Химические реакции

Размещено на http://www.allbest.ru/

МАДИ (ГТУ)

КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА ПО ХИМИИ

СТУДЕНТА ГРУППЫ 13 ПП

ДОРОФЕЕВА

ВАДИМА ГЕННАДЬЕВИЧА

Москва 2005г.

Тема: Моль. Количество вещества эквивалента (эквивалент) и молярная масса эквивалента (эквивалентная масса) простых и сложных веществ. Закон эквивалентов

Из 1.3г гидроксида металла получается 2,85г его сульфата. Вычислите молярную массу эквивалента этого металла.

Решение.

Молярная масса эквивалента гидроксида металла Ме равна сумме молярных масс эквивалентов металла Ме и гидроксильной группы ОН?;

Молярная масса сульфата металла равна сумме молярных масс эквивалентов металла Ме и кислотного остатка SО4?? ;

Молярная масса эквивалента ОН? равна 17 (16+1);

Молярная масса эквивалента кислотного остатка SО4?? равна молярной массе кислотного остатка SО4?? (96), деленной на основность кислоты (2), т.е. 96/2=48.

По закону эквивалентов составляем пропорцию

1.3г - mЭ(Ме)+17

2.85г - mЭме+48

1.3*mЭме +1.3*49 = 2.85*mЭме + 2.85*17

1.55mЭме = 13.95

MЭме = 9 г/моль.

Тема: Строение атома

Какие орбитали атома заполняются электронами раньше: 4s или 3d; 5s или 4p? Почему? Напишите электронную формулу атома элемента с порядковым номером 21.

Решение.

Орбиталь - это пространство вокруг ядра, в котором наиболее вероятно нахождение электрона. Электроны, движущиеся в орбиталях близкого размера, образуют электронные слои, или энергетические уровни.

Энергетические уровни нумеруют в порядке возрастания от ядра: 1,2,3,4,5,6,7. Иногда их обозначают соответственно: K, L, M, N, O, P, Q.

Целое число n, обозначающее номер уровня, называют квантовым числом. Оно характеризует энергию электронов, занимающих данный уровень. Наименьшей энергией обладают электроны первого уровня, поэтому они сильнее притягиваются к ядру. Чем больше номер энергетического уровня, тем, соответственно, выше энергия электронов этого уровня.

Число энергетических уровней в атоме равно номеру периода в системе Менделеева, в котором он стоит.

Наибольшее число электронов на энергетическом уровне равно удвоенному квадрату номера уровня:

N=2n?;

N - число электронов; n- номер уровня(считая от ядра) или главное квантовое число.

В соответствии с эти уравнением наибольшее число электронов:

на 1-ом уровне-не более2; на 2-ом не более 8; на 3-ем не более 18, на 4-ом не более32.

Строение электронного уровня.

Начиная со 2-го уровня, уровни разделяются на подуровни. Число подуровней равно значению главного квантового числа, т.е. числу уровня, но не более 4.

Подуровни состоят из орбиталей. Подуровни обозначают в направлении от ядра: s, p, d, f.

Первый подуровень s состоит из одной s-орбитали;

Второй подуровень p состоит из 3-ех p-орбиталей;

третий подуровень d -из 5-ти d-орбиталей;

четвертый подуровень f состоит из 7-ми f-орбиталей.

Принцип Паули: в каждой орбитали может находиться не более 2-ух электронов. Принцип наименьшей энергии: Каждый электрон в атоме занимает свободную орбиталь с наиболее низкой энергией, отвечающей его прочной связи с ядром. Наименьшей энергией обладают электроны 1-го энергетического уровня. С ростом порядкового номера элемента электроны заполняют орбитали и уровни в порядке их возрастания: уровни от1 к 7, подуровни от s до f.

В соответствии с этим составляется электронная формула атомов периодической системы элементов Менделеева.

Электронная конфигурация обозначается : nl^, где n-главное квантовое число, l-орбиталь (s, p, d, f), ^- число электронов.

Последовательность заполнения энергетических уровней и подуровней следующая:

1s/2s/2p/3s/3p/4s/3d/4p/5s/4d/5p/6s/5d'/4f/5d/6p/7s/(6d???)/5f/6d/7p

Ответ:

Так как по принципу наименьшей энергии электроны заполняют орбитали и уровни в порядке возрастания их энергий: уровни от1 до 7, орбитали от s до f, то из орбиталей 4s и 3d раньше заполнится орбиталь 3 уровня, т.е. 3d, а из орбиталей 5s и 4p раньше заполнится орбиталь 4 уровня, т.е. 4p. Электронная формула атома элемента с порядковым номером 21 будет содержать 4 уровня, т.к. число уровней равно номеру периода в системе Менделеева. Итак, электронная формула элемента скандия выглядит

21 Sc 1s?/2s?2p6/ 3s?3p63d? / 4s?

4 уровень 4s?

3 уровень3s?3p63d?

2 уровень2s?2p6

1 уровень1s?

Тема: Периодическая система элементов Д.И. Менделеева

У какого из p-элементов пятой группы периодической системы - фосфора или сурьмы сильнее выражены неметаллические свойства? Какое из водородных соединений данных элементов более сильный восстановитель? Ответ мотивируйте строением атома этих элементов.

Решение.

Электронные формулы фосфора P и сурьмы Sb:

15P 1s?/2s?2p6/ 3s?3p3

3 уровень3s?3p3

2 уровень2s?2p6

1 уровень1s?

51 Sb 1s?/2s?2p6/ 3s?3p63d10 / 4s?4p64d10/5s?5p3

5 уровень 5s?5p3

4 уровень 4s?4p64d10

3 уровень3s?3p63d10

2 уровень2s?2p6

1 уровень1s?

Атом фосфора относится к V группе III периода, на внешнем энергетическом уровне у него 5 электронов, он относится к p-элементам.

Атом сурьмы относится к V группе V периода, на внешнем энергетическом уровне тоже 5 электронов, идет заполнение p-подуровня.

Неметаллические свойства атома определяются сродством к электрону, т.е. способностью присоединять электроны. У фосфора электроны на 3 внешнем уровне, в p-орбитали сильнее притянуты к ядру, чем у сурьмы в 5 уровне, ему легче притянуть электроны, т.е. легче проявить неметаллические свойства. Поэтому, несмотря на одинаковое количество электронов на внешнем уровне, неметаллические свойства сильнее выражены именно у фосфора.

В случае образования водородного соединения фосфором или сурьмой электрон с внешней оболочки водорода перейдет на внешнюю оболочку атома фосфора и сурьмы, но в случае фосфора это притяжение будет сильнее, и, соответственно, восстановительные свойства (способность отдавать электроны) слабее проявятся у фосфора, сильнее у сурьмы.

Тема: Химическая связь и строение молекул. Конденсированное состояние вещества

Какой способ образования ковалентной связи называют донорно-акцепторным?

Какие химические связи имеются в ионах NH4? и BF4 ?? Укажите донор и акцептор.

Решение.

При наличии незавершенных внешних энергетических уровней атома он стремится к их заполнению путем химического взаимодействия и образования химической связи с другими атомами. В образовании химической связи участвуют валентные электроны, т. е. электроны незавершенного внешнего уровня. Химические связи могут быть 3-ех типов:

ковалентная, ионная и металлическая.

Ковалентная связь. Когда два атома приближаются друг к другу на близкое расстояние, электронные орбитали внешних незавершенных уровней перекрывают друг друга, притягивают ядра атомов и образуют общее электронное облако или ковалентную связь.

Если возникает одно общее электронное облако или ковалентная связь, то связь называется одинарной, если две пары электронов образуют связь - она называется двойной и т.д.

Итак, ковалентная связь это химическая связь, осуществляемая электронными парами. Это двухэлектронная и двухцентровая (удерживает два ядра) связь. Соединения с ковалентной связью называются гомеополярными или атомными. Связь может быть неполярной (электронное облако равномерно удалено от центров ядер атомов, как в двухатомных молекулах О2 N2 H2) и полярной (смещенной в сторону атома с большей электроотрицательностью как NH3, HCl).

Разновидностью ковалентной связи является донорно-акцепторная связь. В этом случае химическая связь возникает за счет двухэлектронного облака одного атома и свободной орбитали другого атома как в случае образования иона аммония NH4+.

Схема образования связей иона аммония NH4+.

Строение атома N: N7 1s?/2s?2p3

2 уровень2s?2p3

1 уровень1s?

Строение атома Н: 1s?

1 уровень1s?

В молекуле аммиака каждый из 3-ех p-электронов азота N участвует в образовании ковалентной связи с одним электроном атома водорода, образуется тройная связь. При этом у атома азота N осталась неподеленная пара s-электронов. У иона же водорода H+ имеется свободная 1s-орбиталь.

При образовании иона аммония связь образуется за счет неподеленной пары s-электронов молекулы аммиака NH3 и свободной s-орбитали иона водорода H+.

Атом, предоставляющий неподеленную пару электронов (в данном случае N), называется донором, атом, принимающий ее (в данном случае H) называется акцептором.

Схема образования связей в ионе BF4?.

Строение атома B: B5 1s?/2s?2p?

2 уровень2s?2p?

1 уровень1s?

Строение атома F: F9 1s?/2s?2p5

2 уровень2s?2p5

1 уровень1s?

Атом бора имеет на внешнем уровне один неспаренный p-электрон и два спаренных s- электрона

Атом фтора имеет на внешнем уровне два спаренных s-электрона, две пары спаренных p-электронов и один неспаренный p-электрон.

В образовании молекулы BF3 участвуют три электрона внешнего уровня атома бора и остается свободная p-орбиталь (т.к. из возможных 3-ех орбиталей на 2-ом подуровне занята лишь одна), а также по одному неспаренному p-электрону внешнего уровня от 3-ех атомов азота). В этом соединении фтор донор, бор акцептор.

Ион фтора F? образуется присоединением электрона к атому фтора, при этом на внешнем уровне атома фтора заполняется 3-ий последний подуровень 2 -ого уровня, свободной орбитали нет.

Далее в образовании иона фтора BF4? участвует пара электронов атома фтора и свободная орбиталь атома бора.

Связь ковалентная, донорно-акцепторная, донор - фтор F, акцептор - бор B.

Тема: Энергетика химических процессов (термохимические расчеты)

При сгорании 1л ацетилена (н.у.) выделяется 56.053 кДж теплоты. Напишите термохимическое уравнение реакции, в результате которой образуются пары воды и диоксида углерода. Вычислите теплоту образования С2Н2 (г).

Решение.

Реакция горения ацетилена (н.у.) выражается термохимическим уравнением6

С2Н2 (г) + 2?О2 = 2 СО2(г) + Н2О (г)

Теплотой образования (энтальпией) С2Н2 называют тепловой эффект реакции образования 1 моль этого соединения из простых веществ, взятых в их устойчивом состоянии при данных условиях (н.у.).

Обычно теплоту образования относят к стандартному состоянию, т.е. 25?С (298?К) и 1.013-10 Па и обозначают через ?Н. Так как тепловой эффект с температурой изменяется незначительно, то в дальнейшем индексы опускаются, и тепловой эффект обозначается через ?Н.

Для определения теплоты образования ацетилена нужно вычислить тепловой эффект реакции, термохимическое уравнение которой имеет вид:

2 С (графит) + Н2(г) + = С2Н2 (г); ?Н = ?

исходя из следующих данных:

а). С2Н2 (г) + 2?О2 = 2 СО2(г) + Н2О (г); ?Нх.р.

б). С (графит) + О2(г) = СО2 (г); ?Н = -393.51 кДж (см. табл.5)

в). Н2 +?О2 (г) = Н2О (г); ?Н = - 241.83 кДж (см. табл.5)

Из закона Авогадро вытекает, что при одинаковых условиях 1 г/моль любого газа занимает объем 22.4л.

Тепловой эффект реакции сгорания 1 литра ацетилена С2Н2 (г) по условиям задачи составил 56.053 кДж.

Исходя из уравнения а). в реакцию вступил 1 г/моль ацетилена С2Н2 (г), следовательно тепловой эффект реакции по уравнению а). составит:

1л - 56.053 кДж

22.4л - Х кДж

Х == 1255.587 кДж

Т.е. ?Нх.р. по уравнению а). = 1255.587 кДж

Термохимические расчеты проводят на основании закона Гесса

«Тепловой эффект реакции зависит только от природы и физического состояния исходных веществ и конечных продуктов, но не зависит от пути перехода» и следствия из закона Гесса

«Тепловой эффект реакции ?Нх.р. равен сумме теплот образования ?Нобр. Продуктов реакции за вычетом суммы теплот образования исходных веществ с учетом коэффициентов перед формулами этих веществ в уравнении реакции»

?Нх.р.= ?Нобр.прод. - ?Нобр.исх.

На основании следствия из закона Гесса с термохимическими уравнениями можно оперировать так же, как с алгебраическими. Для получения искомого результата оперируем с коэффициентами уравнения, умножая уравнение б) на коэффициент 2, уравнение в) оставляя без изменения, затем сумму этих уравнений вычесть из уравнения а)

С2Н2 (г) + 2?О2 - 2С - 2О2 - Н2 - ?О2 = 2СО2(г) + Н2О (г) +1255.587 кДж - 2СО2-2(-393.51 кДж) - Н2О -(- 241.83 кДж);

?Нх.р. = 1255.587 кДж +2*(-393.51 кДж) +(- 241.83 кДж);

?Нх.р = 226.75 кДж

С2Н2 = 2С+Н2 +226.75 кДж

Стандартная теплота образования ацетилена С2Н2 составляет 226.75 кДж.

Тема: Химическое сродство

Вычислите ?H?, ?S? и ?G треакции, протекающей по уравнению

Fe2O3(к)+3Н2(г) = 2Fe(к) + 3Н2О (г)

Возможна ли реакция восстановления Fe2O3(к) водородом при 500 и 2000К?

Решение.

1. В химической реакции, протекающей по уравнению:

Fe2O3(к)+3Н2(г) = 2Fe(к) + 3Н2О (г)

Тепловой эффект реакции (?Нх.р.), исходя из следствия закона Гесса, равен сумме теплот образования ?Нобр. продуктов реакции за вычетом суммы теплот образования исходных веществ с учетом коэффициентов перед формулами этих веществ в уравнении реакции.

?Нх.р.= ?Нобр.прод. - ?Нобр.исх.

?Нх.р.= (2 ?Н°Fe(к) +3?Н°Н2О (г)) - (?Н° Fe2O3(к) + 3 ?Н°Н2г)

- теплоты образования простых веществ условно приняты равными нулю;

- теплота образования Н2О (г) равна -241.83 (по табл. №5)

- теплота образования Fe2O3(к) равна -822.10 (см.табл.№5)

Исходя из указанных данных:

?Нх.р.= 3(-241.83) - (-822.10) = -725.49 - (-822.10) = 96.61 кДж

Ответ: ?Нх.р.= 96.61 кДж

Примечание: в условии задачи №113 (стр. 51 методических указаний) в праой части уравнения перед молекулой воды проставлен коэффициент 2, считаю, что коэффициент должен быть 3.

2. Изменение энтропии продуктов химической реакции, протекающей по уравнению

Fe2O3(к)+3Н2(г) = 2Fe(к) + 3Н2О (г),

Рассчитывается по формуле:

?Sх.р.= ?Sпрод. - ?Sисх.

?Sх.р.= (2 ?S°Fe(к) +3?S°Н2О (г)) - (?S° Fe2O3(к) + 3 ?S°Н2г), где:

?S°Fe(к)= 27.2 Дж/(моль*К)

?S°Н2О (г))= 188.72 Дж/(моль*К)

?S° Fe2O3(к) = 89.96 Дж/(моль*К)

?S° O/H2(г) = 130.59 Дж/(моль*К)

С учетом этих данных:

?Sх.р.= (2*27.2 +3*188.72) - (89.96+3*130.59) = 620.56-481.73 = 138.83 Дж/(моль*К)

Ответ: ?Sх.р.= 138.83 Дж/(моль*К)

3. Мерой химического сродства (?G°) является убыль энергии Гиббса (изменение изобарно- термического потенциала или энергии Гиббса).

Убыль энергии Гиббса ?G°х.р. в химической реакции

Fe2O3(к)+3Н2(г) = 2Fe(к) + 3Н2О (г)

вычисляем по формуле:

?G°х.р = ?Н° - Т*?S°

?G°х.р = 96.61 - 298*0.13883 = 96.61-41.37 = +55.24кДж

Ответ: ?G°х.р = +55.24кДж

Т.к. ?G°х.р. > 0, то реакция при стандартных условиях невозможна; при этих условиях пойдет обратная реакция - окисление железа (коррозия).

Определяем температуру, при которой ?G°х.р.= 0

?Н = Т*?S, отсюда Т = ?Н/?S = 96.61/0.13883 = 695.9°К,

отсюда находим убыль энергии при 500°К :

?G500 =96.61-500*0.13883 кДж = +27.19 кДж

Таким образом, ?G при температуре 500°К составляет +27.19 кДж,

т.е. ?G > 0 и реакция невозможна.

При температуре 2000°К находим ?G2000 аналогично:

?G2000 = 96.61 - 2000*0.13883 = 96.61 -277.66 = - 181.кДж

?G2000 = - 181.кДж

?G2000 <0, значит при температуре 2000°К реакция возможна.

Примечание:

Поскольку изначальная температура, при которой начинается реакция по уравнению

Fe2O3(к)+3Н2(г) = 2Fe(к) + 3Н2О (г),

из вышеприведенных расчетов равна 695.9°К, то путем сравнения температур можно сразу определить, что при температуре 500°К реакция не пойдет, а при температуре выше 695.9, т.е. при 2000°К пойдет с получением продуктов согласно уравнению.

Химическая кинетика и равновесие

Почему при изменении давления смещается равновесие системы

N2 +3 H2 -2 NH3 и не смещается равновесие системы

N2 + O2- 2NO?

Ответ мотивируйте на основании расчета скорости прямой и братной скорости реакций в этих системах до и после изменения давления. Напишите выражения для констант равновесия каждой из данных систем.

Решение.

Имеются два уравнения реакции

1). N2 +3 H2 -2 NH3

2).N2 + O2- 2NO?

В уравнении (1) обозначим концентрации реагирующих веществ:

[N2] = a; [H2] = b; [NH3] = с

Согласно закону действующих масс, скорость прямой и обратной реакций до изменения давления равны

Vпр = Ка*b? Vобр = К1*с?

Предположим, что давление гомогенной системы увеличилось в два раза, тогда концентрация каждого из реагирующих веществ увеличится в два раза:

[N2] = 2a; [H2] = 2b; [NH3] = 2с

при новых концентрациях скорости прямой и обратной реакций равны:

V?пр = К(2а)*(2b)? = 16Кab? V?обр = К1*(2с)? = 4К1*с?

Отсюда:

V?пр/ Vпр = 16К*a*b?/ К*а*b? = 16;

V?обр /Vобр = 4К1*с?/ К1*с? = 4.

Следовательно, скорость прямой реакции увеличилась в 16 раз, а обратной только в 4 раза. Равновесие системы сместилось в сторону образования NH3.

Теперь рассмотрим уравнение (2).

Обозначим концентрации реагирующих веществ:

[N2] = a; [О2] = b; [NО] = с

Тогда скорости прямой и обратной реакций будут равны

Vпр = Ка*b Vобр = К1*с?

При увеличении давления в два раза концентрации будут равны:

[N2] = 2a; [О2] = 2b; [NО] = 2с

а скорости прямой и обратной реакций:

V?пр = К(2а)*(2b) = 4Кab; V?обр = К1*(2с)? = 4К1с?

Отсюда:

V?пр/ Vпр = 4Кab/ Ка*b = 4

V?обр/ Vобр = 4К1с?/ К1*с? = 4.

Скорости прямой и обратной реакций изменились одинаково, т.е. в 4 раза. Равновесие системы не изменилось и реакция не идет.

При равновесии скорости прямой и обратной реакции равны, а отношение констант этих скоростей постоянно и называется константой равновесия данной системы.

Для реакции по уравнению

N2(г) +3 H2(г) -2 NH3(г)

Vпр = К[N2] [H2]? Vобр = К1 [NH3]?

Кравн = К/К1 = [NH3]?/ [N2] [H2]?

Для реакции по уравнению:

N2(г) + O2(г)- 2NO(г)

Vпр = К[N2] [O2] Vобр = К1 [NO]?

Кравн = К/К1 =[NO]? /[N2] [O2].

Тема Концентрации

Сколько и какого вещества останется в избытке, если к 75см3 0.3н раствора серной кислоты прибавить 125см3 0.2н раствора KOH?

2KOH + H2 SO4= K2 SO4+ 2H2O

Вещества вступают во взаимодействие в количествах, обратно пропорциональных их концентрациям, при этом для этого уравнения будет действительно равенство:

Vк*Ск = Vщ*Cщ

Определим, какое количество 0,2н раствора KOH израсходуется на нейтрализацию 75см3 0.3н раствора серной кислоты.

Vк*Ск = Vщ*Cщ

Vщ= Vк*Ск / Cщ=75*0,3/0,2=112.5см3

Избыток KOH составляет

125 - 112.5 = 12.5см3 0,2н раствора KOH

Эквивалент KOH равна молярной массе, деленной на валентность металла.

Э = М/1 = 56г

Количество KOH в 12.5см3 0,2н раствора составляет

0.2*56/1000*12.5=0,14г KOH

Ответ: 0,14г KOH

Тема: Ионно-молекулярные (ионные) реакции обмена

Какие из веществ KHCO3, CH3COOH, NiSO4, Na2S взаимодействуют с раствором H2 SO4?

Напишите молекулярные и ионно-молекулярные уравнения этих реакций.

2KHCO3+ H2 SO4= K2 SO4+ H2O +CO2

2K+ 2HCO3? +2H+ + SO4?? = 2K+ SO4??+H2O + CO2

2HCO3?= H2O + CO2

Na2S + H2 SO4= Na2S O4 + H2S

2Na+ + S?? +2H+ SO4?? = 2Na + SO4??+ H2S

S?? +2H= H2S

CH3COOH+ H2 SO4= CH3COO?+H+ + 2H+ + SO4??

NiSO4+ H2 SO4= Ni+? + SO4??+2H+ + SO4??

Реакция с кислоты с кислотой и кислоты с солью, образованной от этой же кислоты не идет до конца, образуется равновесная система или смесь растворов.

Тема Свойства растворов

Вычислите температуру кипения 5%ного раствора нафталина С10H8 в бензоле. Температура кипения бензола 80.2С. Эбулиоскопическая константа его 2.57С.

По закону Рауля повышение температуры кипения раствора по сравнению с температуры кипения растворителя выражается уравнением:

,где

?Т - изменение температуры кипения раствора, С

К - эбулиоскопическая константа,С;

m - масса растворенного вещества, г;

m1- масса растворителя,г;

М - молярная масса растворенного вещества, г

М С10H8 = 12*10+ 1*8 = 128г

= 2.57 =1.05С

Ткип = 80,2+1.05=81.25С.

Ответ: Температура кипения 5%ного раствора нафталина С10H8 в бензоле 81.25С.

Тема: Гидролиз солей.

Какое значение PH (7 < pH<7) имеют растворы солей:

Na3PO4, K2S, CuSO4? Составьте ионно-молекулярные и молекулярные уравнения гидролиза этих солей.

Гидролиз - это химическое взаимодействие ионов растворенной соли с водой, приводящее к образованию слабодиссоциирующих продуктов (молекул слабых кислот или оснований, анионов кислых или катионов основных солей) и сопровождающееся изменением pH среды.

1.Na3PO4 это соль сильного основания (щелочи) NaOH и средней кислоты (фосфорной) H3PO4. Гидролиз соли идет по анионному типу, т.к. катион Na+, связываясь с гидроксил-анионом OH?, образует сильный электролит NaOH, который диссоциирует на ионы.

Фосфорная трехосновная кислота образует три вида солей:

NaH2PO4 -первичный фосфат Na, хорошо растворимый

Na2HPO4 - вторичный фосфат Na, практически нерастворимый

Na3PO4- третичный фосфат Na, практически нерастворимый.

Из этого ясно, что при гидролизе Na3PO4, т.е. реакции, идущей до образования слабодиссоциирующей (плохорастворимой) соли, будет образовываться вторичный фосфат натрия Na2HPO4.

1 ступень

Ионно-молекулярное уравнение

PO4?? + H2O - HPO4?? + OH?

Молекулярное уравнение:

Na3PO4 + H2O - Na2HPO4 + NaOH

2 ступень

Ионно-молекулярное уравнение

Na2HPO4 + H2O- H2PO4?? +OH?

Молекулярное уравнение

Na2HPO4 + H2O- NaH2PO4 + NaOH

3 ступень

Ионно-молекулярное уравнение

H2PO4?+ H2O = H3PO4 + OH?

Молекулярное уравнение

NaH2PO4 + H2O = H3PO4 + NaOH

Обычно реакция идет по первой ступени, далее накапливаются гидроксильные ионы OH? и не дают реакции идти до конца.

Так как образуется кислая соль и сильное основание (щелочь), реакция раствора будет щелочная, т.е. pH>7.

2. Соль K2S, сульфид калия - это соль сильного основания и слабой фтористоводородной кислоты H2S. Гидролиз соли будет идти в две ступени, т.к. сероводородная кислота двухосновна, по анионному типу. Соль K2S при растворении в воде диссоциирует на катион К+ и сульфид-анион S??. Катион К+ не может связать гидроксильный анион, т.к. при этом образуется сильный электролит KOH, который тут же диссоциирует на ионы, а сульфид-анион S?? слабой кислоты связывается с гидроксильной группой в малодиссоциирующее соединение.

1 ступень

Ионно-молекулярное уравнение

S?? + H2O = HS? + OH?

Молекулярное уравнение

K2S + H2O = KHS + KOH

2 ступень

Ионно-молекулярное уравнение

HS? + H2O = H2S + OH?

Молекулярное уравнение

KHS + H2O = H2S + KOH

Гидролиз протекает по первой ступени с образованием сильнощелочной реакции, pH>7.

3. CuSO4, сульфат меди - соль сильной кислоты и слабого многокислотного основания . Cu(OH)2 . Гидролиз соли будет идти с образованием катионов основной соли CuOH+.

1 ступень

Ионно-молекулярное уравнение

Cu+? + H2O- CuOH+ + H+

Молекулярное уравнение

CuSO4+ H2O - (CuOH)2SO4 + H2SO4

По 2 ступени реакция не пойдет из-за образующегося избытка ионов водорода сильной серной кислоты. Среда имеет кислую реакцию, pH<7.

Тема: Окислительно-восстановительные реакции.

Реакции выражаются схемами

H2S + Cl2 + H2O > H2SO4 + HCl

K2Cr2O7 + H2S + H2SO4 > S + Cr2(SO4)3 + K2SO4+ H2O

Составьте электронные уравнения. Расставьте коэффициенты в уравнениях реакций. Для каждой реакции укажите, какое вещество является окислителем, какое - восстановителем; какое вещество окисляется, какое - восстанавливается.

Реакции, сопровождающиеся изменением степени окисления атомов, входящих в состав реагирующих веществ, называются окислительно-восстановительными. При этом одно вещество окисляется, другое восстанавливается, это процесс взаимосвязанный.

Под степенью окисления понимают условный заряд атома, который вычисляют, исходя из предположения, что молекула состоит только из ионов.

Степень окисления - это условный заряд, который приобрел бы атом элемента, если предположить, что он принял или отдал то или иное количество электронов.

Окисление - процесс отдачи электронов атомом, молекулой или ионом.

Восстановление - процесс присоединения электронов атомом, молекулой или ионом.

Отдающий электрон - восстановитель, сам при этом окисляется,

Принимающий электрон- окислитель, сам при этом восстанавливается.

Решение.

1.Сначала в данной схеме уравнения определим степень окисления атомов в левой и правой части уравнения, затем проанализируем как изменилась степень окисления каждого атома, участвующего в окислительно-восстановительном процессе, составим электронные уравнения и методом баланса электронных уравнений расставим коэффициенты.

-2 0 +6 -1

H2S + Cl2 + H2O > H2SO4 + HCl

Степень окисления серы S в соединении H2S (-2)-низшая, в соединении H2SO4(+6)-высшая. Сероводород является восстановителем, сам окисляется.

Степень окисления хлора в свободном хлоре -(0)- промежуточная, в хлористом водороде (-1)-низшая. Хлор является окислителем, сам восстанавливается.

Напишем электронные уравнения:

Восстановитель S?? -8e = S+6 процесс окисления /8 К=1

Окислитель 2Cl° + 2e = 2Cl?? процесс восстановления /2 К=4

Общее число электронов, отданное восстановителем-8, их отдает одна моль сероводорода. Это же число электронов должен принять окислитель: 1 моль хлора принимает 2 электрона, по закону кратности 8 электронов примут 4 моль хлора. Ставим коэффициент 1 перед молекулой H2S и коэффициент 4 перед молекулой Cl2. Расставляем остальные коэффициенты в соответствии с этими. Уравнение принимает вид:

H2S + 4Cl2 + 4H2O > H2SO4 + 8HCl

Итак, в представленной реакции:

- Cl2- окислитель, сам восстанавливается; 4 молекулы, содержащие 8 атомов хлора, принимают 8*1=8 электронов.

-H2S -восстановитель, сам окисляется, 1 молекула, содержащая 1 атом серы, отдает 1*8=8 электронов.

2. Схема уравнения реакции:

K2Cr2O7 + H2S + H2SO4 > S + Cr2(SO4)3 + K2SO4+ H2O

Проставляем степени окисления

+6 -2 +6 0 +3 +6

K2Cr2O7 + H2S + H2SO4 > S + Cr2(SO4)3 + K2SO4+ H2O

Атом хрома меняет степень окисления с +6 на +3, т.е принимает 3 электрона и является окислителем.

Атом серы в молекуле серной кислоты не меняет степень окисления, значит в процессе окислительно-восстановительном не принимает участия. Атом серы, входящий в состав молекулы сероводорода меняет степень окисления с (-2) на (0), т.е. отдает электроны и является восстановителем. Электронные уравнения принимают вид:

Восстановитель S?? -8e = S+6 процесс окисления /8

Окислитель Cr +6 + 3e = Cr +3 процесс восстановления /3

С учетом того, что в молекулу K2Cr2O7 входит 2 атома Cr, общее число электронов, принятое молекулой K2Cr2O7 равно 6, электронное уравнение принимает вид:

Восстановитель S?? -8e = S+6 процесс окисления /8

Окислитель 2Cr +6 + 6e =2Cr +3 процесс восстановления /6

Наименьшее кратное для цифр 8 и 6 -это 24.

Коэффициент для атомов молекулы, содержащей S?? равен 24/8 =3

Коэффициент для атомов молекулы, содержащей Cr +6 равен 24/6 =4

Проставляем эти коэффициенты и подбираем остальные.

Уравнение реакции принимает вид:

4K2Cr2O7 +3H2S + 16H2SO4 >3S + 4Cr2(SO4)3 + 4K2SO4+ 28H2O

Итак, в представленной реакции:

-K2Cr2O7 - окислитель, сам восстанавливается; 4 молекулы, содержащие8 атомов хрома, принимают 8*3=24 электрона.

-H2S - восстановитель, сам окисляется, 3 молекулы, содержащие 3 атома серы, отдают 3*8=24 электрона.

Тема: Электродные потенциалы и электродвижущие силы

Составьте схемы двух гальванических элементов, в одном из которых медь была бы катодом, а в другом - анодом.

Напишите для каждого из этих элементов электронные уравнения реакций, протекающих на катоде и на аноде.

Электродный потенциал - это двойной электрический слой, характеризующийся скачком потенциала, который образуется на границе металл-жидкость.

Механизм его возникновения таков: при погружении металлической пластинки в в воду катионы металла на ее поверхности гидратируются полярными молекулами воды и переходят в жидкость. Электроны, остающиеся в металле придают поверхностному слою отрицательный заряд. Возникает электростатическое притяжение между перешедшими в жидкость гидратированными катионами и поверхностью металла. В системе устанавливается подвижное равновесие:

Ме+ mH2O - Ме(Н2О) (в растворе) + ne? (в металле)

Где n-число электронов, принимающих участие в процессе.

Стандартный электродный потенциал - это электродный потенциал, возникающий при погружении металла в раствор собственного иона с концентрацией (или активностью), равной 1 моль/л, измеренный по сравнению со стандартным водородным электродом.

Потенциал стандартного водородного электрода при 25°С условно принимается равным нулю (Е° = 0; ?G° = 0).

Если расположить металлы в ряд по мере возрастания их электродных потенциалов Е°, получим ряд стандартных электродных потенциалов или ряд напряжений.

Чем меньше значение стандартного электродного потенциала Е°, тем большими восстановительными свойствами обладает данный металл в виде простого вещества и тем меньшие окислительные способности проявляют его ионы, и наоборот.

Напомним, что на аноде:

проходит окисление, процесс отдачи электронов атомом, молекулой или ионом. Отдающий электрон - восстановитель, сам при этом окисляется,

На катоде:

Происходит восстановление, процесс присоединения электронов атомом, молекулой или ионом.

Принимающий электрон- окислитель, сам при этом восстанавливается.

Для решения используем данные ряда напряжений и вышеизложенные правила.

Металлы, имеющие меньшее числовое значение Е°, т.е. расположенные в ряду напряжений выше меди, будут проявлять большие восстановительные свойства как простое вещество, т.е. Ме° будет служить анодом и отдавать электроны. При этом медь будет катодом.

Выберем любой металл, например висмут.

Bi/Bi Е°= +0.215в

Cu/Cu Е°= +0.340в

На аноде:°

Bi° - 3e = Bi+3 /6:3=2/2

На катоде:

Си+2 +2e = Сu° /6:2=3/3

По методу наименьшего кратного расставим коэффициенты, уравнение примет вид:

2 Bi + 6e + 3Си+2 +6e = 2Bi+3 + 3Сu° или

2 Bi + 3Си+2 = 2Bi+3 + 3Сu°

Теперь рассмотрим вариант, когда медь будет служить анодом. Выберем металл, расположенный ниже меди в ряду напряжений, например серебро.

Ag+ /Ag Е°= +0.80в

Cu/Cu Е°= +0.340в

Медь (простое вещество), имея меньшее числовое значение E°, будет проявлять восстановительные свойства, т.е. отдавать электроны и служить анодом.

На аноде:

Сu° - 2e = Си+2

На катоде:

Ag+ + e = Ag°

Суммарное уравнение реакции

Сu° - 2e +2Ag+ +2 e = Си+2 +2 Ag°

Сu°+2Ag+ = Си+2 +2 Ag°

Тема: Электролиз

Составьте электронные уравнения процессов, происходящих на графитовых электродах при электролизе расплавов и водных растворов NaCl и KOH.

Сколько литров (н.у.) газа выделится на аноде при электролизе гидроксида калия, если электролиз проводить в течение 30 мин при силе тока 0.5 А?

В растворе или расплаве катионы и анионы движутся хаотично. Если в эту среду опустить нейтральные (графитовые) электроды, пропустить постоянный электрический ток, то движение катионов и анионов принимает направленное движение соответственно их знакам.

На катоде катионы принимают электроны, восстанавливаясь, на аноде анионы отдают электроны, окисляясь.

Таким образом, электролизом называется окислительно-восстановительный процесс, протекающий на электродах при прохождении электрического тока через расплав или раствор электролита.

Процессы электролиза раствора и расплава отличаются друг от друга тем, что при электролизе раствора в электролизе принимают участие молекулы воды Н2О, в электролизе расплава участвуют только катионы и анионы вещества.

1. Напишем уравнения электролиза раствора NaCl.

На катоде: 2Н2О +2e? = H2 + 2 OH?

На аноде: 2Cl? -2e? = Cl2 (газ)

Суммарное в ионной форме:

2Н2О +2e? = H2 + 2 OH?

2Cl? -2e? = Cl2 (газ)

2Н2О+2Cl? электролиз H2 +Cl2 + 2 ОН?

Суммарное в молекулярной форме:

2 Н2О + 2NaCl электролиз H2 +Cl2 + 2 ОН?

На катоде выделяется водород, на аноде - хлор,

а в растворе накапливается NaOH (Na+ + OH?)

2. Напишем уравнения электролиза раствора KOH

KOH -K+ + OH?

На катоде :2Н2О +2e? = H2 + 2 OH? /2

На аноде: 4ОН? -4 e? = 2 H2O +O2 (газ) /1

Суммарное : 4Н2О +4e? +4ОН? -4 e? = 2H2 + 4OH? + 2 H2O +O2 (газ)

2 Н2О электролиз 2H2(газ) + O2 (газ)

На катоде выделяется водород, на аноде -кислород,

а в растворе накапливается КOH (К+ + OH?)

3. Напишем уравнения электролиза расплава NaCl.

NaCl- Na+ +Cl?

На катоде : Na+ +e? = Na(мет) /2

На аноде : 2 Cl? -2e? = Cl2 (газ) /1

Суммарное:

2 Na+ 2+e? +2Cl? -2e? электролиз 2Na(мет) +Cl2(газ)

2 Na2Cl электролиз 2Na(мет) +Cl2(газ)

4. Напишем уравнения электролиза расплава КОН.

КОН-К+1 + ОН?

На катоде : К+1 +e? = K(мет) /4

На аноде : 4ОН? - e? = 2 H2O +2O +4e

4ОН? - e? = 2 H2O +O2 +4e /1

Суммарное:

4К+ + 4ОН? = K(мет) + 2 H2O +O2

КОН электролиз K(мет) + 2 H2O +O2

Чтобы вычислить, сколько литров (н.у.) газа выделится на аноде при электролизе гидроксида калия, если электролиз проводить в течение 30 мин при силе тока 0.5 А, применим закон Фарадея.

На аноде выделяется кислород, его количество определяем по формуле, выражающей закон Фарадея

m= mэ *I*t/96500, где:

m - масса вещества, окисленного или восстановленного на электроде;

mэ - молярная масса эквивалента вещества; mэО2 =8г

I- сила тока; I =0.5А

t- продожительность электролиза, сек, t =30*60=1800сек;

m= mэ *I*t/96500 = 8*0.5*30*60/96500 = 0.0746г

Исходя из того, что 1г-моль кислорода (32г) занимает объем 22.4 л (н.у.), определенная масса кислорода 0.0746г займет объем:

0.0746*22.4/32 = 0.052л (н.у.)

Ответ: при указанных условиях на аноде выделится 0.052л О2.

Тема: Коррозия металлов.

Как протекает атмосферная коррозия железа, покрытого слоем никеля, если покрытие нарушено? Составьте электронные уравнения катодного и анодного процессов. Каков состав продуктов коррозии.

Коррозия металла - это самопроизвольно протекающий процесс разрушения металла в результате взаимодействия с окружающей средой химическим или электрохимическим путем.

При электрохимической коррозии протекают окислительно-восстановительные реакции, т.е. обязательны два процесса: анодный и катодный.

Электрохимическая коррозия металла протекает, когда металл находится в водном растворе или во влажной атмосфере. Коррозия, протекающая во влажной атмосфере, называется атмосферной. При этом окислителем является кислород.

Анодный процесс разрушения (окисления) металла выражается уравнением:

Ме° - ne? = Ме

Катодный процесс восстановления молекул кислорода, растворенного в воде:

2H2O +O2 +4e?= 4OH?

Рассмотрим, как протекает атмосферная коррозия железа с нарушенным никелевым покрытием.

Определим положение образующихся гальванических пар в ряду напряжений.

Fe +2 /Fe° Е°= -0.44в

Ni +2 /Ni° Е°= -0.25в

молекула электродный потенциал окислительный

Учитываем правило, что металл, имеющий меньшее числовое значение Е°, т.е. расположенный в ряду напряжений выше, будет проявлять большие восстановительные свойства как простое вещество, т.е. этот Ме° будет служить анодом и отдавать электроны

Значит в данном варианте железо, имеющее меньшее числовое значение в ряду напряжений, чем никель, будет подвергаться окислению:

Fe° - 2e? = Fe +2 - на аноде;

1/2О2 + Н2О +2e? = 2 ОН ? - на катоде.

Далее катионы железа соединятся с гидроксильной группой, образуя нерастворимое (смотрим таблицу растворимостей) Fe(ОН)2

Fe +2 + 2 ОН ?= Fe(ОН)2.

Размещено на Allbest.ur