Вычислите массу 0,25 моль кислорода. Какой объем (н.у.) занимает это количество вещества? Сколько молекул кислорода содержится в этом объеме?

Решение:

Масса 0,25 моль кислорода равна:

0,25*32 = 8 г

Объем 0,25 моль кислорода равен:

22,4 * 0,25 = 5,6 л

Количество молекул, которое содержится в данном объеме:

0,25*6,023*10²³ = 1,5*10²³ молекул.

Задача 38

Сколько протонов и нейтронов содержат ядра изотопов? Составьте электронную формулу данного атома, подчеркните валентные электроны. Распределите электроны этого атома по квантовым ячейкам. К какому электронному семейству относится этот элемент? ₂₂⁴⁷Ti и  ₂₂⁴⁸Ti

Решение:

₂₂⁴⁷Ti и  ₂₂⁴⁸Ti

Число нейтронов в ядре атома элемента равно разности округленного до целого значения атомной массы А_r и числа протонов (порядкового номера)[1]. Таким образом, число нейтронов в ₂₂⁴⁷Ti равно:

47 – 22 = 25

Число нейтронов в ₂₂⁴⁸Ti равно:

48 – 22 = 26

Электронная формула элемента:

1s²2s² 2p⁶3s²3p⁶4s²3d²

4 s ² и 3d² – валентные электроны

Распределение электронов по квантовым ячейкам выглядит следующим образом (рис.1):

Рисунок 1 – Распределение электронов по квантовым ячейкам в атоме элемента Ti

У рассматриваемого элемента четыре валентных электрона.

Данный элемент относится к семейству d- элементов.

Задача 58

У какого элемента – титана или германия – сильнее выражены металлические свойства? Ответ мотивируйте строением атомов титана и германия. Какой из этих элементов образует газообразное соединение с водородом?

Решение:

В главных группах металлические свойства элементов увеличиваются, а неметаллические свойства уменьшаются с возрастанием порядкового номера элемента.

В периодах для элементов главных групп металлические свойства уменьшаются, а неметаллические свойства увеличиваются с возрастанием порядкового номера элемента.

Титан является элементом IV Б (побочной) группы Периодической системы, германий – IV А (главной) группы.

 Титан и германий находятся в четвертом периоде, третьей группе Периодической системы.

Рассмотрим строение электронных оболочек атомов титана и германия:

Титан: Электронная формула элемента:

1s²2s² 2p⁶3s²3p⁶4s²3d²

4 s ² и 3d² – валентные электроны

Распределение электронов по квантовым ячейкам выглядит следующим образом (рис.2):

Рисунок 2 – Распределение электронов по квантовым ячейкам в атоме элемента Ti

У рассматриваемого элемента четыре валентных электрона. Данный элемент относится к семейству d- элементов.

Германий: Электронная формула элемента:

1s²2s² 2p⁶3s²3p⁶4s²3d¹⁰4р²

Графическое строение оболочки атома германия представлено на рис. 3

Рисунок 3 – Распределение электронов по квантовым ячейкам в атоме элемента Ge

На внешнем энергетическом уровне у атомов находится по  четыре электрона. Атомы типичных металлов характеризуются наличием небольшого числа электронов на внешнем энергетическом уровне, а следовательно, тенденцией терять эти электроны.

В качестве меры металлического и неметаллического характера элементов можно принять энергию ионизации их атомов. Энергия ионизации – это энергия, которую необходимо затратить для полного удаления одного электрона из атома.

Для титана энергия ионизации равна 6,82 эВ, для германия – 7,9 эВ. Таким образом, для отрыва электрона в атоме германия необходимо затратить больше энергии, чем в атоме титана. Металлический характер, т.е. способность легко отдавать электроны, сильнее выражена у атома титана. И действительно, 3d- электроны атома титана будут отрываться значительно легче, чем 4р-электроны атома германия.

Газообразное соединение с водородом образует германий: GeH₄.

Задача 98

Вычислите значения ∆G₂₉₈⁰ реакций:

FeO (к) + ½ С (графит) = Fe(к) + ½ СО₂ (г)

FeO (к) + СО (г) = Fe(к) + СО₂ (г)

Протекание какой из этих реакций наиболее вероятнее?

Решение:

∆G^º₂₉₈ = ∆Н^º₂₉₈ – Т * S^º₂₉₈

1.     ∆Н^º₂₉₈ = Σ∆Н^º_прод - ∆Н^º_реаг

∆Н^º₂₉₈ =1/2 ∆Н^º(СО₂)+∆Н^º( Fe)-1/2∆Н^º(С) - ∆Н^º (FeO)

∆Н^º(СО₂) = - 393, 51 кДж

∆Н^º( Fe) = 0 кДж

∆Н^º (С) = 0

∆Н^º (FeO) = -264,8 кДж

Тогда  ∆Н^º₂₉₈ = 1/2*(-393,51) – (-264,8 ) = 68,04 кДж

S^º₂₉₈  = ΣS^º_прод - S^º_реаг

S^º (СО₂)[2] = 213, 66 Дж/ моль*К

S^º (Fe) = 27,15 Дж/ моль*К

S^º (С) = 2,37 Дж/ моль*К

S^º (FeO)[3] = 60,75 Дж/ моль*К

∆S^º₂₉₈ =1/2 ∆S^º(СО₂)+∆S^º( Fe)-1/2∆S^º(С) - ∆S^º (FeO)

S^º₂₉₈  = 1/2 * 213.66 + 27.15  - ½*2.37 + 60.75 = 193.55 Дж = 0.193 кДж

При стандартных условиях (температуре 298 К)

∆G^º₂₉₈ = ∆Н^º₂₉₈ – Т * S^º₂₉₈ = 68,04 *10 ³– 298 * 193,55= 10362,1 Дж = 10,362 кДж

2. FeO (к) + СО (г) = Fe(к) + СО₂ (г)

∆Н^º₂₉₈ = ∆Н^º(СО₂)+∆Н^º( Fe)- ∆Н^º(СО) - ∆Н^º (FeO)

∆Н^º(СО₂) = - 393, 51 кДж

∆Н^º( Fe) = 0 кДж

∆Н^º (СО) = -110,52 кДж

∆Н^º (FeO) = -264,8 кДж

Тогда  ∆Н^º₂₉₈ = -393,51 – (-110,52) – (-264,8) = -18,19 кДж

S^º₂₉₈  = ΣS^º_прод - S^º_реаг

S^º (СО₂)[4] = 213, 66 Дж/ моль*К

S^º (Fe) = 27,15 Дж/ моль*К

S^º (СО) = 197,54 Дж/ моль*К

S^º (FeO)[5] = 60,75 Дж/ моль*К

∆S^º₂₉₈ =∆S^º(СО₂)+∆S^º( Fe)- ∆S^º(СО) - ∆S^º (FeO)

S^º₂₉₈  = 213,66 + 27.15  - 197,54 - 60.75 = -17,48 Дж

При стандартных условиях (температуре 298 К)

∆G^º₂₉₈ = ∆Н^º₂₉₈ – Т * S^º₂₉₈ = -18,19 *10 ³– 298 * (-17,48)= -12980,9 Дж =             -12,98  кДж

Критерием самопроизвольности реакций является условие ∆G^º₂₉₈ < 0.

Таким образом, наиболее вероятнее протекание второй реакции.

Задача 118

Реакция идет по уравнению Н₂ + I₂ = 2 НI. Константа скорости данной реакции при 500 ° С равна 0,16. Исходные концентрации реагирующих веществ:

С_Н2 = 0,04 моль/л

С_I2 = 0.03 моль/л

Вычислите скорость реакции, когда С_Н2 = 0,03 моль/л.

Решение:

Н₂ + I₂ = 2 НI

Выражение для скорости данной реакции имеет вид:

V =k[Н₂][ I₂]

Когда С_Н2 = 0,03 моль/л, С_I2 =0,03*0,03/0,04 = 0,0225 моль/л

V = 0,16*0,03*0,0225 = 0,000108

Задача 138

Исходные концентрации оксида углерода и паров воды равны 0,05 моль/л. Вычислите равновесные концентрации СО, Н₂О и Н₂ в системе

СО + Н₂О ↔ СО₂ + Н₂

если равновесная концентрация СО₂ равнялась 0,01 моль/л. Вычислите константу равновесия.

Решение:

СО + Н₂О ↔ СО₂ + Н₂

С(СО) = С(Н₂О) = 0,05 моль/л

[CO₂ ] = 0.01 моль/л

Равновесная концентрация выражается через исходную следующим образом:

С_р = С_исх - С_израсх

Найдем С_израсх для СО, Н₂О и Н₂

С_израсх (СО) = С_израсх (Н₂О) = С_израсх (Н₂)  = 0,01 моль/л

Равновесные концентрации равны:

[СО] = [Н₂О] =  0.05 – 0.01  = 0,04 моль/л

[Н₂] = 0,01 моль/л

Константа равновесия для данной системы равна:

К_р = [СО₂ ] [Н₂] / [СО] [Н₂О] = 0,01*0,01/0,04*0,04 = 0,0625

Задача 178

Составьте молекулярные уравнения реакций, которым соответствуют следующие ионно-молекулярные уравнения:

SO₃^2- + H⁺ = H SO₃^-

ClO^- + H⁺ = HClO

Fe³⁺ + 3OH^- = Fe (OH)₃

Решение:

К₂ SO₃  + НСl = КH SO₃ + КСl

Na ClO + НСl = HclO + NaСl

FeCl₃ + 3NaOH = Fe (OH)₃+ 3 NaСl

Задача 218

Составьте электронные уравнения и укажите, какой процесс – окисление или восстановление – происходит при следующих превращениях:

Cl⁰ → Cl⁺⁷

Cr⁺³ → Cr⁺⁶

S⁺⁶ → S^-2

На основании электронных уравнений расставьте коэффициенты в уравнении реакции, идущей по схеме

Н₂SO₄ (конц.) + Zn → Zn SO₄ + H₂O + H₂S

Укажите окислитель и восстановитель.

Решение:

Cl⁰ → Cl⁺⁷

Cl⁰ – 7 e = Cl⁺⁷ окисление, восстановитель

Cr⁺³ → Cr⁺⁶

Cr⁺³ -3 e→ Cr⁺⁶ окисление, восстановитель

S⁺⁶ → S^-2

S⁺⁶ + 8 e→ S^-2 восстановление, окислитель

    +6                    0       +2                           -2

Н₂SO₄ (конц.) + Zn → Zn SO₄ + H₂O + H₂S

S⁺⁶ +8е → S^-2             | 1 | восстановление, окислитель

Zn⁰ – 2е → Zn²⁺       |  4| окисление, восстановитель

S⁺⁶ + 4 Zn⁰ → S^-2    +  4 Zn²⁺      

5 Н₂SO₄ (конц.) + 4 Zn → 4 Zn SO₄ + 4 H₂O + H₂S

Задача 221

В каком случае происходит реакция при внесении цинковой, железной и свинцовой пластинок в пробирки с раствором сульфата олова (II)? Напишите молекулярные и электронные уравнения реакций.

Решение:

SnSO₄ + Zn

SnSO₄ + Fe

SnSO₄ + Pb

Каждый металл способен вытеснять (восстанавливать) из растворов солей те металлы, которые стоят в ряду напряжений после него.

Стандартные электродные потенциалы металлов.

Электрод Е ⁰ ,В:

Li ⁺ /Li  = -3,02

Co ²⁺ /Co = -0,28

Rb ⁺ /Rb = -2,99

Ni ²⁺ /Ni = -0,25

K ⁺ /K = -2,92

Sn ²⁺ /Sn = -0,14

Ba ²⁺ /Ba = -2,90

Pb ²⁺ /Pb = -0,13

Sr ²⁺ /Sr = -2,89

H ⁺ / 1 / 2 H ₂ = 0,00

Ca ²⁺ /Ca = -2,87

Sb ³⁺ /Sb = +0,20

Na ⁺ /Na = -2,71

Bi ³⁺ /Bi = +0,23

La ³⁺ /La = -2,37

Cu ²⁺ /Cu = +0,34

Mg ²⁺ /Mg = -2,34

Cu ⁺ /Cu = +0,52

Al ³⁺ /Al = -1,67

Ag ⁺ /Ag = +0,80

Mn ²⁺ /Mn = -1,05

Pd ²⁺ /Pd = +0,83

Zn ²⁺ /Zn = -0,76

Hg ²⁺ /Hg = +0,86

Cr ³⁺ /Cr = -0,71

Pt ²⁺ /Pt = +1,20

Fe ²⁺ /Fe = -0,44

Au ³⁺ /Au = +1,42

Cd ²⁺ /Cd  = -0,40

Металлы, расположенные в порядке возрастания их стандартных электродных потенциалов, и образуют электрохимический ряд напряжений металлов: Li, Rb, K, Ba, Sr, Ca, Na, Mg, Al, Mn, Zn, Cr, Fe, Cd, Co, Ni, Sn, Pb, H, Sb, Bi, Cu, Hg, Ag, Pd, Pt, Au.

Таким образом, цинк способен вытеснить олово из раствора сульфата олова:

SnSO₄ + Zn = Zn SO₄  +Sn

Sn²⁺ + 2е = Sn⁰  восстановление, окислитель

Zn⁰ – 2е = Zn²⁺  окисление, восстановитель

Sn²⁺ + Zn⁰ = Sn⁰ + Zn²⁺       

Железо также  способно вытеснить олово из раствора сульфата олова:

SnSO₄ + Fe = Fe SO₄  +Sn

Sn²⁺ + 2е = Sn⁰  восстановление, окислитель

Fe⁰ – 2е = Fe²⁺  окисление, восстановитель

Sn²⁺ + Fe⁰ = Sn⁰ + Fe²⁺        

Свинец не способен вытеснить олово из раствора сульфата олова.

Задача 238

Какие из приведенных оксидов могут быть восстановлены водородом: MgO, CuO, ZnO, HgO?

Решение:

Окислительно-восстановительные реакции протекают, если выполнено условие:

Е°_ок - Е°_восст > 0

Е°_восст (Н₂ ) = 0

Т.е водородом могут быть восстановлены те оксиды, где положительны электродные потенциалы элементов, входящих в оксиды. Таковыми являются:

Е° Cu ⁺ /Cu = +0,52 В

Е° Hg ²⁺ /Hg = +0,86 В

CuO + H₂ = Cu + H₂ O

HgO + H₂ = Hg+ H₂ O

Задача 258

В раствор соляной кислоты опустили кусочек чистого железа и железа, частично покрытого оловом. Масса железа в обоих случаях одинакова. В каком случае железо растворится быстрее? Напишите электронные уравнения анодного и катодного процессов коррозии железа.

Решение:

Если взаимодействию с кислотой подвергается химически чистый металл, то выделяющийся первоначально водород в большей или меньшей степени удерживается его поверхностью и предохраняет последнюю от дальнейшей коррозии. При наличии контакта двух разнородных металлов создается гальваническая пара, причем  водород выделяется на менее активном металле, который тем самым и предохраняется от коррозии. Напротив, более активный металл в этом случае разрушается быстро. При коррозии луженого железа, начиная от поврежденного места, происходит дальнейшее ржавление железа под остающимся неизменным слоем олова.

Луженое железо (железо, покрытое слоем олова)

Sn | H⁺ | Fe

Анодный процесс:

Fe – 2 e^- = Fe²⁺ (в результате взаимодействия с водой впоследствии образуется гидроксид железа, т.е. ржавчина).

Катодный процесс (в кислой среде):

2Н⁺ + 2 е = Н₂ (восстановление)

Вывод: коррозия луженого железа проихсодит быстрее, чем коррозия чистого железа.

Список литературы

1.     Химия / Под ред. В. Шретера . – М.: Химия, 1986. – 648 с.

2. Ходаков Ю.В., Цветков Л.А. Химия – М.: Государственное учебно-педагогическое издательство министерства просвещения РСФСР, 1961. –  424 с.

3. Рабинович В.А., Хавин З.Я. Краткий химический справочник. – Л.: Химия, 1977. – 376 с.

4. Краткий справочник физико-химических величин. – Л.: Химия, 1983. – 232 с.

5. Некрасов Б.В. Учебник общей химии. – М.: Химия, 1972. – 472 с.

[1] Химия / Под ред. В. Шретера . – М.: Химия, 1986. – 648 с.

[2] Рабинович В.А., Хавин З.Я. Краткий химический справочник. – Л.: Химия, 1977. – 376 с.

[3] . Краткий справочник физико-химических величин. – Л.: Химия, 1983. – 232 с.

[4] Рабинович В.А., Хавин З.Я. Краткий химический справочник. – Л.: Химия, 1977. – 376 с.

[5] . Краткий справочник физико-химических величин. – Л.: Химия, 1983. – 232 с.