Пиши Дома Нужные Работы

Обратная связь

ЭНЕРГЕТИКА ХИМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ

ГЛАВА 2. МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К РЕШЕНИЮ

ЗАДАЧ ПО ОБЩЕЙ ХИМИИ

ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ЗАКОНЫ ХИМИИ

Основные формулы приведены в таблице 20.

 

ЗАКОН ЭКВИВАЛЕНТОВ

Порядок решения задач:

1. запись формулы закона эквивалентов с учетом условия данной задачи

2. запись выражения для количества моль эквивалентов вещества

3. подстановка данных, с учетом единиц измерения используемых величин

4. расчет.

При решении следует помнить:

§ что молярная масса эквивалентов сложного вещества равна сумме молярных масс эквивалентов катиона и аниона. Например, молярная масса эквивалента соли равна сумме молярных масс эквивалентов катиона металла и кислотного остатка, т.е.:

§ объем, занимаемый при данных условиях молярной массой эквивалентов газообразного вещества, называется мольным эквивалентным объемом этого вещества. Мольный объем любого газа при нормальных условиях (н.у.) равен 22,4 л. Отсюда молярный эквивалентный объем газа можно рассчитать по следующей формуле: (49). Для простого газообразного вещества , где – валентность элемента образующего газообразное простое вещество, – число атомов в молекуле простого газообразного вещества.

Например, для водорода л/мольэк.,

для кислорода л/мольэк.


Таблица 20

Основные расчетные формулы

№ п/п раздел   математическое описание, определение
закон эквивалентов для реакции    (1)   или (2)   где – количество моль эквивалентов вещества А; – масса вещества; – молярная масса эквивалентов вещества А.     1. расчет молярной массы эквивалента: (3) где – молярная масса вещества; – эквивалент вещества 2. определение эквивалента для различных веществ: § для простого вещества: § для кислоты: § для основания: § для соли: (4), где – степень окисления металла, – число атомов металла § для оксида: (5), где – степень окисления кислорода, – число атомов кислорода.    
продолжение таблицы 20
№ п/п раздел   математическое описание, определение
газовые законы закон Авогадро в равных объемах любых газов при одинаковых условиях (температуре и давлении) содержится равное число молекул следствия: 1. при одинаковых условиях 1 моль любых газов занимает одинаковый объем. 2. при нормальных условиях (101325 Па, 273,15 °С) 1 моль различных газов занимает объем 22,4 л. 3. отношение масс равных объемов различных газов равно отношению их молярных масс: (6), где – плотность первого газа по второму.
объединенный газовый закон используется для перехода в химических расчетах к нормальным условиям (или к нормальным) (7), где – соответственно давление, объем и температура при нормальных условиях; – те же параметры для данного вещества при других условиях.
расчет теплового эффекта химической реакции следствия из закона Гесса Тепловой эффект химической реакции равен разности сумм стандартных теплот образования продуктов реакции и исходных веществ (8) где – стандартный тепловой эффект реакции при 298К; – коэффициент, стоящий в уравнении реакции перед данным веществом; – стандартная теплота образования вещества.
продолжение таблицы 20
№ п/п раздел   математическое описание, определение
      Тепловой эффект химической реакции равен разности сумм стандартных теплот сгорания исходных веществ и продуктов реакции (9)   где – стандартная теплота сгорания вещества.
определение направления самопроизвольного протекания реакции расчет энергии Гиббса (10) где – изменение энергии Гиббса в реакции; – изменение энтальпии в реакции; – изменение энтропии в реакции; – температура.
(11) где – стандартная энергия Гиббса образования вещества
1. < 0 – самопроизвольное протекание прямой реакции возможно, но практически не всегда может осуществляться из-за кинетических затруднений; 2. > 0 – самопроизвольное протекание прямой реакции невозможно; 3. = 0 – в системе наступило химическое равновесие.  
продолжение таблицы 20
№ п/п раздел   математическое описание, определение
скорость химических реакций закон действующих масс в изотермическом процессе скорость химической реакции прямо пропорциональна произведению концентраций реагирующих веществ (в степенях с показателями, равными стехиометрическим коэффициентам в уравнении реакции).   Для реакции в общем виде   (12) где и молярные концентрации реагирующих веществ; - константа скорости данной реакции; и – стехиометрические коэффициенты уравнения реакции.  
правило Вант-Гоффа при повышении температуры на каждые 10 градусов скорость большинства реакций увеличивается в 2-4 раза:   (13) где и – скорость реакции при температурах и , соответственно; – температурный коэффициент реакции (14) где k – константа скорости; t – время протекания реакции.
продолжение таблицы 20
№ п/п раздел   математическое описание, определение
    энергия активации разница между средней энергией частиц и энергией, необходимой для протекания реакции. (15) где – константа скорости, А – постоянный множитель, не зависящий от температуры, связан с вероятностью и числом столкновений; e – основание натурального логарифма; R – универсальная газовая постоянная; Т – температура, К; Е – энергия активации реакции, Дж. (16), где и – константы скоростей реакции при температурах и , соответственно.
химическое равновесие закон действия масс для обратимых реакций при постоянной температуре отношение произведения равновесных концентраций (или парциальных давлений) конечных веществ к произведению равновесных концентраций (или парциальных давлений) исходных веществ есть величина, которую принято называть константой равновесия. Для реакции в общем виде: (17), (18), где – константа равновесия, – равновесные концентрации веществ С, D, A и B, соответственно; – парциальные давления веществ С, D, A и B, соответственно; – коэффициенты в уравнении реакции.
продолжение таблицы 20
№ п/п раздел   математическое описание, определение
    связь между и (19) где – изменение числа моль газообразных веществ в реакции.
связь константы равновесия с термодинамическими величинами.   (20) где – изменение энергии Гиббса, – универсальная газовая постоянная, – температура, – константа равновесия (атм). (21)
Принцип Ле-Шателье. если на систему, находящуюся в состоянии равновесия, оказать внешнее воздействие (изменить температуру, давление, концентрацию), то равновесие смещается в сторону того процесса, который уменьшает это воздействие.
физико-химические свойства растворов закон Рауля Относительное понижение парциального давления насыщенного пара растворителя над разбавленным раствором неэлектролита равно мольной доле растворённого вещества: (22) где – давление насыщенного пара чистого растворителя при данной температуре; – давление насыщенного пара растворителя над раствором; – мольная доля растворённого вещества.
продолжение таблицы 20
№ п/п раздел   математическое описание, определение
       
температура кипения и кристаллизации разбавленных растворов понижение температуры кристаллизации или повышение температуры кипения разбавленных растворов не электролитов прямо пропорционально моляльной концентрации растворённого вещества:   (23)   (24)   где – понижение температуры кристаллизации; – повышение температуры кипения; и – температуры кристаллизации и кипения раствора, соответственно; и – температуры кристаллизации и кипения чистого растворителя, соответственно; – криоскопическая константа; – эбуллиоскопическая константа; – моляльность раствора, моль/кг; – масса вещества (г); – масса растворителя (г).  
продолжение таблицы 20
№ п/п раздел   математическое описание, определение
    осмотическое давление   осмотическое давление численно равно тому давлению, которое оказывало бы растворенное вещество, если бы оно при данной температуре находилось в состоянии идеального газа и занимало объём, равный объёму раствора: (25)   где – осмотическое давление, Па; – молярная концентрация, ; – температура, К; – универсальная газовая постоянная, .  
способы выражения концентрации раствора массовая доля растворенного вещества ( ) это есть отношение массы растворенного вещества к массе раствора. (26) (27); (28) где – масса растворенного вещества; – масса раствора; – количество моль растворенного вещества; – молярная масса растворенного вещества; – плотность раствора; – объем раствора.  
продолжение таблицы 20
№ п/п раздел   математическое описание, определение
    молярная концентрация (молярность) ( ) это отношение количества моль растворенного вещества (n) к объему раствора (V) или число моль растворенного вещества в 1 литре раствора.     (29)
молярная концентрация эквивалентов вещества (нормальность) это отношение количества моль эквивалентов растворенного вещества ( ) к объему раствора (V) или число моль эквивалентов растворенного вещества в 1 литре раствора. (30)
моляльность раствора ( ) это есть количество моль растворенного вещества в 1 кг растворителя     (31)
мольная доля ( ) отношение количества моль данного вещества ( ) к суммарному количеству моль всего раствора ( ) (32)
продолжение таблицы 20
№ п/п раздел   математическое описание, определение
растворы электролитов (распад электролитов на ионы под действием молекул растворителя называется электролитической диссоциацией) степень электролитической диссоциации ( ) это отношение числа молекул, распавшихся на ионы ( ), к общему числу молекул растворенного вещества в растворе ( ):   (33)
константа электролитической диссоциации это константа химического равновесия для процесса диссоциации электролита: для реакции (34) где – равновесные концентрации ионов и соответственно; – равновесная концентрация непродиссоциировавших молекул .
закон разведения Оствальда: (35) где – степень диссоциации; С – начальная концентрация электролита; – константа диссоциации.
изотонический коэффициент (i) это отношение суммы числа ионов и непродиссоциированных молекул электролитов к начальному числу молекул.   (36) где – степень электролитической диссоциации; n – число ионов, на которые распалась каждая молекула.  
продолжение таблицы 20
№ п/п раздел   математическое описание, определение
    законы Рауля и Вант-Гоффа для растворов электролитов 1) (37); 2) (38); 3) (39); 4) (40).
водородный показатель среды ( раствора) отрицательный десятичный логарифм концентрации ионов (41), (42)
гидроксильный показатель ( раствора) отрицательный десятичный логарифм концентрации ионов (43), (44) (45)
электролиз законы Фарадея (46)   где – молярная масса эквивалентов вещества, I – сила тока, t – время электролиза, z – число электронов, принимающих участие в полуреакции, F – постоянная Фарадея.
выход по току (h).   равен отношению практической массы (объема) вещества к массе (объему) вещества, рассчитанного по закону Фарадея. (47),
зависимость электрохимического потенциала от концентрации уравнение Нернста. (48), где – стандартный электродный потенциал; С- концентрация, моль/л; – количество электронов, участвующих в процессах окисления-восстановления.
           

§ объем газообразного вещества, участвующего в реакции должен быть указан при нормальных условиях (н.у.) – 101325 Па и 273 К (0 °С); если же объем указан при любых других условиях, то используя уравнение Менделеева-Клапейрона (50) его необходимо привести к объему в нормальных условиям.

 

Пример 1.

При взаимодействии 0,376 г алюминия с кислотой выделяется 0,468 л водорода, измеренного при нормальных условиях (н.у.). Определить молярный объем эквивалентов водорода, зная, что молярная масса эквивалентов алюминия равна 8,99 г/мольэк.

Решение.

Запишем к данному условию выражение закона эквивалентов (формулы 1):

или

где л/мольэк.

Подставляя данные задачи, получим

Þ г/мольэк..

Пример 2.

При соединении 3,22 г железа с серой образовалось 5,06 г сульфида железа. Найти молярную массу эквивалента железа и эквивалент железа, если молярная масса эквивалента серы равна 16 г/мольэкв.

Решение.

Запишем к данному условию выражение закона эквивалентов (формулы 1,2):

или .

С учетом выражения для молярной массы эквивалента соли

, можно записать

.

Подставив данные из условия задачи, получим,

Þ (г/мольэк).

 

Используя формулу 3, можно рассчитать эквивалент железа :

Þ , .

 

Пример 3.

Из 9,16 г нитрата металла получено 4,80 г его гидроксида. Вычислите эквивалентную массу металла.

Решение.

Запишем к данному условию выражение закона эквивалентов (формулы 1,2):

или .

Запишем выражения для молярных масс эквивалентов соли и гидроксида:

,

и

,

.

Подставив полученные выражения в формулу для закона эквивалентов, получим:

;

с учетом данных задачи:

Þ (г/мольэк).

 

Для определения эквивалента для многоосновных кислот и оснований как индивидуальных веществ, не участвующих в химическом взаимодействии, используется формула 3. Если кислота или основание участвуют в химическом взаимодействии, то определение эквивалента осуществляется с учетом уравнения химической реакции.

 

Пример 4.

На нейтрализацию 2,031 г ортофосфорной кислоты ( ) израсходовано 2,318 г гидроксида калия ( ). Определите эквивалент и молярную массу эквивалентов кислоты. На основании расчета напишите уравнение химической реакции

Решение.

Запишем к данному условию выражение закона эквивалентов (формулы 1,2):

или .

,

где (г/мольэк).

Следовательно,

(г/мольэк).

Для расчета эквивалента кислоты воспользуемся формулой 3:

 

Þ

Þ , т.е. в процессе реакции 2 атома водорода в молекуле фосфорной кислоты замещаются на 2 катиона калия, и образуется кислая соль – гидрофосфат калия, согласно уравнению

.

 


ГАЗОВЫЕ ЗАКОНЫ

Пример 1

При некоторой температуре давление газа, занимающего объем 5л, равно 93,3кПа. Каким станет давление, если, не изменяя температуры, уменьшить объем до 2,3?

 

Решение.

Для решения воспользуемся формулой (7): .

Согласно условию задачи Þ

После подстановки получаем:

Þ (кПа).

 

Пример 2

При 25°С и давлении 99,5 кПа некоторое количество газа занимает объем 168 мл. Найти, какой объем займет это же количество газа при 0°С и давлении 101,33 кПа?

 

Решение.

Для решения воспользуемся формулой (7): .

Выражаем :

После подстановки данных задачи, получаем:

Þ (л).

 

Пример 3

Определить объем, занимаемый 0,05 кг азота при 22°С и давлении 152 кПа?

 

Решение.

Для решения воспользуемся уравнением (50):

,

где – давление, Па; – объем, л;

– количество вещества, моль; – масса вещества, г;

– молярная масса вещества, г/моль;

– универсальная газовая постоянная, 8,314 Дж/(моль×К);

– температура.

Выражаем объем:

Þ

Следует обратить внимание, что при использовании формулы (49), следует внимательно подставлять численные значения величин с учетом их размерностей:

если , то ; если , то ;

; .

 

Пример 4

Масса 200 мл ацетилена при нормальных условиях равна 0,232 г. Определить молярную массу данного газа.

Решение.

Для решения воспользуемся уравнением (50):

,

Выражаем молярную массу:

Þ (г/моль).

 

Пример 5

Какой объем водорода выделится при 17°С и давлении 135 кПа если растворить 1,5 кг цинка в соляной кислоте?

 

Решение.

Запишем уравнение протекающей реакции:

Согласно уравнению .

Рассчитаем : , т.е.

Рассчитаем, какой объем выделится согласно данным условия задачи, для этого воспользуемся уравнением (50):

.

Выражаем объем:

Þ

Пример 6

Плотность газа по воздуху равна 1,173. Определите молярную массу данного газа.

Решение.

Для решения воспользуемся формулой (6): ,

где – молярная масса воздуха, 29 г/моль; – молярная масса неизвестного газа.

В результате расчета получаем:

Þ (г/моль).

 


ЗАДАНИЯ ДЛЯ САМОПОДГОТОВКИ

1. Рассчитайте объём, который занимают 150 г CO2, SO2, NH3, H2 при нормальных условиях.

2. Рассчитайте, какой объём газа (н.у.) выделится при разложении 45 г NaNO3.

3. Плотность некоторого газа составляет 2,5 г/л (н.у.). Определите молярную массу газа и сколько молекул содержится в порции газа массой 50 г?

4. Во сколько раз плотность воды в жидком состоянии больше ее плотности в состоянии пара при 4 ºС?

5. Рассчитайте, какой объем 20 %-ной соляной кислоты с плотностью 1.1 г/мл потребуется для реакции со 150 г оксида магния.

6. Какой объем 25 %-го раствора HCl потребуется для полного растворения 3 г сплава цинка с оловом, в котором массовая доля цинка составляет 60 %.

7. Рассчитайте массу оксида алюминия, который образуется при прокаливании Al(OH)3 массой 650 г, если выход в реакции равен 95 %.

8. Какой объем водорода (при 500 ºС и 88 кПа) необходим для полного восстановления 400 г Fe3O4.

9. Какой объем воздуха необходим для сжигания 1 м3 природного газа, содержащего 90 % СН4, 6 % С2Н6, 2 % С3Н8, 1 % N2 и 1 % СО (по объему)?

10. Рассчитайте массу оксида железа (III), который образуется при прокаливании Fe(NO3)3 массой 62 г. Какой объем газов при н.у выделится при этом?


ЭНЕРГЕТИКА ХИМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ

(термохимические расчеты)

1. Расчет теплового эффекта химических реакций с использованием стандартных теплот образования (энтальпии образования) соединений (первое следствие из закона Гесса).

 

Тепловой эффект химической реакции равен разности сумм стандартных теплот образования продуктов реакции и исходных веществ:

 

(8)

 

где стандартная теплота образования вещества – тепловой эффект реакции образования 1 моль вещества из простых веществ.

Пример 1

Рассчитать тепловой эффект реакции при температуре 298 К.

 

Решение.

Из справочника [1] берем данные, необходимые для решения задачи, и заносим в таблицу:

Вещество NO О2 NO2
, Дж/моль 91,26 0 34,19

 

Тепловой эффект реакции при температуре 298 К рассчитаем по уравнению 8:

Для данной реакции:

;

 

2. Расчет теплового эффекта химических реакций с использованием стандартных теплот сгорания (энтальпии сгорания) соединений (второе следствие из закона Гесса).

 

Тепловой эффект химической реакции равен разности сумм стандартных теплот сгорания исходных веществ и продуктов реакции:

 

(9)

где стандартная теплота сгорания веществатепловой эффект реакции сгорания 1 моль вещества до высших оксидов.

 

Пример 2

Рассчитать тепловой эффект следующей реакции , если известны теплоты сгорания веществ при Т=298 К и давлении 101325 Па.

 

Решение.

 

Из справочника берем данные, необходимые для решения задачи, и заносим в таблицу:

Вещество
, кДж/моль -1559,9 -1410,98 -285,84

 

Тепловой эффект реакции при температуре 298 К рассчитаем по уравнению 9:

Для данной реакции:

;

Пример 3

Для реакции рассчитать тепловой эффект исходя из следующих данных:

а) ,

б) ,

в) ,

 

Решение.

На основании следствия из закона Гесса с термохимическими уравнениями можно оперировать так же, как и с алгебраическими.

Для получения уравнения необходимо уравнение (б) умножить на 2, уравнение (в) – умножить на 2 и вычесть уравнение (а):

 

 

В результате приведения подобных получим:

 

 

Тепловой эффект данной реакции:

 

(кДж).

 


2.2. ХИМИЧЕСКОЕ СРОДСТВО

 

Пример 4

Прямая или обратная реакция будет протекать при стандартных условиях в системе .

Решение.

Для ответа на вопрос следует вычислить прямой реакции. Расчет изменения энергии Гиббса можно провести двумя способами:

1) по формуле (10):

где ,

(51)

 

2) по формуле (11):

 

Из справочника берем данные, необходимые для решения задачи, и заносим в таблицу:

Вещество
, Дж/моль -393,51 0 -110,52 -822,1
, Дж/(моль×К) 213,65 27,2 197,91 87,45
, кДж/моль -394,38 0 -137,27 -740,34

Рассчитываем по формуле :

;

(кДж)

(Дж/К)

Þ (Дж)

или кДж

Рассчитываем по формуле






ТОП 5 статей:
Экономическая сущность инвестиций - Экономическая сущность инвестиций – долгосрочные вложения экономических ресурсов сроком более 1 года для получения прибыли путем...
Тема: Федеральный закон от 26.07.2006 N 135-ФЗ - На основании изучения ФЗ № 135, дайте максимально короткое определение следующих понятий с указанием статей и пунктов закона...
Сущность, функции и виды управления в телекоммуникациях - Цели достигаются с помощью различных принципов, функций и методов социально-экономического менеджмента...
Схема построения базисных индексов - Индекс (лат. INDEX – указатель, показатель) - относительная величина, показывающая, во сколько раз уровень изучаемого явления...
Тема 11. Международное космическое право - Правовой режим космического пространства и небесных тел. Принципы деятельности государств по исследованию...



©2015- 2017 pdnr.ru Все права принадлежат авторам размещенных материалов.