Примеры решения задач по курсу химии
Томский межвузовский центр дистанционного
образования
Томский государственный университет
систем управления и радиоэлектроники (ТУСУР)
Кафедра промышленной электроники (ПрЭ)
Контрольная работа №1
по дисциплине «Химия»
Примеры решения задач по курсу химии
Выполнил:
студент ТМЦДО
специальности 200700
2005г
1.
Закончите уравнения реакций:
P2O5+Ca(OH)2=
Sn+O2=
SnCl4+NaOH=
Sn(OH)4+NaOH=
[Mg(OH)]2CO3+HCl=
Ge+O2=
Al+NH3=
AlH3+O2=
SiH4→T
SiH4+O2=
Какие реакции
можно использовать в технологии получения плёнок (каких), составить ионные
уравнения реакций (где возможно).
Решение:
P2O5+3Ca(OH)2= Ca3(PO4) 2+
3H2O
Sn+O2=
SnO2
SnCl4+4NaOH=
4NaCl+Sn(OH)4
Sn(OH)4+4NaOH=
Na4SnO4+4H2O
[Mg(OH)]2CO3+4HCl=2MgCl2+CO2+3H2O
Ge+O2=
GeO2
2Al+2NH3=2AlH3+N2
2AlH3+O2=Al2O3+3H2O
SiH4→TSi+2H2
SiH4+2O2=SiO2+2H2O
2.
При растворении в соляной кислоте 5,4 г сплава алюминия с
цинком объём выделившегося водорода, приведённый к н. у. составил 3,8 л. Какой
процентный состав сплава?
Решение:
Пусть х – масса
алюминия в сплаве, тогда:
Находим V(H2), выделившийся при реакции Al с HCl:
x, г(Al) – y, л(H2)
54 г(Al) – 67,2 л(H2)
y =
(67,2*x)/5,4 л.
Находим V(H2), выделившийся при реакции Zn с HCl:
z = ((5,4 г - x)*22,4)/65
Общий V(H2) при реакции сплава с HCl = 3,8 л,
следовательно:
z + y = 3,8 (л), тогда находим массу Al:
(67,2 * x)/54+((5,4-x)*22,4)/64=3,8 (л).
22,4*(3x/54+(5,4-x)/64)=3,8
(22,4*46x+97,2)/1152=3,8
46x+97,2=3,8*1152/22,4
46x+97,2=195,4
46x=98,2
x = 2,14 (г) – масса алюминия.
Находим m (Zn):
5,4 – 2,14 =
3,26 (г)
W(Al) = (2,14/5,4)*100% = 39,6%
W(Zn) = (3,26/5,4)*100% = 60,4%
Ответ: состав сплава: 39,6% Al и 60,4% Zn.
3.
Вычислить изменение энергии Гиббса для химической реакции:
4CO(Г)+2SO2(Г)=S2(T)+4CO2(Г),
при 25оС
по стандартным значениям энтальпий образования и абсолютных энтропий. Реакция
проводится между чистыми веществами:
На основании
вычисленной энергии Гиббса сделать вывод о возможности реакции? Измениться ли
направление процесса при повышении температуры до 100о Какую роль
при этом играют энтальпийный и энтропийный факторы?
Решение:
4СO(r)+2SO2(r)=S2(T)+4CO2(r)
Найдём изменения энтальпии:
Найдём изменение
энтропии:
Зависимость энергии
Гиббса реакции описывается уравнением
при стандартной
температуре t=250C (T=298 K):
1)
При t=1000C (T=373 K):
При стандартной
температуре значение ()
свидетельствует о том
что реакция смещается вправо, в сторону продуктов реакции, при () но т. к. менее электроотрицательнее, то процесс
смещения идет в право в меньшей степени. А если было бы >0 то реакция изменила бы направление
в обратную сторону.
Энтропийный и
энтальпийный факторы определяют направление реакций, если энтропия не меняется , то фактором, определяющим
направление реакции, служит энтальпия, если то ито это идет процесс с выделением тепла. Если же
, то система может
перейти только в состоянии с большей энтропией , из-за знака минус изменение энергии Гиббса .
4. Исходя из теплот реакций окисления As2O3 кислородом и озоном
As2O3+O2=
As2O5
3As2O3+2O3=
3As2O5
Вычислить
теплоту образования озона из молекулярного кислорода
3/2O2→O3.
Решение:
Первое уравнение умножим
на 3:
3As2O3+3O2=3As2O5
3As2O3+2O3=3As2O5
Вычтем из первого
уравнения второе:
3O2=2O3 или 3/2О2=О3.
- процесс
самопроизвольно протекать не может.
5.
Константа равновесия реакции FeO(T)+CO«Fe(T)+CO2 при некоторой температуре равна 0,5. Найти равновесные
концентрации CO и CO2, если начальные
концентрации этих веществ составляли: [CO]=0,05 моль/л, [CO2]=0,01 моль/л.
Решение:
FeO(T)+CO
Fe(T)+CO2
К=0,5.
Начальные концентрации [CO]=0,05моль/л; [CO2]=0,01моль/л.
По мере течения реакции
концентрация исходных веществ уменьшается, а концентрация продуктов реакции
увеличивается. Изменение концентрации идет в строгом соответствии со
стехиометрическими соотношениями, которые берутся из уравнения реакции, примем
изменение концентрации [СО] до равновесия равному Х моль/л тогда в момент равновесия его
концентрация станет 0,05-Х, а у СО2 увеличится на Х, т.е. будет
0,01+Х. Коэффициенты в уравнении одинаковы n(CO)=n(CO2). Для момента равновесия концентрации взяты равновесны.
0,025-0,5Х=0,01+Х или
1,5Х=0,015
т. е. Х=n=0,01моль/л отсюда в момент
равновесия:
[CO2]1=0,01+0,01=0,02моль/л
[CO]1=0,05-0,01=0,04моль/л
Ответ: [CO2]=0,02моль/л; [CO]=0,04моль/л.
6.
В состоянии равновесия системы CO2+H2=CO+H2O(Г) реакционная смесь имела объёмный состав: 22% CO2, 42% H2, 17% CO, 20% H2O. Вычислить Kp и Kc для
этой реакции при 1900 К и давлении 98501 Па.
Решение:
Для вычисления
константы равновесия Kp воспользуемся парциальными давлениями реагирующих веществ:
Определим
парциальные давления реагирующих веществ:
Определяем Kp:
Между Kp и Kc
существует следующая взаимосвязь:
где - разность между числом
молей газообразных веществ продуктов реакции и исходных веществ:
=2-2=0, следовательно: .
Ответ: Kp = Kc =
0,37.
7.
Постройте диаграмму состояния систем висмут-теллур по
следующим данным:
Bi, вес %
|
100
|
93
|
80
|
60
|
52
|
30
|
15
|
0
|
Температура появления кристаллов,
оС
|
271
|
250
|
540
|
570
|
480
|
398
|
430
|
По построенной
диаграмме:
а) Определите
тип диаграммы и её особенности;
б) Примените
правило фаз Гиббса для всех полей, линий и характерных точек на этой диаграмме;
в) Постройте
кривые охлаждения для сплавов, содержащих 0, 20, 15, 52, 80 и 100% висмута.
Сформулируйте
правило фаз Гиббса, что называется фазой, компонентом, эвтектикой?
Решение:
Данная диаграмма
представляет собой диаграмму плавкости. В точках А и Е системы инвариантны.
Правило фаз для них выглядит как: С = 1 – 2 + 1 = 0. При температурах выше t(A) и t(E) чистые компоненты
находятся в расплаве (С = 1 – 1 + 1 = При температурах ниже t(A) и t(E) в твёрдом состоянии
(С = 1 – 1 + 1 = 1).
Точка А
характеризует температуру плавления Te, точка E характеризует температуру плавления Bi.
Линия ABCDE – линия ликвидуса.
Линия FCG – линия эвтектики,
линия солидуса.
Линия AH – линия солидуса Te.
Линия EJ – линия солидуса Bi.
Линия ABC – расплав,
насыщенный Te.
Линия CDE – расплав,
насыщенный Bi.
Точка С –
расплав, насыщенный Te и Bi.
Линии ликвидуса
и солидуса делят диаграмму на несколько полей: 1- ненасыщенный расплав Bi и Te (С = 2 – 1 + 1 = 2);
2 – расплав компонентов Bi и Te и кристаллы Te (С = 2 – 2 + 1 = 1); 3 – расплав компонентов Bi и Te и кристаллы Bi (С = 2 – 2 + 1 = 1);
4 и 5 - кристаллы Bi и Te (С = 2 – 2 + 1 = 1).
Кривые
охлаждения построены на рисунке 2. Все пробы, одинаковые по массе, но разные по
концентрации, характеризуются точкой 3. Температурные остановки 5-6 на кривых
охлаждения при 0 и 100% Bi указывают на то, что чистые компоненты кристаллизуются при
постоянной температуре t(A) и t(E) (С = 1 – 2 + 1 = 0). Участки 3-5 и 6-7 соответствуют
охлаждению чистых компонентов в жидком и твёрдом состояниях соответственно (С =
1 – 1 + 1 = 1). Кривые охлаждения 15, 20 и 80%: участок 3-4 отвечает охлаждению
состава (С = 2 – 1 + 1 = 2). Точке 4 соответствует температура начала
кристаллизации одного из компонентов (15, 20% - Te, 80% - Bi). За счёт
выделяющейся теплоты кристаллизации в точке 4 наблюдается излом, но температура
кристаллизации расплава не сохраняется постоянной, так как его состав
непрерывно меняется, а число степеней свободы равно 1 (С = 2 – 2 + 1 = 1). На
участке 4-5 в системе продолжается кристаллизация Te (15 и 20%) и Bi (80%) и каждой
температуре соответствует определённый состав насыщенного расплава, который
постепенно меняется до эвтектического. Расплав, соответствующий точке 5 становится
насыщенным относительно обоих компонентов (точка C на диаграмме), начинается кристаллизация эвтектики,
состоящей из кристаллов Te и Bi. Число степеней свободы уменьшается до нуля (С = 2 – 3 + 1
= 0) и температура остаётся постоянной до полного затвердевания смеси (участок
5-6). Продолжительность температурной остановки тем больше, чем ближе состав
исходного расплава к составу эвтектики. Участок 6-7 соответствует охлаждению
двухфазной системы в твёрдом состоянии (С = 2 – 2 + 1 = 1).
Правило фаз
Гиббса – в равновесной системе, на которую из внешних факторов оказывают
влияние только температура и давления, число степеней свободы равно числу компонентов
минус число фаз плюс два.
Фаза – часть
гетерогенной системы, ограниченная поверхностью раздела и характеризующаяся в
отсутствие внешнего поля сил одинаковыми химическими, физическими и
термодинамическими свойствами во всех своих точках.
Компонентом
называют индивидуальное химическое вещество, которое является составной частью
системы, может быть выделено из неё и существовать самостоятельно.
Эвтектика – есть
смесь из нескольких (двух или более) компонентов, имеющая определённую характерную
структуру, и дающая при температуре своего плавления расплав – раствор,
насыщенный относительно всех компонентов, входящих в состав.
8.
Возможно ли существование однокомпонентной системы,
состоящей из четырёх фаз? Как доказать?
Решение:
Для однокомпонентной
системы правило фаз Гиббса принимает вид:
C = 1 – Ф + 2 = 3 – Ф.
Если минимальное
число степеней свободы равно нулю (система инвариантна), то Ф = 3. Значит, в
равновесной однокомпонентной системе могут существовать максимально три фазы
(т, ж, г).