Виды общения

 

D[NH₃] : D[NO] = 4 : 4,

 D[NH₃] = (0,003 ´ 4) : 4 = 0,003 моль/л;

 

D[NH₃] : 0,003 = 4 : 4,

D[H₂O]: D[O₂] = 6 : 5,

D[O₂] = (0,0045 ´ 5) : 6 = 0,00375 моль/л,

0,0045: D[O₂] = 6 : 5.

Отсюда

[NH₃]_исх. = [NH₃]t + D[NH₃] = 0,009 + 0,003 = 0,012 моль/л,

[O₂]_исх. = [O₂]t + D[O₂] = 0,02 + 0,00375 = 0,0238 моль/л.

 

Пример 4.

Равновесие системы 2SO₂ + O₂ D 2SO₃ установилось, когда концентрации компонентов (моль/л) были: [SO₂]_равн. = 0,6; [O₂]_равн. = 0,24; [SO₃]_равн. = 0,21.

Вычислите константу равновесия этой реакции и исходные концентрации кислорода и диоксида серы.

Решение.

Химическим равновесием  называется такое состояние, когда  скорости прямой и обратной реакций равны. Характеризуется химическое равновесие константой К, она имеет вид

 

aA + bB D cC + dD,

K= ([C]^c ´ [D]^d) / ([A]^a ´ [B]^b).

 

В условии задачи даны равновесные  концентрации. Поэтому сразу можно  рассчитать константу химического  равновесия для реакции:

 

2SO₂ + O₂ D 2SO₃,

K = [SO₃]² / [SO₂]² ´ [O₂] = 0,21² / 0,6² ´ 0,24 = 0,51.

 

Чтобы рассчитать исходные концентрации кислорода и диоксида серы, необходимо найти, сколько этих компонентов было израсходовано на получение 0,21 моля триоксида серы и сложить с равновесными концентрациями. Согласно уравнению реакции для получения 2 молей триоксида серы требуется 2 моля диоксида серы, а для получения 0,21 моля триоксида серы - Х молей диоксида серы. Отсюда

 

X = 0,21 ´ 2 / 2 = 0,21 моля.

Итак, [SO₂]_изр. = 0,21 моль/л.

На получение SO₃ было израсходовано 0,21 моля SO₂, тогда

[SO₂]_исх. = [SO₂]_равн. + [SO₂]_изр. = 0,6 + 0,21 = 0,81 моль/л,

[SO₂]_исх = 0,81 моль/л.

 

Для получения 2 молей SO₃ требуется 1 моль O₂.

Для получения 0,21 моля SO₃ - X молей O₂.

 

X = (0,21 ´ 1) / 2 = 0,105 молей.

 

Итак, [O₂]_изр. = 0,105 моль/л.

 

[O₂]_исх. = [O₂]_равн. + [O₂]_изр. = 0,24 + 0,105 = 0,345 моль/л.

 

Пример 5.

В каком направлении сместится  равновесие в реакциях:

 

1. CO_(г) + H₂O_(г) D CO_2(г) + H_2(г),  DH⁰ = -41,84 кДж;

2. N_2(г) + 3H_2(г) D 2NH_3(г),   DH⁰ = 92,40 кДж;

3. H_2(г) + S_(тв) D H₂S_(г),   DH⁰ = -20,50 кДж,

 

при повышении температуры, понижении  давления и увеличении концентрации водорода?

Решение.

Химическое равновесие в системе  устанавливается при постоянстве  внешних параметров (Р, С, Т и др. ) Если эти параметры меняются, то система выходит из состояния равновесия и начинает преобладать прямая или обратная реакции. Влияние различных факторов на смещение равновесия отражено в принципе Ле-Шателье: «Если на систему, находящуюся в равновесии, оказать какое-либо воздействие, то равновесие сместится в таком направлении, что оказанное воздействие уменьшится». Используем этот принцип для решения задачи.

При повышении температуры равновесие смещается в сторону эндотермической реакции, т. е. реакции, идущей с поглощением тепла. Первая и третья реакции - экзотермические (DH⁰ < 0), следовательно, при повышении температуры равновесие сместится в сторону обратной реакции, а во второй реакции (DH⁰ > 0) - в сторону прямой реакции.

При понижении давления равновесие смещается в сторону возрастания числа молей газов, то есть в сторону большего давления. В первой и третьей реакциях в левой и правой частях уравнения одинаковое число молей газов (2-2 и 1-1 соответственно). Поэтому изменение давления не вызовет смещения равновесия в системе. Во второй реакции в левой части 4 моля газов, в правой - 2 моля, поэтому при понижении давления равновесие сместится в сторону обратной реакции.

При увеличении концентрации компонентов  реакции равновесие смещается в сторону их расхода. В первой реакции водород находится в продуктах и увеличение его концентрации усилит обратную реакцию, в ходе которой он расходуется. Во второй и третьей реакциях водород входит в число исходных веществ, поэтому увеличение его концентрации смещает равновесие в сторону прямой реакции, идущей с расходом водорода.

Задания

 

121. Окисление серы и ее диоксида  протекает по уравнениям:

a) S (к) + O₂ (r) = SO₂ (г);

б) 2SO₂ (г) + О2 (г) = 2SO₃ (г).

Как изменятся скорости этих реакций, если объемы каждой из систем уменьшить в четыре раза?

122. Напишите выражение для  константы равновесия гомогенной  системы N₂ + 3H₂ D 2NH₃. Как изменится скорость прямой реакции образования аммиака, если увеличить концентрацию водорода в три раза?

123. Реакция идет по уравнению  N₂ + O₂ = 2NO. Концентрации исходных веществ до начала реакция были: [N₂] = 0,049 моль/л; [О₂] = 0,01 моль/л. Вычислите концентрацию этих веществ в момент, когда [NO]=0,005 моль/л. Ответ: [N₂] = 0465 моль/л; [О₂] = 0,0075 моль/л.

124. Реакция идет по уравнению  N₂ + 3H₂ = 2NH₃. Концентрации участвующих в ней веществ были: [N₂] = 0,80 моль/л, [Н₂] = 1,5 моль/л; [NH₃] = 0,10 моль/л. Вычислите концентрацию водорода и аммиака, когда [N₂] = 0,5 моль/л. Ответ: [NH₃] = 0,7 моль/л; [H₂ ] = 0,60 моль/л.

125. Реакция идет по уравнений  H₂ + J₂ = 2НJ. Константа скорости этой реакции при 508 ⁰С равна 0,16. Исходные концентрации реагирующих веществ: [H₂] = 0,04 моль/л;[J₂] = 0,05 моль/л. Вычислите начальную скорость реакции и скорость ее, когда [H₂] = 0,03 моль/л. Ответ: 3,2×10^–4; 1,92×10^–4.

126. Вычислите, во сколько раз уменьшится скорость реакции, протекающей в газовой фазе, если понизить температуру от 120 до 80°С. Температурный коэффициент скорости реакции 3.

127. Как изменится скорость  реакции, протекающей в газовой  фазе, при повышении температуры на 60°, если температурный коэффициент скорости данной реакции 2?

128. Как изменится скорость  реакции, протекающей в газовой  фазе, при понижении температуры на 30°, если температурный коэффициент скорости данной реакции 3?

129. Напишите выражение для константы равновесия гомогенной системы 2SO₂ + O₂ D 2SO₃. Как изменится скорость прямой реакции – образования SO₃, если увеличить концентрацию SO₂ в три раза?

130. Напишите выражения для  константы равновесия гомогенной  системы CH₄ + CO₂ D 2CO + 2H₂. Как следует изменить температуру и давление, чтобы повысить выход водорода? Реакция образования водорода эндотермическая.

131. Реакция идет по уравнению  2NО + О₂ = 2NО₂. Концентрации исходных веществ: [NO] = 0,03 моль/л; [О₂] = 0,05 моль/л. Как изменится скорость реакции, если увеличить концентрацию кислорода до 0,10 моль/л и концентрацию NO до 0,06 моль/л?

132. Напишите выражение для  константы равновесия гетерогенной  системы CО₂ + С D 2CO. Как изменится скорость прямой реакции – образования СО, если концентрацию СО₂ уменьшить в четыре раза? Как следует изменить давление, чтобы повысить выход СО?

133. Напишите выражение для  константы равновесия гетерогенной  системы C + H₂O (г) D СО + Н₂. Как следует изменить концентрацию и давление, чтобы сместить равновесие в сторону обратной реакции – образования водных паров?

134. Равновесие гомогенной  системы

 

4HCl (г) +O₂ (г) D 2H₂О (г) + Cl₂ (г)

 

установилось при следующих  концентрациях реагирующих веществ: [Н₂О] = 0,14 моль/л; [Сl₂] = 0,14 моль/л; [НС1] = 0,20 моль/л; [O₂] = 0,32 моль/л. Вычислите исходные концентрации хлороводорода и  кислорода

Ответ: [HCI]_исх. = 0,48 моль/л; [О₂]_исх. = 0,39 моль/л.

135. Вычислите константу равновесия  для гомогенной системы

 

СО (г) + Н₂О (г) D СО₂ (г) + Н₂ (г)

 

если равновесные концентрации реагирующих веществ: [СО]= 0,004 моль/л; [H₂O] = 0,064 моль/л; [СО₂] = 0,016 моль/л; [H₂]-=0,016 моль/л. Ответ: К=1.

136. Константа равновесия гомогенной  системы 

 

СО (г) + Н₂О (г) D СО₂ (г) + Н₂ (г)

 

при некоторой температуре равна 1. Вычислите равновесные концентрации всех реагирующих веществ, если исходные концентрации: [CO] = 0,10 моль/л; [H₂O] = 0,40 моль/л.

Ответ: [CO₂] = [H₂] = 0,08 моль/л [СО] = 0,02 моль/л; [Н₂О] = 0,32 моль/л.

137. Константа равновесия гомогенной  системы N₂ + 3H₂ D 2NH₃ при температуре 400 ⁰С равна 0,1. Равновесные концентрации водорода и аммиака соответственно равны 0,2 и 0,08 моль/л. Вычислите равновесную и исходную концентрацию азота. Ответ: 8 моль/л; 8,04 моль/л.

138. При некоторой температуре  равновесие гомогенной системы 2NO+O₂ D 2N₂ установилось при следующих концентрациях реагирующих веществ: [NO] = 0,2 моль/л; [О₂] = 0,1 моль/л; [NO₂] = 0,1 моль/л. Вычислите константу равновесия и исходную концентрацию NO и О₂.

Ответ: К = 2,5; [NO] = 0,3 моль/л; [О₂] = 0,15 моль/л.

139. Почему при изменении давления смещается равновесие системы

N₂ + 3H₂ D 2NH₃ и не смещается равновесие системы N₂ + O₂ D 2NO? Напишите выражения для констант равновесия каждой из данных систем.

140. Исходные концентрации  NO и Cl₂ в гомогенной системе 2NО + Cl₂ D 2NOCl составляют соответственно 0,5 и 0,2 моль/л. Вычислите константу равновесия, если, к моменту наступления равновесия прореагировало 20% NО. Ответ: 0,416.

 

Способы выражения  концентрации растворов

 

Пример 1.

К 1 литру 20 %-ного раствора HCl (d = 1,100 г/см³) добавили 400 см³    5 %-ного раствора HCl (d = 1,024 г/см³). Вычислите процентную концентрацию полученного раствора.

Решение.

Раствор - это термодинамически устойчивая многокомпонентная кон-денсированная система. Состав раствора выражается через концентрацию, которая показывает количество растворенного вещества, содержащегося в определенном объеме или массе раствора или растворителя.

В условии задачи требуется рассчитать процентную концентрацию (С %), которая  показывает, сколько граммов вещества растворено в 100 граммах раствора:

 

С% = m´100/d´V,

 

где m - масса растворенного вещества, г; d - плотность раствора, г/см³; V - объем раствора, мл.

Рассчитаем массу HCl, содержащейся в 1000´1,100 = 1100 г раствора из соотношения:

в 100 г 20 %-ного раствора HCl содержится 20 г HCl,

в 1100 г раствора HCl содержится Х г HCl.

Отсюда, X = 1100 ´ 20/1000 = 220 г;

400 см³ 5 %-ного раствора HCl весят m = d ´ V = 400 ´ 1,024 = 409,6 г, а количество HCl в этом растворе определим из соотношения:

в 100 г 5 %-ного раствора HCl содержится 5 г HCl,

в 409,6 г - Х г HCl.

Найдем X: X = 409,6 ´ 5/100 = 20,48 г.

Общая масса раствора после сливания будет 1100 + 409,6 = 1509,6 г. Количество растворенной в нем кислоты будет 220 + 20,48 =240,48 г.

Процентную концентрацию полученного раствора вычислим из соотношения:

в 1509,6 г раствора HCl содержится 240,48 г HCl,

в 100 г раствора HCl содержится Х г HCl.

Отсюда X = 100 ´ 240,48 / 1509,6 = 15,93 г, а C % = 15,93 %.

 

Пример 2.

Вычислите молярную концентрацию раствора сульфата калия, 20 мл которого содержат 1,74 г этой соли.

Решение.

Молярная концентрация указывает  на количество молей вещества в 1000 мл раствора. Ее вычисляют по формуле, [моль/л]:

 

С_M = m ´ 1000 / M ´ V,

 

где m - масса растворенного вещества, г; М - молярная масса растворенного вещества, г; V - объем раствора, мл.

Молярная масса сульфата калия (К₂SO₄) равна: 39,10 + 32,06 + 4 ´ 16 =  174 г/моль.

Рассчитаем массу сульфата калия, содержащегося в 1 литре раствора, из соотношения:

в 20 мл раствора К₂SO₄ содержится 1,74 г К₂SO₄;

в 1000 мл - Х г К₂SO₄.

Тогда Х = (1000 ´ 1,74) / 20 = 87 г.

Молярная масса сульфата калия 174,26 г/моль, а 87 г этой соли составят 87 : 174,26 = 0,5 молей.

Итак, в 1 литре раствора сульфата калия  содержится 0,5 молей этой соли. Следовательно, раствор 0,5 молярный (0,5 М). Эту же задачу можно решить по формуле

С_М = m ´ 1000 / M ´ V = 1,74 ´ 1000 / 174,26 ´ 20 = 0,5 моль/л.

 

Пример 3.

Сколько граммов оксида кальция  содержится в 200 мл 0,3H раствора? Рассчитайте титр раствора.

Решение.

Нормальная концентрация (С_Н) показывает, сколько эквивалентов вещества содержится в 1 литре раствора, ее рассчитывают по формуле, [экв/л]:

 

С_Н = m ´ 1000 / m_Э ´ V.

 

Здесь m - масса растворенного вещества, г; m_Э - молярная масса эквивалента вещества, г/моль; V - объем раствора, мл.

Титр раствора (Т) показывает, сколько  граммов вещества содержится в 1 мл раствора. Титр раствора связан с нормальной концентрацией соотношением, [г/мл]:

Т = С_Н ´ m_Э / 1000.

 

Рассчитаем молярную массу эквивалента  гидроксида кальция (см. пример 1.3):

m_ЭCa(OH)₂ = M[Ca(OH)₂] / n = 74 / 2 = 37 г/моль

 

и массу Ca(OH)₂ в 200 мл раствора по формуле

 

С_Н = m ´ 1000/m_Э ´ V

m = C_H ´ m_Э ´ V / 1000 =

= 0,3 ´37 ´ 200 / 1000 = 2,22 экв/л.

 

Зная нормальность раствора, можно  рассчитать его титр:

 

Т = С_н ´ m_Э / 1000 = 0,3 ´ 37 / 1000 = 0,0111 г/мл.

Задания

 

14l. Вычислите молярную и нормальную концентрации 20%-ного раствора хлорида кальция, плотность которого 1,178 г/см³. Ответ: 2,1 М; 4,2 н.

142. Чему равна нормальность 30%-ного  раствора NaOH, плотность которого 1,328 г/см³? К 1 л этого раствора прибавили 5 л воды. Вычислите процентную концентрацию полученного раствора. Ответ: 9,96 н.; 6.3%.

143. К 3 л 10%-ного раствора  HNO₃, плотность которого 1,054 г/см³, прибавили 5 л 2%-ного раствора той же кислоты плотностью 1,009 г/см³. Вычислите процентную и молярную концентрации полученного раствора, если считать, что его объем равен 8 л. Ответ: 5,0%; 0,82 М.