ПРИМЕРЫ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ. · Пример 1.1 При сжигании 2,24л метана выделилось 90 кДж тепла

· Пример 1.1 При сжигании 2,24л метана выделилось 90 кДж тепла. Определить теплоту образования и теплоту сгорания метана (вода образуется в виде жидкости)

Решение: Термическое уравнение реакции

0,1CH_4(г) +0,2O_2(г) ­0,1CO_2(г)+0,2H₂O_(ж)+90кДж (1)

или

CH­_4(г)+2O_2(г) ­CO_2(г)+2H₂O_(ж)+900кДж (2)

(уравнения справедливы с учетом того, что объем метана V=2,24л выражен в молях. Объем 1 моля идеального газа в стационарных условиях 22,4л)

Согласно определению теплоты сгорания (см.раздел 1) из уравнения (2) следует то что теплота сгорания метана =-900кДж/моль

Для вычисления теплоты образования воспользуемся следствием из закона Гесса:

Значения для теплоты образования двуокиси углерода и теплоты образования паров воды приведены в таблице П.1 приложений. Для реакции (2) уравнение выглядит следующим образом:

Откуда

Ответ: теплота сгорания метана =-900

теплота образования метана

• Пример 1.2 Вычислить теплоту образования серной кислоты из следующих данных:

(1) H­_2(г)+0,5O_2(г) H­₂O_(ж)+286кДж (

(2) S_(Т6)+O_2(г) SO­_2(г)+297кДж_­(

(3) SO_2(г)+0,5O­_2(г)­ SO­­­­₃+99кДж(

(4) SO_3(г)+H₂O­­_(ж) H­₂SO_4(ж)+132кДж(

Решение:I способ. Основан на определении теплоты образования вещества. Согласно определению, теплота образования серной кислоты есть тепловой эффект реакции:

H_2(г)+2O_2(г)+S­­_(т6) H­₂SO_4(ж)+

Величина есть теплота образования H­₂SO₄. (Заметим, что реакцию (5) провести в одну стадию невозможно).

Термохимические уравнения –обычные алгебраические уравнения,в которых под химическими формулами реагентов подразумевается их теплоты образования. В приведенном примере легко заметить что суммирование уравнений (1),(2),(3),(4) приводит к уравнению (5).Следовательно есть сумма :

(Знак “-” указывает на то,что тепло выделяется)

II способ.Основан на применении закона Гесса. Для определения теплоты образования H­₂SO₄ из термохимического уравнения (4), необходимо знать теплоту образования SO_3(г)и теплоту образования H₂O­­_(ж)

Согласно определению теплоты образования тепловой эффект реакции (1) - это теплота образования H₂O­­_(ж) а реакции (2) -теплота образования SO_2(г).Тогда, применяя следствие из закона Гесса к реакции (3) можно вычислить теплоту образования SO_3(г):

или

Теперь, определим следствие из закона Гесса к реакции (4)

Откуда

Ответ:теплота образования серной кислоты

• Пример 1.3 Оценить интервал температурыв котором возможно самопроизвольное восстановлениететрахорда кремния водородом.

Решение. Термохимическое уравнение реакции:

SiCl_4(ж)+2H_2(г) Si_(т6)+4HCl_(г)+

Речь идет о самопроизвольном протекании прямой реакции. Термодинамическим критерием возможности

самопроизвольного протекания реакции является отрицательное значение энергии Гиббса

Таким образом, вопрос заключается в определении (оценке) интервала температур, при которых прямой реакции принимает отрицательные значения.Для этого воспользуемся уравнением (1.21) (см. Раздел 1 МУ и КЗ)

Пологая и не зависящими от температуры (т.е ) распишем их,пользуясь данными таблицы П1 и законом Гесса:

)

Согласно принятым допущениям зависимость энергии Гиббса от температуры имеет вид:

- прямая пропорциональная

Тогда при T=0K кДж,условия равновесия (ΔG=0)

Таким образом, прямой реакции становится отрицательной при T>1082К

Ответ: самопроизвольное восстановление тетрахорда кремния водородом возможно при температуре больше 1082K(809 ).

• Пример 2.1 Как повлияет на равновесие в системе 2H_2(г)+S_2(г) 2H₂S_(г):

1. Повышение парциального давления водорода

2. Увеличение объёма газовой смеси

3. Нагревание системы

4. Записать выражение для константы равновесия.ВыражениеK для стандартной температуры и для температуры 1000K.

Решение: 1.Увеличение парциального давления водорода в соответствии с принципом Ле Шателье — Брауна сместит равновесие в сторону реакции и в результате которой избыток водорода будет расходоваться, т.е. в сторону прямой реакции (скорость прямой реакции возрастет).

2.Увеличение объёма газовой смеси равносильно понижению парциальных давлений всех газов в системе.В соответствии с принципом Ле Шателье — Брауна такое воздействие приведет к снижению равновесию в сторону обратной реакции, т.к. суммарный объем паров серы и водорода (3молья) больше объема H₂S (2 моля).

Т.е. скорость разложения H₂S станет больше скорости его синтеза.

3.Для ответа на третий вопрос необходимо знать тепловой эффект реакции.Для прямой реакции величина стандартного теплового эффекта, вычисляется на основе закона Гесса:

т.е. прямая реакция экзотермическая. Тогда в соответствии с принципом Ле Шателье — Брауна при нагревании равновесной системы равновесие смещается в сторону реакции, в результате которой тепло поглощается, т.е. в сторону обратной реакции (разложение сероводорода).

4.Выражение для Константы равновесия данной системы:

Согласно основному уравнению термодинамики (уравнение (2.4)):

Величина изменения свободной энергии Гиббса, в соответствии с законом Гесса (см. таблицу П.1)

Для температуры 1000Kвеличина константы равновесия

(см. Таблицу П.1)

Уменьшение величины K при увеличении температуры говорит о смешение равновесия в сторону обратной реакции.

H2		130,5
S2	79,4		178,4
H2S	-33,5	205,7	-20,6

• Пример 3.1 В 10л воды растворено 0,23 г металлического натрия

а)вычислить величину показателя полученного раствора

б)Рассчитать какой объем раствора соляной кислоты с рН=0, потребуется для нейтрализации полученного раствора

Решение а) Уравнение реакции растворения натрия в воде

Na_(кр)+2H₂O_(ж) 2NaOH_(р-р)+H_2(г)

Или в ионной форме

Na_(кр)+2H₂O_(ж) 2Na­^+­_(aq)+2OH^-_(aq)+H_2(г)

Полученный раствор – раствор щелочи (NaOH) – сильный электролит. В соответствии с уравнением реакции при растворении 1 моля натрия образуется 2 моля ионов OH^-. Тогда по условию задачи содержание ионов OH^-составляет 2*10^-3 моль/л. Равновесная концентрация ионов OH^-в растворе:

Согласно уравнениям (3.10) и (3.14) водородный показатель реакции

в)Уравнение реакции нейтрализации:

NaOH+HCl NaCl+H₂O

Или в ионной форме

Na⁺+OH^-+H⁺+Cl^- Na⁺+Cl^-+H₂O

OH^-+H⁺ H₂O

Т.е. общее содержание ионов H⁺в растворе кислоты:

V_щелочи*[OH^-]=V_{кислоты}*[H⁺]

Откуда V_{кислоты}=V_щелочи*

По условию рН соляной кислоты равен 0,тогда:

pH= или 0=

следовательно

V_{кислоты}

Ответ: a) pH=11,3

б)V_HCl=20 мл

• Пример 3.2 Определить величину водородного показателя раствора, полученного при растворении 2,24л газообразного фторида водорода в 10 л воды.

Решение. При растворении HF_(г) в воде образуется слабая фтороводородная (плавиковая) кислота. Считая HF идеальным газом рассчитаем молярную концентрацию полученного раствора.

Молярный объём идеального газа в стационарных условиях составляет 22,4 л/моль.Поэтому концентрация раствора плавиковой кислоты составляет:

Поскольку плавиковая кислота слабая, (Kg=6,6*10^-4) концентрация отличается от ионов H⁺в растворе. Для расчета [H⁺] воспользуемся законом разведения Освальда и уравнением (3.9)

Тогда

Ответ pH=2,59

Примечание: Для сравнение рекомендуем провести расчет pH сильной кислоты (например HJ) той же концентрации

• Пример 3.3 Оценить величину водородного показателя водного раствора в 10л которого содержится 424г хлорида лития.Как изменится pH если концентрацию соли понизить в 2 раза?

Решение: Хлорид лития – соль образованная катионом слабого снования LiOH (Kg=6,7*10^-1) и сильной соленой кислоты HCl. Поэтому гидролиз будет протекать в сторону образования слабо дислоцированного основания. Схема гидролиза

LiCl+HOH LiOH+HClили в ионной форме Li⁺+Cl^-+HOH LiOH+H⁺+Cl^-

Таким образом в растворе создается избыточная концентрация ионов H⁺и реакция раствора будет кислой (pH<7).

Оценим величину водородного показателя. Концентрация хлорида лития в растворе (моль/л) составляет:

Тогда в соответствии с уравнениями (таблица 3) константа гидролиза

степень гидролиза

и

При увеличении концентрации LiCl в 2 раза (до 2 моль/л) степень гидролиза уменьшиться в раз, а величина рН станет:

Ответ а)pH=6,8

б) pH₁=6,15

• Пример 4.1 Внешний (валентный) электронный слой элемента (Э)

описывается значениями квантовых чисел п=3, 1=0,1. Высший оксид элемента отвечает формуле ЭО_з. Определить этот элемент и записать его электронную формулу.

Решение. Значение главного квантового числа соответствует номеру периода, в котором расположен элемент. Значение орбитального квантового числа указывают на то, что валентными являются з и р электроны. Высшая валентность элемента исходя из формулы его оксида равна 6, т.е. элемент входит в шестую группу периодической системы элементов.

Следовательно, этот элемент - сера (8).

Электронная формула серы:

1S²2S²2р⁶3S²3р⁴

• Пример 5.1а Пользуясь таблицей стандартных электродных потенциалов, записать уравнение окислительно-восстановительной реакции

.

Решение. Определим, какие ионы являются в данной реакции окислителем и восстановителем. В данной реакции участвуют следующие анионы и катионы:

Рассмотрим функции каждого из них.

1. - ион щелочного металла в высшей степени окисления, следовательно, может выполнять только функции окислителя.

Соответствующая электродная реакция

Стандартный потенциал

2. - ион, содержащий в своем составе Сг⁶⁺, имеющий высшую степень окисления, может являться только окислителем. Электродная реакция

3. - ион йода в низшей степени окисления, следовательно, может выступать только в роли восстановителя.

Электродная реакция

4. - ион водорода в высшей степени окисления; может быть только окислителем

5. - ион, содержащий серу в высшей степени окисления +6, поэтому может быть только окислителем. Соответствующие реакции:

Таким образом, восстановителем в данной реакции является ион Г, а окислителем тот ион, окислительно-восстановительный потенциал которого наиболее положительный, т.е. . Таким образом, можно записать для окислителя и восстановителя:

Эта величина положительна, значит реакция возможна.

ЭДС реакции (см. раздел «Электрохимия») равна:

Коэффициенты 1 и 3, на которые умножаются соответствующие полуреакции, уравнивают число отданных и принятых электронов. Суммируя эти уравнения, получим уравнение реакции в ионном виде:

Гак как в кислой среде ионы металлов с ионами кислотного остатка дают соли, то окончательно получим:

• Пример 5.1б Записать уравнение окислительно-восстановительной реакции:
Cu + Н₂O₂+НCl

1. Восстановителем в этой реакции является медь.

2. Окислителем является перекись водорода.

3. Реакция происходит в кислой среде (НСl).

4. В системе имеются анионы хлора Сl.

В таблице приложений П. 3 «Таблица стандартных электродных; по­тенциалов» находим электродные реакции для восстановителя и окислителя:

Восстановитель: Сu + Сl^- - е СuСl ° = 0,124 В.

Окислитель: Н₂O₂ + 2Н⁺ + 2е 2Н₂O ° = 1,78 В.

Э.Д.С реакции

Е = = 1,78-0,124=1,656 В. Величина Е>0, что указывает на возможность самопроизвольного протекания реакции в прямом направлении, т. е. медь может окис­ляться перекисью водорода в присутствии анионов хлора.

2| Сu + Сl^- - е СuСl

1|H₂O₂ + 2Н⁺ + 2е 2Н₂O

2Сu + 2Сl^- + 2Н⁺+Н₂O₂ 2СuСl + 2Н₂O

Окончательно получим:

2Сu + Н₂O₂ + 2НСl 2СuСl + 2Н₂О.

• Пример 5.2 Определить время электрохимического меднения, необходимое для нанесения пленки меди толщиной 10 мкм при плотности тока j = 10^-2 А/м. Выход по току η = 100%. Записать уравнение катодной реакции.

В основе расчетов лежат законы Фарадея (законы электролиза):

1. При электролизе количество вещества, участвующего в химических превращениях, пропорционально количеству электричества, прошедшего через электролит.

2. Массы веществ, выделяемых или растворяемых одним и тем же количеством электричества, пропорциональны их химическим эквивалентам.

Уравнение катодной реакции:

Математически первый закон Фарадея выражается уравнением:

,

где m - масса реагирующего вещества, кг;

К - электрохимический эквивалент вещества, г/экв*Кл;

η – выход по току

С другой стороны, масса пленки меди толщиной d на пластинке с площадью S равна:

где ρ – плотность меди, 8,9*10³ кг/м³ (см. Таблицу П.2)

Электрохимический эквивалент меди:

где М=63,5*10^-3 кг/моль

n, заряд катиона =2

F, число Фарадея =96480Кл

Количество пропущенного электричества Q связано с плотностью тока и временем процесса

соотношением:

Q = I*τ = j*S*τ

где τ – время электролиза

I – сила тока

j - плотность тока (А/м)

S – площадь сечения

Таким образом, уравнение закона Фарадея принимает следующий вид:

j*S*τ*ή

или

Ответ: τ = 2640 сек = 44 мин

Поиск по сайту: