контрольная работа / Решение типовых задач по общей и неорганической химии

m = I • M • t • Вт / (z • F) или V = I • Vm • t • Вт / (z • F),

где I – ток, А

M – молярная масса выделяющегося вещества, г/моль Vm – молярный объем газа, л/моль

t – время, с

Вт – выход по току (обычно принимают равным 1)

z – число электронов, принимающих участие в электродной реакции F – число Фарадея, Кл/моль

M = m • z • F / ( I • t • Вт ) = 6,70 • 3 • 96500 / ( 5 • ( 53 • 60 + 6 ) • 1 ) = 121,76 г/моль – воспользовавшись таблицей Менделеева можно сделать вывод, что это молярная масса

сурьмы.

Катодный процесс: Sb3+ + 3e = Sb.

Фторид-анионы не окисляются на аноде в обычных условиях, поэтому на аноде возможно только выделение кислорода из воды по реакции 2H2O = O2 + 4H+ + 4e.

V = I • Vm • t • Вт / (z • F) = 5 • 22,4 • ( 53 • 60 + 6 ) • 1 / ( 4 • 96500 ) = 0,92 л.

Суммарный процесс: 4Sb3+ + 6H2O = 4Sb + 3O2 + 12H+ или 4SbF3 + 6H2O = 4Sb + 3O2 + 12HF

1.11. Протекторная защита, определение необходимости защиты

Задание: определить необходимость протекторной защиты, подобрать металл протектора, записать уравнения электродных процессов для хрома в кислой и солянокислой среде, для кадмия в кислой и щелочной среде (доступом кислорода воздуха пренебречь).

Решение: протекторная защита основана на образовании гальванопары с защищаемым металлом, в которой металл-протектор является анодом, то есть защита осуществляется металлом с более отрицательным стандартным потенциалом, при этом металл-протектор не должен иметь склонность к пассивности. То есть металл протектора должен быть и термодинамически и кинетически менее устойчив, чем защищаемый металл.

Термодинамическую возможность устойчивость оценивают путем сравнения стандартных потенциалов каждого из металлов с потенциалами водородного и кислородного электродов, рассчитанных по формулам EH2 = -0,059 • pH и EO2 = 1,23 -0,059 • pH (с

учетом вида деполяризации). В частности, должно выполняться условие: Епротектора < ЕМе < EH2 или Епротектора < ЕМе < EO2, то есть и защищаемый металл также должен быть термодинамически и кинетически неустойчивым в конкретной коррозионной среде, иначе

надобность в протекторе отпадает. Для определения же фактической возможности

растворения протектора следует учитывать склонность его металла к пассивации в той или иной коррозионной среде.

Ниже приведены значения потенциалов водородного и кислородного электродов и указаны катодные реакции восстановления деполяризатора.

В кислой среде:

EH2 = -0,059 • pH = -0,059 • 0 = 0,00 В, 2H+ + 2e = H2

EO2 = 1,23 -0,059 • pH = 1,23 -0,059 • 0 = 1,23 В, O2 + 4H+ + 4e = 2H2O

В нейтральной среде:

EH2 = -0,059 • pH = -0,059 • 7 = -0,41 В, 2H2O + 2e = H2 + 2OH-

EO2 = 1,23 -0,059 • pH = 1,23 -0,059 • 7 = 0,82 В, O2 + 2H2O + 4e = 4OH-

В щелочной среде:

EH2 = -0,059 • pH = -0,059 • 14 = -0,83 В, 2H2O + 2e = H2 + 2OH-

EO2 = 1,23 -0,059 • pH = 1,23 -0,059 • 14 = 0,40 В, O2 + 2H2O + 4e = 4OH-

Для оценки термодинамической устойчивости воспользуемся электрохимическим рядом напряжений металлов:

1,50

-1,66 < -0,74 В < 0,00 В

В качестве протектора для хрома может быть выбран, например, алюминий. Но хром, не смотря на стандартный потенциал устойчив (пассивен) в кислых средах, кроме солянокислой среды, где растворяется по реакции 2Cr + 6H+ = 2Cr3+ + 3H2 или 2Cr + 6HCl

= 2CrCl3 + 3H2.

на катоде (хром): 2H+ + 2e = H2

на аноде (алюминий): Al = Al3+ + 3e

-0,76 < -0,40 В < 0,00 В -0,76 < -0,40 В < -0,83 В

В качестве протектора для кадмия может быть выбран, например, цинк. Кадмий, не смотря на стандартный потенциал устойчив (пассивен) в щелочных средах.

на катоде (кадмий): 2H+ + 2e = H2 на аноде (цинк): Zn = Zn2+ + 2e

1.12. Хромирование и выход по току

Задание: определить практический выход по току для хрома, если при пропускании через электроды (в разбавленном электролите хромирования) тока силой 40 А в течение 4 часов, 16 минут и 36 секунд на катоде выделилось 7,17 г хрома, записать уравнения катодных и анодных реакций, определить количества прочих продуктов электролиза (трехвалентным хромом пренебречь).

Решение: количества выделяющихся веществ в граммах или литрах определяют по закону Фарадея:

m = I • M • t • Вт / (z • F) или V = I • Vm • t • Вт / (z • F),

где I – ток, А

M – молярная масса выделяющегося вещества, г/моль Vm – молярный объем газа, л/моль

t – время, с

Вт – выход по току (обычно принимают равным 1)

z – число электронов, принимающих участие в электродной реакции F – число Фарадея, Кл/моль

Запишем возможные катодные и анодные реакции:

на катоде (основной процесс): CrO42- + 8H+ + 6e = Cr + 4H2O на катоде (конкурирующий процесс): 2H2O + 2e = H2 + 2OH-

на аноде: 2H2O = O2 + 4H+ + 4e

Теоретическая масса хрома (теоретический выход по току принимают равным 1 или

100%):

mтеоретическая = I • M • t • Вттеоретический / (z • F) = 40 • 52,00 • ( 4 • 3600 + 16 • 60 + 36 ) • 1 / ( 6 • 96500 ) = 55,31 г

Втпрактический = mпрактическая / mтеоретическая = 7,19 / 55,31 = 0,13 или 13%.

При практическом выходе по току для хрома 13% выход по току для водорода, выделяющегося на катоде, составит 87%:

V = I • Vm • t • Вт / (z • F) = 40 • 22,4 • ( 4 • 3600 + 16 • 60 + 36 ) • 0,87 / ( 2 • 96500 ) = 62,18

л.

Кислород выделяется на аноде со стопроцентным выходом по току:

V = I • Vm • t • Вт / (z • F) = 40 • 22,4 • ( 4 • 3600 + 16 • 60 + 36 ) • 1 / ( 4 • 96500 ) = 35,74 л.

Окислительно-восстановительные реакции.

2.1. Расстановка коэффициентов. Задание.

Расставить коэффициенты методом электронного баланса, указать окислитель и восстановитель.

1)Na + O2 ---> Na2O

2)KI + Cl2 ---> KCl + I2

3)H2S + O2 ---> SO2 + H2O

4)Cu + HNO3 ---> Cu(NO3)2 + NO2 + H2O

Решение.

1)

Na - 1e = Na+ |4| Отдает электроны. Восстановитель (Red). O2 + 4e = 2O-2 |1| Принимает электроны. Окислитель (Ox).

Видно, что натрий отдает 1 электрон, а кислород принимает 4. Значит, на молекулу кислорода нужно 4 атома натрия.

4Na + O2 = 2Na2O

2)

I- - e = 1/2I2 |2| Отдает электроны. Восстановитель (Red). Cl2 + 2e = 2Cl- |1| Принимает электроны. Окислитель (Ox).

Видно, что йодид-анион отдает 1 электрон, а хлор принимает 2. Значит, на 1 молекулу хлора нужно 2 молекулы йодида.

2KI + Cl2 = 2KCl + I2

3)

S-2 - 6e = S+4 |2| Отдает электроны. Восстановитель (Red). O2 + 4e = 2O-2 |3| Принимает электроны. Окислитель (Ox).

Сократим на 2 цифры 6 и 4, получим 3 и 2. Наименьшее общее кратное равно 6. Тогда коэффициент перед сероводородом будет 6/3 = 2, перед кислородом 6/2 = 3.

2H2S + 3O2 = 2SO2 + 2H2O

4)

Cu - 2e = Cu+2 |1| Отдает электроны. Восстановитель (Red).

N+5 + e = N+4 |2| Принимает электроны. Окислитель (Ox).

Согласно балансу, соотношение веществ должно быть: 1Cu + 2HNO3.

Однако мы видим, что в продуктих присутствует так же нитрат меди, на образование которого расходуется 2 нитро-группы.

Значит, к коэффициенту 2 перед азотной кислотой следует прибавить еще 2 молекулы, идущие на образование нитрата.

В итоге,

Cu + 4HNO3 = Cu(NO3)2 + 2NO2 + 2H2O

2.2. Электронно-ионный баланс. Задание:

Расставить коэффициенты методом электронно-ионного баланса, определить продукты.

1)Na2SO3 + KMnO4 + H2SO4 --->

2)K2HPO3 + KMnO4 + KOH --->

3)SO2 + HNO3 + H2O ---> ... + NO

Решение.

1)

MnO4- + 8H+ + 5e = Mn2+ + 4H2O |2| Принимает электроны. Окислитель (Ox). SO32- + H2O - 2e = SO42- + 2H+ |5| Отдает электроны. Восстановитель (Red). 5Na2SO3 + 2KMnO4 + 3H2SO4 = 5Na2SO4 + K2SO4 + 2MnSO4 + 3H2O

2)

MnO4- - e = MnO42- |2| Принимает электроны. Окислитель (Ox).

HPO32- + 3OH- - 2e = PO43- + 2H2O |1| Отдает электроны. Восстановитель (Red). K2HPO3 + 2KMnO4 + 3KOH = K3PO4 + 2K2MnO4 + 2H2O

3)

NO3- + 4H+ + 3e = NO + 2H2O |2| SO2 + 2H2O - 2e = SO42- + 4H+ |3|

3SO2 + 2HNO3 + 2H2O = 3H2SO4 + 2NO

2.3. Направление процесса.

Задание.

Используя справочные данные, определить возможность протекания реакций в стандартных условиях:

1)2KCl + I2 = 2KI + Cl2

2)CuSO4 + Fe = FeSO4 + Cu

3)Cu + 4HNO3 = Cu(NO3)2 + 2NO2 + 2H2O

Решение.

Для того, чтобы реакция текла в прямом направлении, должно соблюдаться условие:

Значение электродного потенциала окислителя должно быть больше значения электродного потенциала восстановителя,

E(Ox) > E(Red).

Для стандартных условий, E0(Ox) > E0(Red).

По справочнику определим соответствующие значения и сравним их.

1)

Окислитель: E0(I2 + 2e = 2I-) = + 0,536 В. Востановитель: E0(Cl2 + 2e = 2Cl-) = + 1,36 В.

E0(I2 + 2e = 2I-) < E0(Cl2 + 2e = 2Cl-), значит йод не может окислить хлор. Реакция невозможна.

2)

Окислитель: E0(Cu2+ + 2e = Cu) = + 0,337 В. Восстановитель: E0(Fe2+ + 2e = Fe) = - 0,44 В.

E0(Cu2+ + 2e = Cu) > E0(Fe2+ + 2e = Fe), реакция пойдет в прямом направлении.

3)

Окислитель:

E0(NO3- + 2H+ + e = NO2 + H2O) = + 0,8 E0(Cu2+ + 2e = Cu) = + 0,337 В.

E0(NO3- + 2H+ + e = NO2 + H2O) > E0(Cu2+ + 2e = Cu), реакция пойдет в прямом направлении.

2.4. Направление, ЭДС, константа равновесия и G ОВР.

Задание.

Определить направление и ЭДС реакции в стандартных условиях, вычислить константу равновесия и энергию Гиббса.

10FeSO4 + 2KMnO4 + 8H2SO4 = 5Fe2(SO4)3 + K2SO4 + 2MnSO4 + 8H2O

Решение.

По справочнику определим значения стандартных электродных потенциалов.

E0(MnO4- + 8H+ + 5e = Mn2+ + 4H2O) = + 1,507 В. E0(Fe3+ + e = Fe2+) = + 0,771 В.

Реакция течет в прямом направлении.

Определим ЭДС.

ЭДС = E0(Ox) - E0(Red) = 1,507 - 0,771 = 0,736 В.

Определим константу равновесия.

lgK = z(E0(Ox) - E0(Red))/0,059, где z - число электронов, участвующих в процессе. MnO4- + 8H+ + 5Fe2+ = Mn2+ + 5Fe3+ + 4H2O, z = 5.

lgK = 5(1,507 - 0,771)/0,059 = 62,37

K = 1062,37 = 2,34*1062.

Высокое значение константы говорит о том, что равновесие реакции практически на 100% сдвинуто в сторну продуктов.

Определим энергию Гиббса.

G = - z*F*E = - 5*96500*0,736 = - 355120 Дж/моль = - 355,1 кДж/моль.

Можно вычислить энергию Гиббса и через константу равновесия.

G = - RTlnK = - 8,31*298*ln2,34*1062 = - 355,6 кДж/моль - практически совпадающее значение.

2.5. Уравнение Нернста для ОВР.

Задание.

Для процесса:

Cr2O72- + 14H+ + 6e = 2Cr3+ + 7H2O

Определить значение окислительно-восстановительного потенциала при:

а) [Cr2O72-] = 1 моль/л, [Cr3+] = 10-2 моль/л, [H+] = 0,1 моль/л. б) [Cr2O72-] = 1 моль/л, [Cr3+] = 10-2 моль/л, [H+] = 10 моль/л.

При каком значении концентрации кислоты дихромат может вытеснить свободный хлор их хлоридов?

Решение.

Значение окислительно-восстановительного потенциала расчитывается по уравнению Нернста.

а)

E = E0 + (0,059/z)lg([Ox]/[Red]).

E0(Cr2O72- + 14H+ + 6e = 2Cr3+ + 7H2O) = + 1,33 В.

E = E0(Cr2O72- + 14H+ + 6e = 2Cr3+ + 7H2O) + (0,059/6)lg([Cr2O72-][H+]14/[Cr3+]2)

E = 1,33 + (0,059/6)lg(1*0,114/(10-2)2) = 1,33 + (0,059/6)lg10-10 = 1,33 - 0,0983 = 1,23 В.

б) По аналогии,

E = 1,33 + (0,059/6)lg(1*1014/(10-2)2) = 1,33 + (0,059/6)lg1018 = 1,33 + 0,177 = 1,507 В.

Определим возможность вытеснения хлора: а)

E0(Cl2 + 2e = 2Cl-) = + 1,36 В.

Это больше, нежели значение потенциала дихромата при [H+] = 0,1 моль/л (Е = 1,23 В.) Вытеснение хлора невозможно.

б)

При [H+] = 10 моль/л, Е = 1,507 В.

Это значение уже больше, чем E0(Cl2 + 2e = 2Cl-).

Значит, при такой концентрации кислоты дихромат уже может вытеснять хлор.

На практике эта реакция может использоваться для получения хлора в лаборатории.

3. Растворы. Изотонический коэффициент, Давление насыщенного пара, Температуры кипения и замерзания.

3.1. Задание.

Определить давление насыщенного пара раствора, содержащего 18 г. глюкозы в 180 г. воды при 100 оС.

Решение.

Определим количества веществ (моль) компонентов. n(C6H12O6) = n1 = m/Mr = 18/180 = 0,1 моль.

n(H2O) = n2 = m/Mr = 180/18 = 10 моль.

Определим мольную долю глюкозы. N = n1/(n1 + n2) = 0,1/(10 + 0,1) ~ 0,01.

По закону Рауля,

N = (P0 - Р)/Р0

При 100 градусах Р0 = 101,3 кПа. Отсюда, (101,3 - Р)/101,3 = 0,01.

Р = 100,287 кПа.

Задание 3.1.1.

Определить температуры кипения и замерзания этого же раствора.

Решение.

По справочнику определим эбулиоскопическую и криоскопическую константы воды.

Кэ = 0,52, Кк = 1,86.

Определим моляльность раствора.

Сm = 1000mв-во/Mr*mрастворитель = 1000*18/180*180 = 0,556 моль/кг.

t = Cm*Kk = 0,556*1,86 = 1,034 o. Тзам = 0 - t = - 1,034 оС.

3.2. Изотонический коэффициент.

Задание.

Определить изотонический коэффициент хлорида алюминия и хлорида кальция при кажущейся степени диссоциации 50 и 80% соответственно.

Решение.

AlCl3 <=> Al3+ + 3Cl- CaCl2 <=> Ca2+ + 2Cl-

Из уравнений диссоциации видно, что при диссоциации хлорида алюминия образуется 4

иона (k = 4),

а при диссоциации хлорида кальция - 3 иона (k = 3).

i (AlСl3) = 1 + α(k - 1) = 1 + 0,5(4 - 1) = 2,5. i (CaCl2) = 1 + α(k - 1) = 1 + 0,8(3 - 1) = 2,6.

3.3. Давление насыщенного пара, температуры кипения и замерзания.

Задание.

Определить давление насыщенного пара раствора, содержащего 111 г. хлорида кальция в

1000 г. воды при 100 оС.

Определить температуры кипения и замерзания этого раствора. Степень диссоциации

75%.

Решение.

1) Давление насыщенного пара раствора.

Для электролитов следует учитывать изотонический коэффициент.

i (CaCl2) = 1 + α(k - 1) = 1 + 0,75(3 - 1) = 2,5. n1(CaCl2) = m/Mr = 111/111 = 1 моль. n2(H2O) = m/Mr = 1000/18 = 55,56 моль.

iN = (P0 - Р)/Р0

N = 1/(1 + 55,56) = 0,0177 2,5*0,0177 = (101,3 - P)/101,3 P = 96,823 кПа.

2) Температура кипения. Определим моляльность раствора.

Сm = 1000mв-во/Mr*mрастворитель = 1000*111/111*1000 = 1.

t= i*Cm*Кэ = 2,5*1*0,52 = 1,3. Ткип = 101,3 оС.

3)Температура замерзания.

t= i*Cm*Kk = 2,5*1*1,86 = 4,65 o. Тзам = 0 - t = - 4,65 оС.

3.4. Определение молярной массы по температуре кипения.

Задание.

Определите молярную массу серы, если раствор 0,324 г ее в 40 г бензола кипит на 0,081 градус выше,чем чистый бензол (Кэ = 2,61), какой формуле отвечает эта величина молярной массы?

Решение.

Определим моляльность раствора.

t = Cm*Kэ 0,081 = Cm*2,61

Cm = 0,031 моль/кг.

Определим молярную массу.

Mr = mS/Cm*mC6H6 = 0,324/0,031*0,04 = 261 г/моль.

Отсюда индекс составит s = Mr/Ar = 261/32 = 8.

Формула S8.

3.5. Определение степени диссоциации по Т замерзания.

Задание.

Раствор, содержащий 17,1 г сульфата алюминия Аl2(SO4)3 (Мr = 342 г/моль) в 50 г воды, замерзает при t = - 4,65°С. Определить кажущуюся степень диссоциации соли в этом растворе.

Решение.

Определим моляльность раствора. Cm = 17,1/342*0,05 = 1 моль/кг.

t = iCmKk, откуда i = t/CmKk = 4,65/1*1,86 = 2,5.

α = (i - 1)/(k - 1) = (2,5 - 1)/(5 - 1) = 0,375 (37,5%).

4. Растворы. Осмотическое давление.

4.1. Осмотическое давление неэлектролита и электролита. Задание.

Определить осмотическое давление в 0,01 М растворе неэлектролита при 25 оС.

Решение.

Росм = CRT = 0,01*8,31*(273+25) = 24,764 кПа.

Задание 4.1.1.

Определить осмотическое давление в 0,1% растворе хлорида натрия при температуре 25 оС, считая его диссоциацию полной.

Плотность принять равной 1.

Решение.

Для электролитов необходимо учитывать изотонический коэффициент. При полной диссоциации степень диссоциации α = 1.

Уравнение диссоциации: NaCl = Na+ + Cl-. Cоль распадается на 2 иона, k = 2. i = 1 + α(k - 1) = 1 + 1(2 - 1) = 2.

Определим молярную концентрацию раствора.

См = 10wp/Mr = 10*0,1*1/58,5 = 0,017 моль/л.

Росм = iCRT = 2*0,017*8,31*298 = 84,2 кПа.

4.2. Определение молярной массы по осмотическому давлению.

Задание.

Определить молярную массу неэлектролита, если литр раствора, содержащий 1,8 г. растворенного вещества, создает при 25 оС осмотическое давление, равное 24,764 кПа.

Решение.

Определим молярную концентрацию.

См = Росм/RT = 24,764/8,31*298 = 0,01 моль/л.

Это количество вещества соответствует массе 1,8 г. Отсюда, Mr = m/n = 1,8/0,01 = 180 г/моль.

4.3. Определение степени диссоциации по осмотическому давлению.

Задание.

Определить степень диссоциации бромида алюминия, если литр раствора, содержащий 26,7 г. растворенного вещества, создает при 0 оС осмотическое давление, равное 635,22 кПа.

Решение.

Определим молярность раствора.

См = m/Mr*V = 26,7/267*1 = 0,1 моль/л.

Определим изотонический коэффициент. i = Росм/CRT = 635,22/0,1*8,31*273 = 2,8.

Определим степень диссоциации.

i = 1 + α(k - 1), для бромида алюминия k = 4. Отсюда,

α = (i - 1)/(k - 1) = (2,8 - 1)/(4 - 1) = 0,6. (60%).

4.4. Изотонические растворы.

Задание.

При определенной температуре 0,2 М раствор хлорида кальция изотоничен 0,5 М раствору глюкозы.

Определить степень диссоциации соли.

Решение.

Изотоническими называют растворы с равным осмотическим давлением.

Pосм(CaCl2) = iC1RT,

Pосм(C6H12O6) = C2RT.

По условию, Pосм(CaCl2) = Pосм(C6H12O6) Отсюда, iC1RT = C2RT.

i = C2RT/C1RT = C2/C1 = 0,5/0,2 = 2,5. Для CaCl2, k = 3.

α = (i - 1)/(k - 1) = (2,5 - 1)/(3 - 1) = 0,75. (75%).

5. Растворы. Гидролиз солей.

5.1. Определение солей, подвергающихся гидролизу. Задание.

Определить, какие соли из перечисленных подвергаются гидролизу, какие из них по катиону, какие по аниону, какие и по катиону, ти по аниону.