Ковалевский А.В., Басова Л.А., Вшивцев В.И., Жуковин С.В., Радина И.А. Химия. Учебное пособие по решению типовых задач и задания для самостоятельной работы
Подождите немного. Документ загружается.
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РФ
ВЯТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ
УНИВЕРСИТЕТ
Химический факультет
Кафедра общей химии
А.В. Ковалевский, Л.А. Басова,
В.И. Вшивцев, С.В. Жуковин,
И.А. Радина
ХИМИЯ
Учебное пособие по решению типовых
задач и задания для самостоятельной работы
Утверждено Ученым советом
Вятского государственного
университета в качестве
учебного пособия
Киров 2003
УДК 54 (07)
Х465
Рецензент: заведующий кафедрой химии ВГУ, профессор Т.Я. Ашихмина
Ковалевский А.В. Химия: Учебное пособие по решению типовых задач и задания
по самостоятельной работе / А.В. Ковалевский, Л.А. Басова, В.И. Вшивцев, С.В.
Жуковин, И.А. Радина. – Киров: Издательство Вят ГУ, 2003. – 86 с.
Настоящее учебное пособие разработано в соответствии с Государственным
стандартом высшего профессионального образования по инженерно-техническим
(нехимическим) специальностям для студентов нехимических специальностей.
Редактор Е. Г. Козвонина
Подписано в печать Усл. печ.л. 5.
Бумага офсетная. Печать копир Aficio 1022.
Заказ № 181 Тираж 52 Бесплатно
Текст напечатан с оригинал-макета, предоставленного авторами.
_____________________________________________________________
610 000, г. Киров, ул. Московская, 36.
Оформление обложки, изготовление – ПРИП ВятГУ.
© Вятский государственный университет, 2003
© А.В. Ковалевский, 2003
© Л.А. Басова, 2003
© В.И. Вшивцев, 2003
© С.В. Жуковин, 2003
© И.А. Радина, 2003
3
Оглавление:
СПОСОБЫ ВЫРАЖЕНИЯ СОСТАВА РАСТВОРА .................................................4
ВАРИАНТЫ КОНТРОЛЬНЫХ ЗАДАНИЙ .............................................................8
ЗАКОНОМЕРНОСТИ ПРОТЕКАНИЯ ХИМИЧЕСКИХ РЕАКЦИЙ. ЭЛЕМЕНТЫ
ТЕРМОДИНАМИКИ
.................................................................................................. 12
ТЕРМОХИМИЯ........................................................................................................ 12
ЭНТАЛЬПИЙНЫЙ И ЭНТРОПИЙНЫЙ ФАКТОРЫ ПРОЦЕССОВ ................ 15
ПОНЯТИЕ ОБ ЭНЕРГИИ ГИББСА ....................................................................... 17
ХИМИЧЕСКАЯ КИНЕТИКА ................................................................................. 18
ХИМИЧЕСКОЕ РАВНОВЕСИЕ............................................................................. 22
СМЕЩЕНИЕ ХИМИЧЕСКОГО РАВНОВЕСИЯ ................................................. 25
ВАРИАНТЫ КОНТРОЛЬНЫХ ЗАДАНИЙ. ......................................................... 25
ИОННО-МОЛЕКУЛЯРНЫЕ (ИОННЫЕ) РЕАКЦИИ ОБМЕНА........................... 37
ГИДРОЛИЗ СОЛЕЙ................................................................................................. 38
ВОДОРОДНЫЙ ПОКАЗАТЕЛЬ............................................................................. 39
ВАРИАНТЫ КОНТРОЛЬНЫХ ЗАДАНИЙ .......................................................... 40
ОКИСЛИТЕЛЬНО-ВОССТАНОВИТЕЛЬНЫЕ РЕАКЦИИ ................................... 48
ВАРИАНТЫ КОНТРОЛЬНЫХ ЗАДАНИЙ .......................................................... 50
ЭЛЕКТРОЛИЗ ............................................................................................................. 56
ЗАКОНЫ ЭЛЕКТРОЛИЗА...................................................................................... 58
ВАРИАНТЫ КОНТРОЛЬНЫХ ЗАДАНИЙ .......................................................... 59
ГАЛЬВАНИЧЕСКИЕ ЭЛЕМЕНТЫ .......................................................................... 63
КОРРОЗИЯ МЕТАЛЛОВ ........................................................................................... 66
ВАРИАНТЫ КОНТРОЛЬНЫХ ЗАДАНИЙ .......................................................... 70
4
СПОСОБЫ ВЫРАЖЕНИЯ СОСТАВА РАСТВОРА
Состав раствора определяется количеством растворенного вещества и рас-
творителя. Существует несколько способов количественного выражения состава
растворов. Рассмотрим наиболее часто применяемые способы в химической прак-
тике.
I. Массовая доля показывает, какую часть от данной массы раствора со-
ставляет масса растворенного вещества. Это безразмерная величина, выражаю-
щаяся в долях единицы (ω) или в процентах (ω %), она определяется по формуле
m
р.в-ва
m
р.в-ва
ω = или ω% = ⋅ 100% ,
m
р-ра
m
р-ра
где m
р.в-ва
- масса растворенного вещества;
m
р-ра
- масса раствора.
Например, раствор серной кислоты с массовой долей H
2
SO
4
20% - это рас-
твор, в 100 г которого содержится 20 г кислоты и 80 г воды. Если известен объем
раствора, то, зная плотность этого раствора, можно найти его массу по формуле
m
р-ра
= V⋅ρ ,
где V - объем раствора, мл;
ρ - плотность раствора, г/мл.
Кроме того, масса раствора может быть найдена как сумма масс растворен-
ного вещества (m
р.в-ва
) и растворителя (m
р-ля
):
m
р-ра
= m
р.в-ва
+ m
р-ля
.
Пример 1. Какова массовая доля раствора, полученного в результате рас-
творения 200 г Na
2
SO
4
в 550 г воды?
Решение. Определяем массу раствора:
m
р-ра
= m(Na
2
SO
4
) + m(H
2
O),
m
р-ра
= 200 + 550 = 750 (г).
Найдем массовую долю полученного раствора:
m(Na
2
SO
4
) 200⋅ 100%
ω% = ⋅ 100%, ω % = = 26,6%.
m
р-ра
750
Пример 2. Сколько граммов H
2
SO
4
необходимо для приготовления 2 л
20%-ного раствора серной кислоты (ρ = 1,143 г/моль)?
Решение. Находим массу раствора, который требуется приготовить:
m
р-ра
= V ⋅ ρ = 1, 143 ⋅ 2000 = 2286 (г).
Определим массу H
2
SO
4
, необходимую для приготовления данного раство-
ра:
ω% ⋅ m
р-ра
20% ⋅2286
m
р. в-ва
= ; m(H
2
SO
4
) = = 457,2 (г).
100% 100%
5
II. Молярная концентрация С
(х)
выражается числом молей растворенного
вещества, содержащегося в 1 л раствора. Единица измерения - моль/л. Молярная
концентрация может быть рассчитана по формуле
m
р.в-ва
ν
(х)
С
(х)
= или С
(х)
= ,
М
(х)
⋅ V V
где х - вещество;
М
(х)
- молярная масса растворенного вещества, г/моль;
V - объем раствора, л;
m
р.в-ва
- масса растворенного вещества, г;
ν
(х)
- количество растворенного вещества, моль.
Пример. В 2 л раствора фосфорной кислоты содержится 38 г H
3
PO
4
. Вы-
числить молярную концентрацию раствора.
Решение. Вычисляем молярную массу H
3
PO
4
:
М(H
3
PO
4
) = 1⋅3 +31 + 16 ⋅ 4 = 98 (г/моль).
Находим молярную концентрацию раствора:
m
р.в-ва
38
С
(х)
= , С(H
3
PO
4
) = = 0,194 (моль/л).
М
(х)
⋅ V 98 ⋅ 2
III. Молярная концентрация эквивалента (эквивалентная концентрация
или устаревшее название - нормальная концентрация) С
(1/Z Х)
показывает число
молей эквивалентов растворенного вещества, содержащегося в 1 л раствора. Еди-
ница измерения - моль/л.
n
(x)
m
(x)
С
(1/Z X)
= или С
(1/Z X)
= ,
V М
Э(х)
⋅ V
где n
(х)
- число молей эквивалентов растворенного вещества;
М
э(х)
- молярная масса эквивалента растворенного вещества, г/моль;
m
(х)
- масса растворенного вещества,г;
V - объем раствора, л;
1/Z - фактор эквивалентности (f
экв
).
Фактор эквивалентности - это число, показывающее, какая доля реальной
частицы вещества эквивалентна одному иону водорода в данной кислотно-
основной реакции или одному электрону в данной окислительно-
восстановительной реакции. Фактор эквивалентности может равняться единице
или может быть меньше ее.
Например:
f
экв
(HCl) = 1; f
экв.
(H
2
SO
4
) = 1/2.
f
экв
= 1/Z , где Z - число эквивалентности.
6
Масса 1 моля эквивалента элемента называется его молярной массой и чис-
ленно равна относительной массе эквивалента, выраженной в г/моль. Молярная
масса эквивалента равна произведению фактора эквивалентности на молярную
массу вещества:
М
(х)
М
э(х)
= f
экв
⋅ М
(х)
= .
Z
Для определения числа эквивалентности Z необходимо учитывать класс не-
органического вещества и тип протекающей химической реакции. Так, для гид-
роксидов Z определяется числом гидроксильных групп, т.е. кислотностью. На-
пример:
М[Al(OH)
3
] 78
М
э
[Al(OH)
3
] = = = 26 (г/моль).
3 3
Для кислот Z определяется числом ионов водорода, способных замещаться
на ионы металла, т.е. основностью кислоты, например:
M(H
2
SO
4
) 98
М
э
(H
2
SO
4
) = = = 49 (г/моль).
2 2
Для солей Z определяется произведением валентности металла на число
атомов металла, например:
M(CaCl
2
) 111
M
э
(CaCl
2
) = = = 55,5 (г/моль).
2⋅ 1 2
Если известна молярная концентрация раствора C
(х)
, то молярная концен-
трация эквивалента С
(1/Z X)
может быть найдена по формуле
C
(1/Z X)
= C
(x)
⋅ Z.
Пример 1. Сколько граммов Na
2
SO
4
потребуется для приготовления 2 л
раствора с молярной концентрацией эквивалента 0,4 моль/л? Чему равна молярная
концентрация этого раствора?
Решение. Определим молярную массу эквивалента соли Na
2
SO
4
:
M(Na
2
SO
4
) 142
M
э
(Na
2
SO
4
) = = = 71 (г/моль).
2⋅1 2
Используя формулу для расчета молярной концентрации эквивалента
m
р.в-ва
С(1/Z х) = , находим массу Na
2
SO
4
:
M
э(х)
⋅V
m(Na
2
SO
4
) = C
1/Z
(Na
2
SO
4
) ⋅ M
э
(Na
2
SO
4
) ⋅ V = 0,4 ⋅ 71 ⋅ 2 = 56,8 (г).
7
Молярная концентрация этого раствора :
C
1/Z
( Na
2
SO
4
) 0,4
C(Na
2
SO
4
) = = = 0,2 (моль/л).
Z 2
Пример 2. 20,0 мл раствора хлорида калия реагируют с 23,5 мл раствора
нитрата серебра, молярная концентрация эквивалента которого равна 0,02 моль/л.
Вычислить молярную концентрацию эквивалента раствора хлорида калия .
Решение. По закону эквивалентов объемы реагирующих растворов обратно
пропорциональны их молярным концентрациям эквивалентов:
V(KCl) C
1/Z
(AgNO
3
) 23,5 ⋅ 0,02
=
, С
1/Z
(KCl) = = 0,02 (моль/л).
V(AgNO
3
) C
1/Z
(KCl) 20
1V. Моляльная концентрация C
m
выражается числом молей растворенно-
го вещества, содержащихся в 1000 г растворителя. Единица измерения - моль/кг
или моль/1000 г H
2
O.
m
р.в-ва
⋅ 1000
C
m
= ,
M
(х)
⋅ m
р-ля
где m
р-ля
- масса растворителя.
Пример 1. Определить моляльную концентрацию раствора, содержащего 54
г глюкозы C
6
H
12
O
6
в 250 г воды.
Решение. Зная молярную массу глюкозы:
М(C
6
H
12
O
6
) = 12⋅6 + 12⋅1 + 16⋅6 = 180 (г/моль), находим
m(C
6
H
12
O
6
) ⋅ 1000
С
m
= ,
M(C
6
H
12
o
6
) ⋅ m(H
2
O)
54 ⋅ 1000
С
m
= = 1,2 (моль/ 1000 г H
2
O).
180 ⋅ 250
Пример 2. Определить моляльную концентрацию 10%-ного водного рас-
твора этилового спирта C
2
H
5
OH.
Решение. Находим молярную массу этилового спирта:
M(C
2
H
5
OH) = 12⋅2 + 1⋅5 + 16 + 1 = 46 (г/моль).
В условии дана массовая доля растворенного вещества, что позволяет в
формуле для расчета С
m
использовать числа единиц массы растворенного вещест-
ва (10 ед.м. C
2
H
5
OH) и растворителя (90 ед.м. H
2
O):
m(C
2
H
5
OH) ⋅ 1000 10 ⋅ 1000
8
С
m
= = = 2,4 (моль/1000 г H
2
O).
M(C
2
H
5
OH) ⋅ m(H
2
O) 46 ⋅ 90
ВАРИАНТЫ КОНТРОЛЬНЫХ ЗАДАНИЙ
Вариант 1
1. К 200 г 30% раствора нитрата калия прилили 200 мл воды. Определите массо-
вую долю полученного раствора.
2. Сколько граммов растворенных веществ содержится:
а) в 2 л раствора H
2
SO
4
с молярной концентрацией 1 моль/л;
б) в 200 мл раствора H
3
PO
4
с молярной концентрацией эквивалента 0,1 моль/л?
Вариант 2
1. Сколько граммов сульфата натрия потребуется для приготовления 5 л 8%-ного
раствора, плотность которого равна 1,2 г/мл?
2. Сколько граммов растворенных веществ содержится:
а) в 1 л раствора NaNO
3
с молярной концентрацией 0,5 моль/л;
б) в 200 мл раствора Cu(NO
3
)
2
с молярной концентрацией эквивалента 0,1 моль/л?
Вариант 3
1. Сколько миллилитров 68%-ного раствора азотной кислоты (пл.1,4 г/мл) и воды
потребуется для приготовления 40 г 12%-ного раствора?
2. Сколько граммов растворенных веществ содержится:
а) в 100 мл раствора BaCl
2
с молярной концентрацией 0,5 моль/л;
б) в 50 мл раствора Fe
2
(SO
4
)
3
с молярной концентрацией эквивалента 0,1 моль/л?
Вариант 4
1. Вычислить массовую долю раствора нитрата калия (пл. 1,14 г/мл) с молярной
концентрацией 1 моль/л.
2. Сколько граммов растворенных веществ содержится:
а) в 2 л раствора Na
2
SO
4
с молярной концентрацией 2 моль/л;
б) в 300 мл раствора Pb(NO
3
)
2
с молярной концентрацией эквивалента 0,5 моль/л?
Вариант 5
1. Какова массовая доля раствора, полученного растворением 2,5 молей гидрокси-
да натрия в 900 г воды?
2. Сколько граммов растворенных веществ содержится:
а) в 500 мл раствора NaCl с молярной концентрацией 0,2 моль/л;
б) в 1 л раствора K
2
CO
3
с молярной концентрацией эквивалента 2 моль/л?
Вариант 6
9
1. Сколько миллилитров 30%-ного H
2
SO
4
(пл.1,22 г/мл) нужно взять для приго-
товления 2 л раствора с молярной концентрацией эквивалента 0,5 моль/л?
2. Сколько граммов растворенных веществ содержится:
а) в 5 л раствора KNO
3
с молярной концентрацией 0,2 моль/л;
б) в 100 мл раствора H
3
PO
4
c молярной концентрацией эквивалента 0,5 моль/л?
Вариант 7
1. Какова массовая доля кислоты, если к 500 мл 32%-ного раствора кислоты (пл.
1,2 г/мл) прибавить 2 л воды?
2. Сколько граммов растворенных веществ содержится:
а) в 3 л раствора KCl с молярной концентрацией 2 моль/л;
б) в 400 мл раствора CH
3
COOH с молярной концентрацией эквивалента
0,5 моль/л?
Вариант 8
1. К 1600 г раствора гидроксида натрия (пл.1,18 г/мл) с молярной концентрацией 5
моль/л добавили 200 г 20%-ного раствора NaOH. Определить массовую долю по-
лученного раствора.
2. Сколько граммов растворенных веществ содержится:
а) в 500 л раствора AlCl
3
с молярной концентрацией 0,2 моль/л;
б) в 2 л раствора H
2
SO
4
с молярной концентрацией эквивалента 2 моль/л?
Вариант 9
1. Сколько граммов хлорида калия следует растворить в 100 г воды для получения
5%-ного раствора?
2. Сколько граммов растворенных веществ содержится:
а) в 100 мл раствора HCl с молярной концентрацией 2 моль/л;
б) в 200 мл раствора Fe
2
(SO
4
)
3
с молярной концентрацией эквивалента 0,5 моль/л?
Вариант 10
1. К 180 г 32%-ного раствора сахара прилили 150 мл воды. Вычислить массовую
долю полученного раствора.
2. Сколько граммов растворенных веществ содержится:
а) в 600 мл раствора AgNO
3
с молярной концентрацией 0,2 моль/л;
б) в 2 л раствора K
2
SO
4
с молярной концентрацией эквивалента 2 моль/л?
Вариант 11
1. Сколько граммов воды и бромида натрия необходимо для приготовления 500 г
15%-ного раствора?
2. Сколько граммов растворенных веществ содержится:
а) в 300 мл раствора NiCl
2
с молярной концентрацией 0,5 моль/л;
б) в 2 л раствора H
3
PO
4
с молярной концентрацией эквивалента 1 моль/л?
Вариант 12
10
1. Сколько миллилитров 40%-ного раствора фосфорной кислоты (пл.1,25г/мл) по-
требуется для приготовления 400 мл раствора с молярной концентрацией 0,25
моль/л ?
2. Сколько граммов растворенных веществ содержится:
а) в 0,5 л раствора Na
2
SiO
3
с молярной концентрацией 2 моль/л;
б) в 3 л раствора CuCl
2
с молярной концентрацией эквивалента 0,25 моль/л?
Вариант 13
1. Вычислите массовую долю нитрата серебра (пл.1,18 г/мл) в растворе с моляр-
ной концентрацией 1,4 моль/л.
2. Сколько граммов растворенных веществ содержится:
а) в 2 л раствора H
2
SO
4
c молярной концентрацией 1 моль/л;
б) в 200 мл раствора H
3
PO
4
с молярной концентрацией эквивалента 0,1 моль/л?
Вариант 14
1. В какой массе воды следует растворить 50 г NaCl, чтобы получить его 2%-ный
раствор?
2. Сколько граммов растворенных веществ содержится:
а) в 250 мл раствора HNO
3
с молярной концентрацией 1 моль/л;
б) в 5 л раствора NaBr с молярной концентрацией эквивалента 0,5 моль/л?
Вариант 15
1. В какой массе воды следует растворить 40 г KBr, чтобы получить его 14%-ный
раствор?
2. Сколько граммов растворенных веществ содержится:
а) в 2 л раствора H
3
PO
4
c молярной концентрацией 0,1 моль/л;
б) в 300 мл раствора CH
3
COOH с молярной концентрацией эквивалента
1,5 моль/л?
Вариант 16
1. Какую массу NaNO
3
нужно растворить в 400 г воды, чтобы приготовить рас-
твор с массовой долей соли 20%?
2. Сколько граммов растворенных веществ содержится:
а) в 3 л раствора HCl с молярной концентрацией 1 моль/л;
б) в 300 мл раствора H
2
SO
4
с молярной концентрацией эквивалента 0,1 моль/л?
Вариант 17
1. Из 700 г раствора серной кислоты с массовой долей H
2
SO
4
60% выпариванием
удалили 200 г воды. Чему равна массовая доля H
2
SO
4
оставшегося раствора?
2. Сколько граммов растворенных веществ содержится:
а) в 500 мл раствора SnCl
2
с молярной концентрацией 2 моль/л;
б) в 1 л раствора HCl с молярной концентрацией эквивалента 0,1 моль/л?
Вариант 18