; б) зменшенні тиску; в) збільшенні концентрації СО.

9.При деякій температурі рівновага в системі

2NO2(г) 2NO(г)+О2(г) встановилася при наступних концентраціях: ср( NO2 ) =0,04 моль/л, ср(NO) = 0,012 моль/л.

У вихідній реакційній суміші знаходився тільки оксид азоту

(IV). Розрахуйте рівноважну концентрацію кисню, константу рівноваги реакції і вихідну концентрацію NO2.

Відповідь: 6 10-3моль/л; 5,4 10-4; 5,2 10-2моль/л.

10. Обчисліть константу рівноваги реакції N2O4(г) 2NO2(г), якщо відомо, що початкова концентрація N2O4 дорівнювала

9. КОНЦЕНТРАЦІЯ РОЗЧИНІВ. ВЛАСТИВОСТІ РОЗЧИНІВ НЕЕЛЕКТРОЛІТІВ

Мета вивчення теми:

- визначати молярну cм, моляльну cm концентрації, молярну концентрацію еквівалентів cн, масову частку в процентах

95

(процентну концентрацію) ω(Х), мольну частку розчиненої речовини і розчинника x(X);

- застосовувати закон Рауля для визначення зниження тиску насиченої пари розчинника, температур кипіння і замерзання розчинів, знаходження молекулярних мас розчинених речовин.

В різноманітних наукових і технічних розрахунках застосовують різні способи вираження концентрації розчинів.

Розчин завжди складається, як мінімум, із двох компонентів: розчиненої речовини (Х2) і розчинника (Х1). Концентрація розчину визначається кількістю розчиненої речовини (у грамах, молях, молярних масах еквівалентів) у визначеній кількості розчину або розчинника.

Введемо такі позначення: m1- маса розчинника (г), M(X1)- молярна маса розчинника (г/моль), m2 – маса розчиненої речовини (г), M(X2) - молярна маса розчиненої речовини (г/моль), Мекв(X2)- молярна маса еквівалентів розчиненої

речовини (г/моль), m- маса розчину (г), V- об єм розчину (л).

Приклад 1. Визначити масову частку в процентах розчиненої речовини у розчині, отриманому змішенням 300 г 25%-го і 400 г 40%-го (по масі) розчинів цієї речовини.

Розв’язання. Масова частка визначається формулою

ω%(Х)= (m2 /m) 100%

а) Знаходимо масу розчину, що утворився при змішуванні:

m = m1 + m2 = 300 + 400 = 700 г

б) Маса розчиненої речовини в 25%-му розчині (І):

m2 (I) = 300 0,25 =75 г

і в 40%-му розчині (II):

m2 (II) = 400 0,4 =160 г.

в) Визначаємо загальну масу розчиненої речовини в отриманому розчині:

m2 = m2 (I) + m2 (II) = 75 + 160 = 235 г

і розраховуємо її масову частку в розчині:

96

ω%(Х) = (235/700) 100 = 33,6%.

Приклад 2. Густина 15%-го розчину H2SO4 дорівнює 1,105 г/мл. Обчислити: а) молярну концентрацію еквівалентів; б) молярність; в) моляльність розчину.

Розв’язання. Будемо вести розрахунки на m=100 г розчину, що містять m2 = 15 г розчиненої речовини (H2 SO4) і m1 =85 г

розчинника (H2O). Об єм V цього розчину дорівнює: V = m/ ρ = =100/1,105 = 90,5 мл або 0,0905 л.

а) Молярну концентрацію еквівалентів (або нормальну концентрацію) cн визначають по формулі:

cн = nекв(X2)/V = m2/(Mекв(X2) V),

де nекв(X2) - число моль еквівалентів розчиненої речовини. Визначаємо молярну масу еквівалентів сірчаної кислоти:

Mекв(H2SO4) = ƒ·M(H2SO4) = 1/2·98 = 49 г/моль,

де ƒ – фактор еквівалентності (найменший) сірчаної кислоти. Підставляємо знайдені величини у формулу для cн і

знаходимо: cн=15/(49·0,0905) = 3,38 моль/л.

б) Молярну концентрацію обчислюємо за формулою: cм= m2/ (M(X2)·V) =15/(98·0,0905) =1,69 моль/л.

в) Моляльну концентрацію знаходимо за формулою: cm= m2·1000/( M(X2) · m1) =15·1000/(98·85) = 1,8 моль/кг.

При розгляді властивостей неелектролітів необхідно пам'ятати, що неелектроліти - це речовини, що не проводять електричний струм, тому що при розчиненні молекули неелектролітів не розпадаються на іони.

Тиск насиченої пари над розчином завжди нижчий, ніж над чистим розчинником. Кількісна залежність зниження тиску насиченої пари над розчином неелектроліту від концентрації розчину описується законом Рауля і виражається формулою:

Р = Р0 х(Х2),

де Р0 – тиск насиченої пари над чистим розчинником; Р- тиск насиченої пари над розчином; Р= (Р0 – Р) - зниження тиску

97

насиченої пари над розчином; х(Х2)- мольна частка розчиненої речовини, що визначається за формулою:

х(Х2) = n(Х2)/ (n(Х1) + n(Х2)),

де n(Х2) і n(Х1)- кількість моль розчиненої речовини і розчинника, відповідно.

Приклад 3. Чому дорівнює тиск насиченої пари води над 10%-м розчином карбаміду CO(NH2)2 при 100ºС?

Розв’язання. При 100ºС тиск насиченої пари над водою Р0 дорівнює 760 мм.рт.ст., або 101,3 кПа. З умови задачі випливає, що маса карбаміду на кожні 100 г розчину складає 10 г, а маса води - 90 г. Визначаємо мольну частку карбаміду у цьому розчині:

х(Х2)= n(Х2)/(n(Х1)+ n(Х2)) = m2/M(Х2)/(m1/M(Х1) +m2/M(Х2)) = = (10/60)/(90/18+10/60) = 0,167/(5+0,167) = 0,032.

Розраховуємо зниження тиску насиченої пари води над розчином згідно із законом Рауля:

Р= Р0·х(Х2)=101,3·0,032=3,24 кПа.

Знаходимо тиск насиченої пари над розчином:

Р = Р0 – Р = 101,3 – 3,24 = 98,06 кПа.

При визначенні температур кипіння і замерзання розчинів неелектролітів треба пам'ятати, що розчини киплять при більш високих, а замерзають при більш низьких температурах, ніж чисті розчинники. Як випливає з закону Рауля, підвищення температури кипіння Тк і зниження температури замерзання Тз розчину неелектроліту прямо пропорційні моляльній концентрації розчину:

Тк = Ке · cm, Тз = Кк · cm,

де Тк = Тк(розчину) – Тк(розчинника) = Тк – Тко;

Тз= Тз(розчинника) – Тз(розчину) = Тзо – Тз.

(В наших позначках температура з верхнім "ноликом" відноситься до чистого розчинника, а без нього – до розчину).

Ебуліоскопічна Ке і кріоскопічна Кк константи рівні, відповідно, підвищенню температури кипіння і зниженню

98

температури замерзання одномоляльного розчину (cm = 1).

Приклад 4. У радіатор автомобіля залили 9 л води і додали 2 л метилового спирту (ρ= 0,8 г/мл). При якій щонайнижчій температурі можна після цього залишати автомобіль на відкритому повітрі, не побоюючись, що вода у радіаторі замерзне?

Розв’язання. Відповідно до закону Рауля:

Тз = Кк · cm = Кк · n(Х2)· 1000 / m1= Кк · m2·1000/ М(Х2)· m1.

Для води Кк = 1,86 К кг/моль. Маса метилового спирту дорівнює: m2=V·ρ=2000·0,8=1600г, а молярна маса:

М2(CH3OH) =32 г/моль.

Маса води m1 у розчинідорівнює: m1 = 9000·1,0 = 9000 г. Підставляємо дані у формулу і визначаємо зниження

температури замерзання розчину:

Тз = 1,86·1600·1000/(32·9000) = 10,3 ºС.

Знаходимо температуру замерзання даного розчину:

Тз = Тзо – Тз= 0 – 10,3 = -10,3ºС.

Це щонайнижча температура, при якій ще можна залишати автомобіль на морозі.

Приклад 5. Скільки сахарози С12Н22О11 треба розчинити в 100 г води, щоб: а) знизити температуру кристалізації на 1 градус? б) підвищити температуру кипіння на один градус?

Розв’язання. По закону Рауля:

Тз = Кк сm = Кк · m2·1000/ М(Х2)· m1

Визначаємо звідси масу сахарози m2, необхідну для зниження температури кристалізації на 10С:

m2 = Тз· M(Х2)· m1/( Кк·1000) M(Х2) = М(С12Н22О11 ) = 324 г/моль m2 = 1·342·100/(1,86·1000) = 18,4 г.

Аналогічно визначаємо масу сахарози, необхідну для підвищення температури кипіння на 10С:

m2 = Тк·M(Х2)·m1/(Ке·1000)

99

m2 =1·324·100/(0,52·1000) = 65,8 г

Дуже часто по підвищенню температури кипіння і зниженню температури замерзання розчину визначають експериментально молярну масу розчиненої речовини.

а) Ебуліоскопічний метод визначення молярної маси:

M(Х2 ) = Ке· m2·1000/( Тк· m1);

б) Кріоскопічний метод визначення:

M(Х2) = Кк· m2·1000/( Тз· m1).

Приклад 6. Водно-спиртовий розчин, що містить 15% спирту, кристалізується при -10,26ºС. Знайти молярну масу спирту.

Розв’язання. Так як мова йде про кристалізацію розчину, то застосуємо кріоскопічний метод для визначення молярної маси спирту. За умовами: m2(спирт)= 15 г, m1(вода) = 85 г.

Тз = 0 – (-10,26) = 10,26ºС. Константа Кк(Н2О) = 1,86.

Знаходимо молярну масу спирту:

M(Х2) = Кк·m2·1000/(Тз·m1) = 1,86·15·1000/(10,26·85)=32г/моль.

ДОМАШНЄ ЗАВДАННЯ

1. Який об єм 14%-го (по масі) розчину HCl (ρ=1,07 г/мл) буде потрібен для повного розчинення: а) 24,3 г Mg? б) 27,0 г Al?

Відповідь: а) 487,3 мл; б) 731,0 мл.

2. Для нейтралізації 20 мл 0,1 н розчину кислоти треба 8 мл розчину NaOH. Скільки грамів NaOH містить 1 л цього розчину? Відповідь:10 г.

3. Розрахуйте моляльну концентрацію хлориду магнію в підземних водах, якщо відомо, що його процентна концентрація складає 1%. Відповідь: 0,1 моль/кг.

4. Є розчини хлориду алюмінію і хлориду магнію у воді. Молярна концентрація у них однакова. У якому випадку

100