|
ЭНЕРГЕТИКА ХИМИЧЕСКИХ РЕАКЦИЙУРОВЕНЬ B 1. Найти массу метана (СН4), при полном сгорании которого до СО2(г) и Н2О(г) в тепловом агрегате выделяется теплота, достаточная для нагревания 1 л воды от 20 до 100оС. Мольную теплоемкость воды принять равной 75,3 Дж/моль·К. КПД теплового агрегата составляет 50%.
РЕШЕНИЕ: Количество теплоты, необходимое для нагревания 1 л (1000 г) воды от 20 до 100оС определяем по формуле:
= = 334666,7 Дж = 334,7 кДж Определим массу метана при горении, которого выделяется такое количество теплоты. Процесс горения метана по условию задачи описывается уравнением: СН4(г) + 2О2(г) = СО2(г) + 2Н2О(г) Тепловой эффект этой реакции Dr.Ho(298K) определяем по I следствию из закона Гесса Dr.Ho(298K) = Df.Ho(298K,CO2(г)) + 2Df.Ho(298K, Н2О(г)) - - Df.Ho(298K, CН4(г)) - 2Df.Ho(298K, О2(г)) = (-393,5) + 2(-241,8) – - (-74,9) = - 802,2 кДж Таким образом при сгорании 16 г метана выделяется 802,2 кДж тепла. Определяем массу метана, при сгорании которой выделяется 334,7 кДж теплоты. Составляем пропорцию: 16 г СН4 ― 802,2 кДж ― 334,7 кДж г С учетом КПД теплового агрегата масса метана составляет г Ответ: масса метана составляет 13,34 г. 2. Используя справочные данные по DfHo(298K, В) и So(298K, В), определить при каких температурных условиях возможно самопроизвольное протекание реакции Fe2O3(к) + 3Н2(г) = 2Fe(к) + 3Н2O(г)
РЕШЕНИЕ: Возможность самопроизвольного протекания реакции, определяется знаком перед величиной изменения энергии Гиббса для данной реакции: если ΔrG°(298К) < 0, самопроизвольное протекание реакции при стандартных условиях возможно в прямом направлении; если ΔrG°(298К) > 0, то при стандартных условиях прямая реакция невозможна, а возможна обратная реакция.. Значение ΔrG°(298К) рассчитываем по формуле: ΔrG°(298К) = ΔrН°(298К)·103 - Т ΔrS°(298К) где ΔrН°(298К) - изменение стандартной энтальпии реакции, кДж: ΔrS°(298К) - изменение стандартной энтропии реакции, Дж/К: 103 - пересчет кДж в Дж. Значение ΔrН°(298К) и ΔrS°(298К) определяем согласно первому следствию из закона Гесса: ΔrН°(298К) = [2ΔfН°(298К, Fe(к)) + 3ΔfН°(298К, Н2О(г))] – - [ΔfН°(298К, Fe2O3(к)) + 3ΔfН°(298К, Н2(г))]; ΔrS°(298К) = [2S°(298К, Fe(к)) + 3S°(298К, Н2О(г))] – - [S°(298К, Fe2O3(к)) + 3S°(298К, Н2(г))]; где ΔfН°(298К, В) и S°(298К, В) - стандартные энтальпии образования и энтропии веществ, значения которых находим из таблицы стандартных термодинамических величин.
ΔrН°(298К) = [2(0) + 3(-241,84)] - [(-822,2) + 3(0)] = 96,68 кДж ΔrS°(298К) = [2·27,15 + 3·188,74] - [87,4 + 3·130,5] = 141,62 Дж/К тогда: ΔrGо(Т) = 96680 - Т·141,62 Ответ: При высоких температурах значение ΔrGо(Т) < 0 и, следовательно, реакция возможна при нагреве.
3. Рассчитать теплотворную способность каменного угля, если известно, что в нем содержится 80% углерода, а в отходящих газах после сгорания угля содержится 14% СО2 и 2% СО по объему.
РЕШЕНИЕ: Теплотворной способностью топлива называется тепловой эффект, который соответствует сгоранию единицы массы (1 кг) для твердых и жидких видов топлив (Qр, кДж/кг). Приводим уравнения горения углерода С(к) + О2(г) = СО2(г) (4.8) С(к) + ½ О2(г) = СО(г) (4.9) Из приведенных уравнений (ур. 4.8 и 4.9) следует, что масса сгоревшего углерода пропорционально объемам образовавшихся газов. Поскольку в каменном угле содержится 80% углерода, то в 1000 г каменного угля содержится 800 г углерода и в СО2 превратилось (ур 4.8) г углерода, а в СО превратилось: г углерода (ур. 4.8) Исходя из того, что тепловые эффекты реакций (4.8) и (4.9) есть стандартные энтальпии образования СО2 и СО (величины табличные), но взятые с противоположным знаком, поскольку DН= - Qр DfНo(298 K, СО2) = - 393,5 кДж/моль и DfНo(298 K, СО) = - 110,5 кДж/моль рассчитываем количество теплоты, выделившейся при сгорании 700 г углерода до СО2 (ур. 4.8). Молярная масса углерода МС = 12 г/моль. При сгорании 12 г углерода выделяется 393,5 кДж 700 г углерода выделяется Qр(4.8) кДж откуда: Qр(4.7) кДж Рассчитываем количество теплоты, выделившейся при сгорании 100 г углерода до СО (ур.4.9). при сгорании 12 г углерода выделяется 110,5 кДж 100 г углерода выделяется Qр(4.9) кДж откуда: Qр(4.9) кДж Следовательно теплотворная способность каменного угля Qр = Qр(4.8) + Qр(4.9) = 22954 + 921 = 23875 кДж/кг
СКОРОСТЬ ХИМИЧЕСКИХ РЕАКЦИЙ И ХИМИЧЕСКОЕ РАВНОВЕСИЕ УРОВЕНЬ В 1. При погружении цинковой пластины в раствор хлороводородной кислоты за одно и то же время при температуре 293 К выделилось 8 см3 водорода, а при температуре 303 К – 13 см3 водорода. Водород собран над водой при давлении 740 мм рт. ст. Рассчитать энергию активации протекающей реакции. Давление паров воды при температуре 293 К составляет 17,54 мм рт. ст., а при температуре 303 К - 31,82 мм рт. ст.
Скорость гетерогенной реакции определяем по уравнению: , моль/(см2·мин) (5.4) где - количество моль выделяющегося водорода; S – площадь цинковой пластины, см2; τ – время протекания реакции, мин. Определяем отношение скоростей выделения водорода при двух различных температурах (площадь пластины и время протекания реакции постоянны): = : = (5.5) По уравнению Менделеева-Клапейрона P V = n R T, а так как P = (Р – P ), то (P – P )V = n R T, (5.6) где Р – общее давление газов, мм. рт. ст; P - давление насыщенного водяного пара при температуре опыта, мм. рт. ст.; V - объем выделившегося водорода, см3; Т - температура опыта, К; R -универсальная газовая постоянная. Из уравнения (5.6) n = (Р – P ) V / R T (5.7) Подставив выражение (5.7) для температур Т1 и Т2 в отношение (5.5), получим = : = Откуда = 31834 Дж/моль = = 31,83 кДж/моль Ответ: = 31,83 кДж/моль.
2. На основании принципа Ле Шателье определить, в каком направлении сместится равновесие: 2SO2(г) + O2(г) <=> 2SO3(г), ΔrH0(298K) = -284,2 кДж, при: а) понижении температуры, б) повышении концентрации SO3, в) повышении давления. Записать выражение для константы равновесия реакции. Ответы обосновать.
, (5.8) . (5.9) а) Выражение зависимости константы равновесия от термодинамических характеристик реакции имеет вид: -2,3RTlgKP = ΔrH0(298K) – T . ΔrS0(298K), откуда . Смещение равновесия реакции при изменении температуры зависит от знака изменения стандартной энтальпии реакции ΔrH0(298K). Так как ΔrH0(298K)<0, то при понижении температуры показатель степени возрастать. возрастает при увеличении числителя и уменьшении знаменателя, а это возможно при протекании прямой реакции, т.е равновесие 2SO2(г) + O2(г) <=> 2SO3(г) будет смещено вправо (→). б) Константа равновесия остается величиной постоянной при любом изменении концентрации участников реакции. Поэтому при повышении концентрации SO3 (числитель) при неизменном значении КС должны автоматически возрасти концентрации исходных веществ (знаменатель), а это возможно при протекании обратной реакции, т.е. в этом случае равновесие сместится влево (←). в) В соответствии с принципом Ле Шателье увеличение давления смещает равновесие в сторону той реакции, которая сопровождается уменьшением давления или уменьшением суммарного числа моль газообразных веществ.
(газ) = 2моль(газ) Следовательно, при повышении давления равновесие системы смещается вправо (→). 3. Вычислить константу равновесия для гомогенной системы 4NH3(г) +3O2(г) <=> 2N2(г) + 6H2O(г), если исходные концентрации NH3(г) и O2(г) соответственно равны 6,0 и 5,0 моль/л, а равновесная концентрация N2(г) равна 1,8 моль/л.
веществ равна разности исходной концентрации и концентрации прореагировавших веществ. Равновесная концентрация продуктов реакции равна количеству образовавшихся продуктов реакции, т.к. в исходном состоянии их количество было равно нулю. Обозначим через х количество моль прореагировавших или образовавшихся веществ. Тогда с учетом коэффициентов в уравнении реакции отношения концентраций во второй строке под уравнением реакции равны: (: : : = 4:3:2:6). Последовательность расчетов равновесных концентраций веществ, участвующих в реакции, показана ниже:
По условию задачи равновесная концентрация N2 равна 1,8 моль/л. В то же время [N2] = 2х. Следовательно, 2х = 1,8, а х = 0,9. Тогда равновесные концентрации веществ равны, моль/л: [NH3] = 6,0-4·0,9 = 2,4 моль/л, [O2] = 5,0-3·0,9 = 2,3 моль/л, [N2] = 1,8 моль/л, [H2O] = 6,0·0,9 = 5,4 моль/л. =198,95. Ответ: Kс = 198,95.
6. ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА РАСТВОРОВ УРОВЕНЬ В 1. Определить давление насыщенного пара воды над 0,05 М раствором хлорида кальция (ρ = 1,041 г/см3) при 301К, если давление насыщенного пара над водой при этой температуре равно 3,78 кПа. Кажущаяся степень диссоциации хлорида кальция равна 0,85.
где - количество воды, моль, - количество CaCl2, моль i – изотонический коэффициент. α = , i = α (к-1) + 1 (6.5) где α – кажущаяся степень диссоциации CaCl2 к – общее количество ионов, образующихся при полной диссоциации одной молекулы CaCl2. CaCl2 = Сa2+ + 2Cl- к = 3 i = 0,85(3-1)+1 = 2,7 , моль/л, (6.6) oткуда , г = 111 г/моль Для расчета берем 1л раствора mр-ра = Vр-ра·ρ = 1000∙1,041 = 1041г. р = 3,78∙ = 3,77 кПа. Ответ: давление насыщенного пара над раствором равно 3,77 кПа. 1. Определить осмотическое давление 1,5% раствора карбоната натрия при 250С. Плотность раствора равна 1,015 г/см3. Кажущаяся степень диссоциации карбоната натрия равна 0,9.
где α - кажущаяся степень диссоциации, к – общее количество ионов, образующихся при полной диссоциации одной молекулы Na2CO3 Na2CO3 = 2Na+ + CO32- к = 3, тогда i = 0,9(3-1)+1 = 2,8 - молярная концентрация Na2CO3, моль/л = , моль/л В 100 г 1,5%-ного раствора содержится 1,5 г Na2CO3 Vр-ра = = = 98,5см3 = 0,0985 л. = = 0,144 моль/л π = 2,8∙0,144∙8,314∙298 = 998,96 кПа Ответ: осмотическое давление 1,5% раствора Na2CO3 равно 998,96 кПа.
3. Определить кажущуюся степень диссоциации соли, если водный раствор хлорида алюминия с массовой долей 1,5% кристаллизуется (замерзает) при температуре (-0,690С). =1,86 кг·К/моль.
AlCl3 = Al3+ + 3Cl- к = 4 ∆tзам = i∙ ∙сm(AlCl3), (6.8) где сm(AlCl3) = , моль/кг В 100г 1,5%-ного раствора содержится 1,5г AlCl3 и 98,5 г воды. сm(AlCl3) = = 0,114 моль/кг, = 133,5 г/моль = 3,25 α = = 0,75 (75%) Ответ: кажущаяся степень диссоциации AlCl3 равна 0,75(75%).
7. РАСТВОРЫ СИЛЬНЫХ И СЛАБЫХ ЭЛЕКТРОЛИТОВ. УРОВЕНЬ В 1. Рассчитать рН раствора, полученного смешением 25 см3 0,1М раствора HCl, 20 см3 0,2М раствора NaOH и 50 см3 воды.
РЕШЕНИЕ:
NaOH + HCl → NaCl + H2O (7.5)
Рассчитываем химическое количество исходных веществ:
= · = 0,2 ·20·10-3 = 4·10-3 = 0,004 моль, = · = 0,1·25·10-3 = 2,5·10-3 = 0,0025 моль 10-3 – коэффициент перевода мл в л. Из уравнения реакции (7.5) следует, что число моль NaOH, вступившего в реакцию, равно числу моль HCl. Определяем вещество, оставшееся в избытке: 0,004 моль > 0,0025 моль. Следовательно, в избытке, который определяет рН среды остался NaOH. Тогда количество избыточного NaOH в растворе: = 0,004 - 0,0025 = 0,0015 моль. Учитывая, что суммарный объем раствора складывается из объемов двух растворов и воды, = + + = 25·10-3 + 20·10-3 + 50·10-3 = 95·10-3л, Молярная концентрация NaOH равна: = = 0,016 моль/л. Так как диссоциация NaOH протекает по уравнению: NaOH = Na+ + OH-, то = 0,016 моль/л. рОН = - lg = - lg 0,016 = 1,80. рН = 14 – рОН, рН = 14-1,80 = 12,20. Ответ: рН = 12,20.
2. Определить, образуется ли осадок, если смешали 100 см 0,01М водного раствора хлорида кальция и 200 см 0,02М водного раствора карбоната натрия.
РЕШЕНИЕ: При смешении растворов протекает следующая реакция: СaCl2+Na2CO3= CaCO3↓+ NaCl (7.6) Осадок CaCO образуется только в случае, если с ·с >ПР =5·10 (табл.) Поскольку смешали 100 cм раствора CaCl и 200 cм Na CO , то объем раствора после смешения составляет 300 cм . После смешения с учетом разбавления растворов концентрации ионов Ca2+ и CO 2- будут равны: с = с · ·n ; с = с · ·n CaCl и Na CO - сильные электролиты, = 1. Процессы диссоциации CaCl и Na CO протекают по следующим уравнениям: CaCl = Ca +2Cl Na CO = 2Na +CO следовательно, n = 1 и n = 1. с = 0,01·1·1 = 3,3·10 моль/л, с = 0,02·1·1 = 1,3·10 моль/л. с ·с = 3,3·10 ·1,3·10 = 4,29·10 Так как 4,29·10-5 > 5·10-9 (ПР ), то осадок CaCO образуется. Ответ: осадок CaCO образуется. 3.Вычислить рН 0,0IM водного раствора HNO2, содержащего, кроме того, 0,02 моль/л KNO2.
РЕШЕНИЕ: рН = - lg с HNO2 <=> H+ + NO (7.7) KNO2 = K+ + NO (7.8) Прибавление KNO2 к раствору HNO2 смещает равновесие диссоциации HNO2 влево за счет увеличения концентрации иона NO2-. В результате, в системе устанавливается равновесие при новых концентрациях Н+ и NO , но значение константы диссоциации HNO2 при этом остается прежним. Тогда обозначим равновесную концентрацию ионов [Н+] в новых условиях через х: [H+] = х моль/л. Общая равновесная концентрация иона [NO ] равна сумме концентраций иона NO , образовавшегося при диссоциации HNO2 и при диссоциации KNO2: [NO ] = с + с . из HNO2 из KNO2 Концентрация ионов NO , образовавшихся при диссоциации HNO2, равна х моль/л, так как при диссоциации 1 моль HNO2 образуется 1 ион Н+ и 1 ион NO (из уравнения 7.7). Концентрация ионов NO , образовавшихся при диссоциации КNO2 равна: с = с ·α·n = 0,2·1·1 = 0,2 моль/л (из уравнения 7.8.), КNO2 - сильный электролит, α = 1, n = 1. тогда [NO ] = (х + 0,02) моль/л Равновесная концентрация недиссоциированных молекул [HNO2] = (0,01 – х) моль/л. = 4·10-4, (табл.) так как, х << 0,01 моль/л, то значением х, ввиду его малого значения, в выражениях (х+0,02) и (0,01- х) можно пренебречь, и данное выражение записать в виде: ; откуда х = [H+] = 2 · 10-4 моль/л рН = -lg(2·10-4) = 3,7 Ответ: рН = 3,7
ГИДРОЛИЗ СОЛЕЙ УРОВЕНЬ В 1. Составить ионно-молекулярное и молекулярное уравнения гидролиза карбоната калия (K2CO3). Вычислить константу, степень и рН гидролиза соли в 0,01М растворе.
K2 CO3 + H2O <=> KHCO3 + KOH KOH + H2 CO3
СО32 - + Н ОН <=> +, рН>7, среда щелочная Kг = , (табл.). Kг = , , =0,14, pH+ рОН=14. Так как среда щелочная, то определяем : pОН= -1/2∙lgKг -1/2∙lg = рН = 14-рОН, рН = 14-2,84=11,16, Ответ: 2. Рассчитать при температуре 300К константу, степень и рН гидролиза нитрат аммония (NH4NO3) в 1М растворе, используя значения термодинамических характеристик реакции гидролиза соли. Написать ионно-молекулярное и молекулярное уравнение гидролиза этой соли. ∆гНо(298 К) = 51,14 кДж; ∆гSo(298 K) = - 4,67 Дж/К.
NH4 NO3 + H2O <=> NH4OH + HNO3 NH 4OH + HNO3
NH4 + + H OH <=> NH4OH +, pH<7, среда кислая
(8.1) , =2,67·10-5 Т.к. среда кислая, то определяем рН: , рН = -1/2∙(-9,15)-1/2∙lg1= 4,60. Ответ: 3. Какая из двух солей хлорид цинка (ZnCl2) или хлорид меди (СuCl2), при равных концентрациях в большей степени подвергается гидролизу? Ответ мотивировать расчетом отношения степеней гидролиза обеих солей. Составить ионно-молекулярные и молекулярные уравнения гидролиза этих солей.
Zn Cl2 + H2O <=> ZnOHCl + HCl Zn (OH)2 + HCl
Zn 2+ + H OH < = > +, рН < 7 - среда кислая Cu Cl2 + H2O < = > CuOHCl + HCl Cu (OH)2 + HCl
Cu2+ + H OH < = > +, рН < 7 - среда кислая , (табл.).
(табл.) = = = = 10,85. Ответ: Степень гидролиза CuCl2 в 10,85 раз больше степени гидролиза ZnCl2, поэтому CuCl2 в большей степени подвергается гидролизу, чем ZnCl2.
Что вызывает тренды на фондовых и товарных рынках Объяснение теории грузового поезда Первые 17 лет моих рыночных исследований сводились к попыткам вычислить, когда этот... Что делать, если нет взаимности? А теперь спустимся с небес на землю. Приземлились? Продолжаем разговор... Что способствует осуществлению желаний? Стопроцентная, непоколебимая уверенность в своем... Конфликты в семейной жизни. Как это изменить? Редкий брак и взаимоотношения существуют без конфликтов и напряженности. Через это проходят все... Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском гугл на сайте:
|