Задачи по "Общей и неорганической химии"

      4. На нейтрализацию  0,943 г H₃PO₄ израсходовалось 1,288 г KOH. Вычислите основность кислоты и запишите уравнение реакции. Чему равны эквивалентные объемы O₂ и Cl₂ при н.у.?

      Решение.

      Согласно  закону эквивалентов:

      

      Подставляя  известные значения, находим:

       , откуда эквивалентная масса  кислоты равна 41 г/моль. Молярная  масса фосфорной кислоты равна  98 г/моль, следовательно, основность  кислоты в данной реакции равна  98/41=2,4. Такое значение позволяет судить об ошибке в условии задачи. Ответ на замечание преподавателя: Поискав в Интернете аналогичные условия задач, найдено, что в условии ДЕЙСТВИТЕЛЬНО ОПЕЧАТКА, ТАК ИНОГДА БЫВАЕТ. В решении ошибки НЕТ. Речь идет не о фосфорной кислоте, а о фосфористой H₃PO₃, молярная масса которой 82 г/моль. Если молярная масса кислоты 82 г/моль, а эквивалентная масса равна 41 г/моль, то основность кислоты в данной реакции равна 82/41=2. Реакция протекает по уравнению:

      H₃PO₃ + 2KOH => K₂HPO₃ + 2H₂O (основность кислоты 2, 1 моль кислоты реагирует с 2 моль щелочи). 

      В самом деле, фосфорная кислота  может реагировать с гидроксидом  калия тремя способами:

      H₃PO₄ + KOH => KH₂PO4 + H₂O (основность кислоты 1)

      Рассчитаем  массу кислоты для этой реакции. Если в реакцию вступает 1,288 г  KOH, молярная масса которого 56 г/моль, то для реакции требуется 1,288/56=0,023 моль KOH и 0,023 моль кислоты. Тогда при молярной массе 98 г/моль масса кислоты для реакции составит 0,023*98=2,254 г.

      H₃PO₄ + 2KOH => K₂HPO₄ + 2H₂O (основность кислоты 2)

      Рассчитаем  массу кислоты для этой реакции. Если в реакцию вступает 1,288 г KOH, молярная масса которого 56 г/моль, то для реакции требуется 1,288/56=0,023 моль KOH и 0,023/2=0,0115 моль кислоты. Тогда при молярной массе 98 г/моль масса кислоты для реакции составит 0,0115*98=1,127 г.

      H₃PO₄ + 3KOH => K₃PO₄ + 3H₂O (основность кислоты 3)

      Рассчитаем  массу кислоты для этой реакции. Если в реакцию вступает 1,288 г  KOH, молярная масса которого 56 г/моль, то для реакции требуется 1,288/56=0,023 моль KOH и 0,023/3=0,0077 моль кислоты. Тогда при молярной массе 98 г/моль масса кислоты для реакции составит 0,0077*98=0,751 г.

      Ни  одного из этих вариантов в условии  нет. Условие ошибочно.

      1 моль любого газа при нормальных  условиях занимает объем 22,4 л.  Эквивалентный объем кислорода  равен 22,4/4=5,6 л, поскольку в реакциях окисления-восстановления молекула кислорода присоединяет 4 электрона. Эквивалентный объем хлора равен 22,4/2=11,2 л, поскольку в реакциях окисления-восстановления молекула хлора присоединяет 2 электрона.

      Ответ: нет целочисленного решения; 5,6 л; 11,2л 

      31. В каком периоде  и группе стоит  элемент, имеющий  три электрона  на внешнем энергетическом  уровне, для каждого  из которых n=3 и l=1? Какие значения для них имеет магнитное квантовое число m_l? Чему равно их суммарное спиновое число?

      Решение.

      Главное квантовое число отвечает за номер  валентного уровня. Элемент имеет 3 валентных уровня, следовательно, находится  в 3 периоде.

      Орбитальное квантовое число l отвечает за форму орбитали, при l=1 форма орбитали гантелеобразная, это р-орбитали. Три электрона на трех р-орбиталях означают, что элемент относится к р-элементам (элемент главной подгруппы), тогда на его внешнем уровне имеется еще и 2 электрона на s-подуровне, всегда имеющих меньшую энергию и заполняющихся раньше р-орбиталей. Таким образом, на валентном уровне имеет 5 электронов, что соответствует 5 группе главной подгруппе. Элемент – фосфор.

      Магнитное квинтовое число принимает значения -l...0 +l. Для l=1 m_l = -1, 0, +1. Магнитное квантовое число отвечает за направление орбитали в пространстве. Для трех р-орбиталей возможно три расположения в пространстве (перпендикулярно друг другу, вдоль осей x, y, z).

      В соответствии с правилом Гунда, электроны  располагаются по орбиталям так, чтобы их суммарный спин был максимальным. Спиновое квантовое число может принимать значения +1/2 и -1/2, на трех р-орбиталях может располагаться 3 неспаренных электрона со спинами +1/2, тогда их суммарный спин равен 3/2. 

      60. Чем обусловлено  нахождение галогенов  и d-металлов в одной группе, но в разных подгруппах периодической таблицы? Почему d-элементы отсутствуют в третьем периоде? Ответ обоснуйте конкретными примерами.

      Решение.

      Валентными  электронами d-элементов являются не только электроны внешнего уровня (имеющего номер n), но и предвнешнего уровня (n-1). Например, для марганца (элемент 4 периода) валентными являются электроны 3d⁵4s². Нахождение на валентном уровне 7 электронов определяет положение марганца и его аналогов в 7 группе, при этом все они попадают в побочную подгруппу, в отличие от галогенов, расположенных в главной подгруппе. У галогенов заполняются внешний р-подуровень, строение этих элементов ns²np⁵ (фтор 2s²2p⁵, хлор 3s²3p⁵, бром 4s²4p⁵, йод 5s²5p⁵, астат 6s²6p⁵). Строение d-элементов седьмой группы (n-1)d⁵ns² (марганец 3d⁵4s², технеций 4d⁵5s², рений 5d⁵6s²).

      В третьем периоде нет d-элементов, поскольку строение их валентного уровня должно было бы начинаться с заполнения 2d-подуровня. Однако, как известно, d-подуровень возникает только при наличии трех и более энергетических уровней. Это обусловлено тем, что орбитальное квантовое число l, отвечающее за форму орбиталей, может принимать значения от 0 до n-1, то есть для элементов 2 периода максимально возможно l=1 (р-орбитали). d-орбитали появляются с третьего периода, когда максимально l=2, а заполнение d-орбиталей начинается с 4 периода.

      Таким образом, нахождение галогенов и  d-металлов в одной группе обусловлено одинаковым количеством электронов на валентном уровне (по 7). Для р-элементов валентным является внешний уровень (номер которого равен номеру периода), для d-элементов валентными являются внешний и предвнешний (d-электроны) уровни. 

      91. Изобразите электронно-графические  формулы молекул  F₂ и Cl₂ и объясните более прочную связь в молекуле Cl₂, хотя длина связи в этой молекуле больше, чем в молекуле F₂.

      Решение.

      Строение атома фтора ₉F 1s²2s²2p⁵;

       

           1s       2s             2p

      Строение атома хлора ₁₇Cl 1s²2s²2p⁶3s²3p⁵3d⁰.

      

         1s       2s                  2p             3s                3p                                  3d

      Атомы, внешняя электронная оболочка которых  состоит только из s- и р-орбиталей, могут быть либо донорами, либо акцепторами  электронной пары (для фтора: поскольку нет вакантных орбиталей, то фтор может быть только донором электронной пары). Атомы, у которых внешняя электронная оболочка включает d-орбитали, могут выступать в роли и донора, и акцептора пар электронов. В этом случае рассматривается дативный механизм образования связи. Примером проявления дативного механизма при образования связи служит взаимодействие двух атомов хлора. Два атома хлора в молекуле Cl₂ образуют ковалентную связь по обменному механизму, объединяя свои неспаренные 3р-электроны. Кроме того, происходит перекрывание 3р-орбитали атома Cl-1, на которой имеется пара электронов, и вакантной 3d-орбитали атома Cl-2, а также перекрывание 3р-орбитали атома Cl-2, на которой имеется пара электронов, и вакантной 3d-орбитали атома Cl-1. Действие дативного механизма приводит к увеличению прочности связи. Поэтому молекула Cl₂ является более прочной, чем молекула F₂, в которой ковалентная связь образуются только по обменному механизму: 

      Молекулы    F₂   Cl₂   Br₂   I₂

      Энергия связи, кДж/моль   155   240   190   149

      При образовании молекулы неспаренные  электроны двух атомов хлора образуют одну общую электронную пару; в результате каждый атом хлора приобретает электронную структуру 3s²3p⁶:

      Аналогично  для молекулы фтора:

 

      101. При повышении  температуры от 298 до 308 К скорость  некоторой реакции  увеличилась в  3 раза. Определите  численные значения  величин температурного коэффициента и энергии активации Еа. От каких факторов они зависят и каков их физический смысл?

      Решение.

      Температурный коэффициент реакции показывает, во сколько раз возрастает ее скорость при повышении температуры на 10 градусов. Численное значение зависит от природы реагирующих веществ и для данной реакции есть величина постоянная.

      

      Если  скорость реакции увеличилась в 3 раза, то:

      

      

       =3

      Более точная зависимость скорости реакции  от температуры выражается уравнением Аррениуса.

      

      Здесь Еа – энергия активации реакции, т.е. минимальная энергия, которую  необходимо сообщить частицам, чтобы  их взаимодействие было эффективным. Численное значение Еа зависит от природы реагирующих веществ и присутствия катализатора.

      

      Еа=83,8 кДж/моль

      Ответ: 3; 83,8 кДж/моль. 

      135. Константа равновесия (Кс) в газовой системе  A + B ó C + D равна 1. Вычислите равновесные концентрации веществ, если в начале реакции в объеме 10 л содержится 60 моль вещества А и 40 моль вещества В. Укажите способы смещения равновесия вправо (реакция экзотермическая). Как при этом изменится численное значение константы равновесия?

      Решение.

      Исходная  концентрация вещества А 60/10=6 моль/л, вещества В 40/10=4 моль/л. В результате реакции  расходовалось х моль/л вещества А и х моль/л вещества В (по уравнению  реакции, вещества А и В вступают в реакции в соотношении 1:1). В состоянии равновесия концентрации веществ С и D составят x моль/л, а концентрации веществ А и В составят, соответственно, 6-х и 4-х моль/л. Выражение для константы равновесия:

      

      Решая это уравнение, находим х=2,4 моль/л. Данное уравнение имеет ОДНО решение:

      х² = (6-х)(4-х)

      х² = 24 – 6х-4х+х²

      24=10х

      х=2,4

      Равновесные концентрации С и D равны 2,4 моль/л, равновесная концентрация А равна 6-2,4=3,6 моль/л, В 4-2,4=1,6 моль/л.

      Согласно  принципу Ле Шателье, при внешнем  воздействии на систему, находящуюся в состоянии равновесия, равновесие этой системы смещается в сторону, снижающую это воздействие. Формулировка из методички: если на систему, находящуюся в равновесии, оказывается внешнее воздействие, то оно благоприятствует реакции, ослабляющей это воздействие. На самом деле существует несколько формулировок этого принципа. Например, в Химической энциклопедии приводится следующая формулировка: если система находится в состоянии равновесия, то при действии на нее сил, вызывающих нарушение равновесия, система переходит в такое состояние, в котором эффект внешнего воздействия ослабевает.

      Равновесие  можно сместить вправо, если увеличить  концентрацию (давление) реагентов  или уменьшить концентрацию (давление) продуктов реакции.

      Изменение общего давления в системе не приведет к сдвигу равновесия, поскольку реакция идет без изменения объема системы (из 2 моль газообразных реагентов образуется 2 моль продуктов). Если реакция экзотермическая, т.е. протекает с выделением тепла, то равновесие можно сместить вправо, если отводить выделяющееся тепло, т.е. при понижении температуры. Численное значение константы равновесия при повышении температуры в экзотермических процессах уменьшается. Ответ на вопрос Почему:

      Повышение либо понижение температуры означает приобретение либо потерю системой энергии и, следовательно, должно изменять величину константы равновесия.

      Запишем уравнение изотермы химической реакции в следующем виде:

                          

                                                

      Продифференцировав  второе выражение по температуре, получаем для зависимости константы равновесия от температуры уравнение изобары Вант-Гоффа: