|
|
ЭНЕРГЕТИКА ХИМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВГЛАВА 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: Например, для водорода для кислорода Таблица 20 Основные расчетные формулы
§ 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
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):
где Подставляя данные задачи, получим
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):
С учетом выражения для молярной массы эквивалента соли
Подставив данные из условия задачи, получим,
Используя формулу 3, можно рассчитать эквивалент железа
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:
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 ( Решение. Запишем к данному условию выражение закона эквивалентов (формулы 1,2):
или
где Следовательно,
Для расчета эквивалента кислоты воспользуемся формулой 3:
Þ
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 После подстановки получаем:
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:
Пример 3 Определить объем, занимаемый 0,05 кг азота при 22°С и давлении 152 кПа?
Решение. Для решения воспользуемся уравнением (50):
где
Выражаем объем: Þ Следует обратить внимание, что при использовании формулы (49), следует внимательно подставлять численные значения величин с учетом их размерностей: если
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
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 Рассчитаем, какой объем выделится согласно данным условия задачи, для этого воспользуемся уравнением (50):
Выражаем объем:
Пример 6 Плотность газа по воздуху равна 1,173. Определите молярную массу данного газа. Решение. Для решения воспользуемся формулой (6): где В результате расчета получаем:
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:
где Пример 1 Рассчитать тепловой эффект реакции
Решение. Из справочника [1] берем данные, необходимые для решения задачи, и заносим в таблицу:
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:
где
Пример 2 Рассчитать тепловой эффект следующей реакции
Решение.
Из справочника берем данные, необходимые для решения задачи, и заносим в таблицу:
Тепловой эффект реакции при температуре 298 К рассчитаем по уравнению 9:
Для данной реакции:
Пример 3 Для реакции а) б) в)
Решение. На основании следствия из закона Гесса с термохимическими уравнениями можно оперировать так же, как и с алгебраическими. Для получения уравнения
В результате приведения подобных получим:
Тепловой эффект данной реакции:
2.2. ХИМИЧЕСКОЕ СРОДСТВО
Пример 4 Прямая или обратная реакция будет протекать при стандартных условиях в системе Решение. Для ответа на вопрос следует вычислить 1) по формуле (10): где
2) по формуле (11):
Из справочника берем данные, необходимые для решения задачи, и заносим в таблицу:
Рассчитываем по формуле
|
|
(49). Для простого газообразного вещества 
, где 
– валентность элемента образующего газообразное простое вещество, 
– число атомов в молекуле простого газообразного вещества.
л/мольэк.,
л/мольэк.
(1)
или 
(2)
где 
– количество моль эквивалентов вещества А; 
– масса вещества;
– молярная масса эквивалентов вещества А.
(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.
(6), где 
– плотность первого газа по второму.
(7), где 
– соответственно давление, объем и температура при нормальных условиях; 
– те же параметры для данного вещества при других условиях.
(8)
где 
– стандартный тепловой эффект реакции при 298К; 
– коэффициент, стоящий в уравнении реакции перед данным веществом; 
– стандартная теплота образования вещества.
(9)
где 
– стандартная теплота сгорания вещества.
(10)
где 
– изменение энергии Гиббса в реакции;
– изменение энтальпии в реакции;
– изменение энтропии в реакции;
– температура.
(11)
где 
– стандартная энергия Гиббса образования вещества
< 0 – самопроизвольное протекание прямой реакции возможно, но практически не всегда может осуществляться из-за кинетических затруднений;
2. 
(12)
где 
и 
молярные концентрации реагирующих веществ;
- константа скорости данной реакции;
и 
– стехиометрические коэффициенты уравнения реакции.
(13)
где 
и 
– скорость реакции при температурах 
и 
, соответственно; 
– температурный коэффициент реакции
(14)
где k – константа скорости; t – время протекания реакции.
(15)
где 
(16), где 
и 
– константы скоростей реакции при температурах 
и 
, соответственно.
(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.
(19)
где 
– изменение числа моль газообразных веществ в реакции.
(20)
где 
– изменение энергии Гиббса, 
– универсальная газовая постоянная, 
– температура, 
– константа равновесия (атм).
(21)
(22)
где 
– давление насыщенного пара чистого растворителя при данной температуре; 
– давление насыщенного пара растворителя над раствором; 
– мольная доля 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).
(25)
где 
– осмотическое давление, Па;
– молярная концентрация, 
;
– универсальная газовая постоянная, 
.
)
(26)
(27); 
(28)
где 
– масса растворенного вещества; 
– масса раствора;
– количество моль растворенного вещества; 
– молярная масса растворенного вещества; 
– плотность раствора; 
– объем раствора.
)
(29)
) к объему раствора (V) или число моль эквивалентов растворенного вещества в 1 литре раствора.
(30)
)
(31)
)
) к суммарному количеству моль всего раствора ( 
)
(32)
)
), к общему числу молекул растворенного вещества в растворе ( 
):
(33)
(34)
где 
– равновесные концентрации ионов 
и 
соответственно; 
– равновесная концентрация непродиссоциировавших молекул 
.
(35)
– степень диссоциации;
С – начальная концентрация электролита;
– константа диссоциации.
(36)
где 
(37); 2) 
(38); 3) 
(39); 4) 
(40).
раствора)
(41), 
(42)
раствора)
(43), 
(44)
(45)
(46)
– молярная масса эквивалентов вещества, I – сила тока, t – время электролиза, z – число электронов, принимающих участие в полуреакции, F – постоянная Фарадея.
(47),
(48), где 
– стандартный электродный потенциал; С- концентрация, моль/л; 
(50) его необходимо привести к объему в нормальных условиям.
или 
л/мольэк.
Þ 
г/мольэк..
или 
.
, можно записать
.
Þ 
(г/мольэк).
:
Þ 
, 
.
.
, 
,
.
;
Þ 
(г/мольэк).
) израсходовано 2,318 г гидроксида калия ( 
). Определите эквивалент и молярную массу эквивалентов кислоты. На основании расчета напишите уравнение химической реакции
.
,
(г/мольэк).
(г/мольэк).
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
.
Þ 
Þ 
(кПа).
: 
Þ 
(л).
,
– объем, л;
– молярная масса вещества, г/моль;
, то 
; если 
, то 
;
; 
.
(г/моль).
.
: 
, т.е. 
Þ 
,
– молярная масса воздуха, 29 г/моль; 
– молярная масса неизвестного газа.
Þ 
(г/моль).
(8)
– стандартная теплота образования вещества – тепловой эффект реакции образования 1 моль вещества из простых веществ.
при температуре 298 К.
, Дж/моль
;
(9)
– стандартная теплота сгорания вещества – тепловой эффект реакции сгорания 1 моль вещества до высших оксидов.
, если известны теплоты сгорания веществ при Т=298 К и давлении 101325 Па.
, кДж/моль
;
рассчитать тепловой эффект исходя из следующих данных:
, 
, 
, 
(кДж).
.
прямой реакции. Расчет изменения энергии Гиббса можно провести двумя способами:
(51)
, Дж/моль
, Дж/(моль×К)
, кДж/моль
;
(кДж)