3.3 Задачи индивидуального расчетного задания

Химическая кинетика и равновесие

129. Окисление серы и ее диоксида протекает по уравнениям:

а) S(к) + O₂ = SO₂(г);

б) 2SO₂(г) + О₂ = 2SO₃(г).

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

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

131. Реакция идет по уравнению N₂ + O₂ = 2NO. Концентрации исходных веществ до начала реакции были: С(N₂) = 0,049 моль/л; С(O₂) = 0,01 моль/л. Вычислите концентрацию этих веществ в момент, когда [NO] = 0,005 моль/л.

Ответ: [N₂] = 0,0465 моль/л; [O₂]= 0,0075 моль/л.

132. Реакция идет по уравнению N₂+3H₂=2NH₃. Концентрации участвующих в ней веществ были: С(N₂) = 0,80 моль/л; C(H₂) = 1,5 моль/л; C(NH₃) = 0,10 моль/л. Вычислите концентрацию водорода и аммиака, когда [N₂] = 0,5 моль/л.

Ответ: [NH₃] = 0,70 моль/л; [H₂] = 0,60 моль/л.

133. Реакция идет по уравнению H₂ + I₂ = 2HI. Константа скорости этой реакции при некоторой температуре равна 0,16. Исходные концентрации реагирующих веществ: C(H₂) = 0,04 моль/л; C(I₂) =0,05 моль/л. Вычислите начальную скорость реакции и ее скорость, когда [H₂] = 0,03 моль/л.

Ответ: 3,2 · 10^-4; 1,92 · 10^-4.

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

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

136. Во сколько раз изменится скорость реакции, протекающей в газовой фазе, при понижении температуры на 300 ^oС, если температурный коэффициент скорости данной реакции 2?

137. В гомогенной системе СО + Cl₂ ↔ COCl₂ равновесные концентрации реагирующих веществ: [CO] = 0,2 моль/л; [Cl₂] = 0,3 моль/л; [COCl₂] = 1,2 моль/л. Вычислите константу равновесия системы и исходные концентрации хлора и СО.

Ответ: К = 20; C(Cl₂) = 1,5 моль/л; C(CO)= 1,4 моль/л.

138. В гомогенной системе А + 2В = С равновесные концентрации реагирующих газов: [A] = 0,06 моль/л; [B] = 0,12 моль/л; [C] = 0,216 моль/л. Вычислите константу равновесия системы и исходные концентрации веществ А и В.

Ответ: К = 250; C(A)= 0,276 моль/л; C(B)= 0,552 моль/л.

139. В гомогенной газовой системе А + B↔C + D равновесие установилось при концентрациях: [B] = 0,05 моль/л и [C] = 0,02 моль/л. Константа равновесия системы равна 0,04. Вычислите исходные концентрации веществ А и В.

Ответ: C(A) = 0,22 моль/л; C(B) = 0,07 моль/л.

140. Константа скорости реакции разложения N₂O, протекающей по уравнению 2N₂O = 2N₂ + O₂, равна 5 · 10^-4. Начальная концентрация N₂O = 6,0 моль/л. Вычислите начальную скорость реакции и ее скорость, когда разложится 50 % N₂O.

Ответ: 1,8 ·10^-2; 4,5 · 10^-3.

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

142. Напишите выражение для константы равновесия гетерогенной системы С + Н₂О(г) ↔ СО + Н₂. Как следует изменить концентрацию и давление, чтобы сместить равновесие в сторону обратной реакции – образования водяных паров?

143. Равновесие гомогенной системы: 4НСl(г) + О₂ ↔ 2Н₂О(г) + + 2Cl₂(г) установилось при следующих концентрациях реагирующих веществ: [H₂O] = 0,14 моль/л; [Cl₂] = 0,14 моль/л; [HCl] = 0,20 моль/л; [O₂] = 0,32 моль/л. Вычислите исходные концентрации хлороводорода и кислорода.

Ответ: [HCl]_исх = 0,48 моль/л; [O₂]_исх = 0,39 моль/л.

144. Вычислите константу равновесия для гомогенной системы: CO(г) + H₂O(г) ↔ CO₂(г)+H₂(г), если равновесные концентрации реагирующих веществ: [CO] = 0,004 моль/л; [H₂O] = 0,064 моль/л; [CO₂] = =0,016 моль/л; [H₂] = 0,016 моль/л. Чему равны исходные концентрации воды и СО?

Ответ: К = 1; C(H₂O) = 0,08 моль/л; C(CO) = 0,02 моль/л.

145. Константа равновесия гомогенной системы СО(г) + Н₂О(г) ↔ СО₂ + Н₂(г) при некоторой температуре равна 1. Вычислите равновесные концентрации всех реагирующих веществ, если исходные концентрации: C(CO) = 0,10 моль/л; C(H₂O) = 0,40 моль/л.

Ответ: [CO₂] = [H₂] = 0,08 моль/л; [CO] = 0,02 моль/л.; [H₂O] = =0,32 моль/л.

146. Константа равновесия гомогенной системы N₂ + 3H₂↔2NH₃ при некоторой температуре равна 1. Равновесные концентрации водорода и аммиака соответственно равны 0,2 и 0,08 моль/л. Вычислите равновесную и исходную концентрацию азота.

Ответ: [N₂] = 8 моль/л; C(N₂) = 8,04 моль/л.

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

Ответ: К = 2,5; C(NO) = 0,3 моль/л; C(O₂) = 0,15 моль/л.

148. Почему при изменении давления смещается равновесие системы: N₂ + 3H₂ ↔ 2NH₃ и не смещается равновесие системы N₂ + O₂ ↔ ↔2NO? Ответ мотивируйте на основании расчета скорости прямой и обратной реакций в этих системах до и после изменения давления. Напишите выражения для констант равновесия каждой из данных систем.

149. Исходные концентрации в гомогенной системе:

2NO + Cl₂ ↔ 2NOCl составляют соответственно 0,5 и 0,2 моль/л. Вычислите константу равновесия, если к моменту наступления равновесия прореагировало 20 % NO.

Ответ: 0,416.

150. Во сколько раз изменится скорость реакции 2А + В↔А₂В, если концентрацию вещества А увеличить в 2 раза, а концентрацию вещества В уменьшить в два раза?

Ответ: возрастает в 2 раза.

151. Через некоторое время после начала реакции 3A + B↔2C + D концентрации веществ составляли: [А] = 0,03 моль/л; [В] = 0,01 моль/л; [С] = 0,008 моль/л. Каковы исходные концентрации веществ А и В?

Ответ: С(A) = 0,042 моль/л; C(B)= 0,014 моль/л.

152. В системе СО + Cl₂↔СОCl₂ концентрацию СО увеличили от 0,03 до 0,12 моль/л, а концентрацию хлора – от 0,02 до 0,06 моль/л. Во сколько раз возросла скорость прямой реакции?

Ответ: в 12 раз.

153. Как изменится скорость реакции 2NO(г) + О₂(г) ↔2NO₂(г), если:

а) увеличить давление в системе в 3 раза;

б) уменьшить объём системы в 3 раза;

в) повысить концентрацию NO в 3 раза?

Ответ мотивируйте на основании расчета скорости прямой реакции до и после изменения условий.

154. Чему равен температурный коэффициент скорости реакции, если при увеличении температуры на 30 градусов скорость реакции возрастает в 15,6 раза?

Ответ: 2,5.

155. Температурный коэффициент скорости некоторой реакции равен 2,3. Во сколько раз увеличится скорость этой реакции, если повысить температуру на 25 градусов?

Ответ: в 8 раз.

156. Равновесие в системе Н₂(г) + I₂(г) ↔ 2 НI(г) установилось при следующих концентрациях: [H₂] = 0,025 моль/л; [I₂] = 0,005 моль/л; [HI] = 0,09 моль/л. Определить исходные концентрации йода и водорода.

Ответ: C(H₂) = 0,07 моль/л; C(I₂) = 0,05 моль/л.

157. В каком направлении сместятся равновесия:

2СО(г) + О₂(г) ↔ 2СО₂(г); ∆_fН = – 566 кДж;

N₂(г) + О₂(г) ↔ 2NО(г); ∆_fН = 180 кДж

а) при понижении температуры; б) при повышении давления?

158. Как повлияет на равновесие следующих реакций:

2Н_2(г) + О_2(г)↔2Н₂О_(г); ∆_fН = – 483,6 кДж;

СаСО_3(к) ↔ СаО_(к) + СО_2(г); ∆_fН =179 кДж

а) повышение давления; б) повышение температуры?

159. Указать, какими изменениями концентраций реагирующих веществ и давления можно сместить вправо равновесие реакции СО₂(г) + С(графит) ↔2СО(г).

160. В загрязненном воздухе содержится примесь CO, которая образуется при неполном сгорании твердого топлива и при работе двигателей внутреннего сгорания. Монооксид углерода медленно окисляется кислородом воздуха до диоксида углерода. При определенных условиях скорость такой реакции составляет 0,05 моль / (л^.с), а концентрация CO₂ становится равной 0,2 моль/л. Рассчитайте концентрацию CO₂ через 10 с после указанного момента.

Ответ: 0,7 моль/л.

161. Один из важных видов сырья для органического синтеза – «водяной газ», смесь водорода и монооксида углерода, которая получается при пропускании водяного пара через башни, наполненные раскаленным углем. Водяной газ служит для получения метанола, формальдегида и других химических продуктов. Рассчитайте значение константы скорости реакции получения водяного газа, если при концентрации H₂O, равной 0,03 моль/л, скорость реакции составляет 6,1 ^. 10^-5 моль / (л^.с).

Ответ: 2,0 ^. 10^-3 с^-1.

162. Атмосферные загрязнения постепенно уничтожают защитный озоновый слой Земли. В реакциях разложения озона участвуют многие газы, но прежде всего оксиды азота. Взаимодействие монооксида азота с озоном приводит к образованию кислорода и диоксида азота. Рассчитайте скорость этой реакции, если через 25 с после начала реакции молярная концентрация озона была 0,8 моль/л, а через 55 с (от начала реакции) стала равна 0,02 моль/л.

Ответ: 0,026 моль/(л ^. с).

163. На больших высотах солнечное излучение вызывает диссоциацию молекул кислорода на атомы. Столкновение атомов кислорода и молекул кислорода приводит к образованию озона, слой которого защищает Землю от коротковолнового излучения Солнца, смертельно опасного для живых организмов. Определите скорость этой реакции, если через 1 мин после ее начала концентрация озона была равна 0,024 моль/л, а через 2 мин после этого момента − 0,064 моль/л.

Ответ: 6,7 ^. 10^-4 моль/(л ^. с).

164. Причиной образования опасного для здоровья тумана – «смога» − считают большое количество выхлопных газов автомобилей при высокой влажности воздуха. Помимо озона, в смоге присутствует ядовитый диоксид азота, который получается по реакции монооксида азота с атомарным кислородом. Рассчитайте скорость этой реакции, если через 5 минут после ее начала концентрация диоксида азота стала равна 0,05 моль/л, а через 20 минут − 0,08 моль/л.

Ответ: 3,3 ^. 10^-5 моль/(л^.с).

165. Энергия активации реакции разложения иодида водорода при использовании катализатора платины уменьшается с 168 до 59 кДж/моль. Во сколько раз возрастет скорость реакции при 500 К?

166. Скорость реакции окисления SO₂ при температуре 710 К под действием промотора возрастает в 500 раз. Если считать уменьшение энергии активации основной причиной ускорения реакции, то насколько уменьшится энергия активации?

167. Одной из реакций, протекающих на катализаторе нейтрализаторов выхлопных газов, может быть взаимодействие CO с NO₂: CO+ + NO₂ = CO₂ + NO. Если при замене катализатора энергия активации при температуре 700 К снизилась на 92 кДж/моль, то во сколько раз возросла скорость реакции?

Термохимические расчеты

168. Вычислите количество теплоты, которое выделится при восстановлении Fе₂О₃ металлическим алюминием, если было получено 335,1 г железа.

169. Газообразный этиловый спирт С₂Н₅ОН можно получить при взаимодействии этилена С₂Н₄(г) и водяных паров. Напишите термохимическое уравнение этой реакции, предварительно вычислив ее тепловой эффект.

170. Вычислите тепловой эффект реакции восстановления оксида железа (II) водородом, исходя из следующих термохимических уравнений:

FеО(к)+СO(г) = Fе(к)+СO₂(г); ∆ H = –13,18 кДж;

СO(г) + 0,5О₂(г) = CO₂(г); ∆ Н = –283,0 кДж;

Н₂(г)+ 0,5О₂(г) = Н₂О(г); ∆ Н = –241,83 кДж.

171. При взаимодействии газообразных сероводорода и диоксида углерода образуются пары воды и сероуглерод CS₂(г). Напишите термохимическое уравнение этой реакции, предварительно вычислите ее тепловой эффект.

172. Напишите термохимическое уравнение реакции между СО(г) и водородом, в результате которой образуются СН₄(г) и Н₂О(г). Сколько теплоты выделится при этой реакции, если было получено 67,2 л метана в пересчете на нормальные условия?

173. Тепловой эффект какой реакции равен теплоте образования NO? Вычислите теплоту образования NO, исходя из следующих термохимических уравнений:

4NН₃+5O₂ (г)=4NO(г)+6Н₂О(ж); ∆Н = –1168,80 кДж; 4NН₃+3O₂(г)=2N₂(г)+6Н₂ О(ж); ∆Н = –1530,28 кДж.

174. Кристаллический хлорид аммония образуется при взаимодействии газообразных аммиака и хлороводорода. Напишите термохимическое уравнение этой реакции, предварительно вычислив ее тепловой эффект. Сколько теплоты выделится, если в реакции было израсходовано 10 л аммиака в пересчете на нормальные условия?

175. Тепловой эффект какой реакции равен теплоте образования метана? Вычислите теплоту образования метана, исходя из следующих термохимических уравнений:

а) Н₂(г) + 0,5О₂ = Н₂О(ж); ∆Н = – 285,84 кДж;

б) С(графит) + О₂(г) = СО₂ (г); ∆Н = – 393,51 кДж;

в) СН₄ (г) + 2О₂(г) = СО₂(г) + 2Н₂О(ж); ∆Н = – 890,31 кДж.

Энтропия. Энергия Гиббса

176. Вычислите изменение энтропии в реакциях:

а) Н₂О(ж) + О₃ Н₂О₂(ж) + О₂;

б) СН₄ + ЗСО₂  4СО + 2Н₂О(г).

2. Вычислите ∆G° образования СН₄, С₂Н₄ и NH₃, исходя из значений ∆Н°_обр и изменения энтропии ∆S°. Полученные величины сравните с данными, приведенны­ми в таблице.

177. Вычислите ∆G° следующих реакций и определи­те, в каком направлении они будут протекать, если все вещества взяты при стандартных условиях:

а) 2N₂O + О₂ ↔ 4NO;

б) N₂O + NO ↔ NO₂ + N₂.

178. Стандартное изменение энергии Гиббса реакции H₂ + Сl ₂= 2НСl при 3500 К равно (-226768) Дж. В каком направлении пойдет реакция при этой температуре и давлении 20 атм, если смешать по 0,5 моль H₂ и Cl₂ и 29 моль HCl?

179. Определите стандартную энтропию реакции сгорания метана, используя табличные данные.

180. Определите знак энтропии реакции, протекающей в нейтрализаторах автомобилей: СО + ½ О₂= СО₂без проведения расчетов. Поясните.

181. Рассчитайте энтропийный фактор реакции сгорания метана до водяного пара и диоксида углерода в стандартном состоянии реагентов при 298 К и сравните его с энтальпийным фактором при этих же условиях.

182. При сгорании топлива, содержащего серу, образуется диоксид серы. Возможно ли самопроизвольное окисление диоксида серы до SO₃при стандартных состоянияхSO₂иSO₃и при температуре 298 К. Ответ подтвердите расчетом.

183. Возможно ли самопроизвольное окисление азота по уравнению: ½ N₂+O₂=NO₂ при стандартных состоянияхN₂,O₂иNO₂ при 298 К и других температурах? Ответ подтвердите расчетом.

184. Рассчитайте S⁰₂₉₈по таблицам стандартных термодинамических величин для реакции С(графит) + СО₂ = 2СО.

185. Вычислить стандартное изменение энергии Гиббса образования метана, этилена и аммиака, исходя из табличных значений изменения стандартных значений энтальпии и энтропии. Полученные значения сравнить с табличными данными изменения энергии Гиббса.

186. Для каких оксидов принципиально осуществима реакция восстановления водородом в стандартных условиях:

а) Rb₂O∆G° = –291 кДж/моль;

б) СuO ∆G° = –129 кДж/моль.

187. Пользуясь значениями G⁰₂₉₈ образования отдельных соединений, вычислитьG⁰₂₉₈реакций:

а) COCl₂ = CO + Cl₂;

б) SO₂ + NO₂ = SO₃ + NO

и определите возможно ли их осуществление в стандартных условиях.

188. Пользуясь табличными данными, вычислить стандартное изменение энтропии в реакциях:

а) H₂S + Cl₂ = 2HCl + S(г);

б) SO₃(г) =SO₂+ 1/2O₂.

189. Рассчитайте энергию Гиббса химической реакции синтеза аммиака ½ N₂+ 3/2H₂=NH₃ при 298 К и равновесных концентрацияхN₂ = 0,5 моль/л,H₂ = 0,5 моль/л,NH₃ = 2 моль/л.

190.Укажите области температур, при которых реакция CH₃OH(ж) = СO+ 2H₂может самопроизвольно проходить в прямом направлении, принимая, что реагенты находятся в стандартных состояниях и значенияH⁰ иS⁰ не зависят от температуры.

191. Можно ли предсказать влияние температуры на направление реакции, если известна ее энтальпия. Ответ подтвердите на примере какой-либо реакции.

192. Вычислите G⁰_298. для следующих реакций:

а) 2NaF(к) + С1₂(г) = 2NаС1(к) + F₂ (г);

б) РbО₂(к) + 2Zn(к) = Рb(к) + 2ZnO(к).

Можно ли получить фтор по реакции (а) и восстановить РbО₂ цинком по реакции (б).

193. Восстановление Fe₃О₄ оксидом углерода идет по уравнению

Fe₃О₄(к)+СО(г)=3FеО(к)+СО₂(г).

Вычислите G⁰₂₉₈ и сделайте вывод о возможности самопроизвольного протекания этой реакции при стандартных условиях. Чему равно S⁰₂₉₈ в этом процессе?

194. Реакция горения ацетилена идет по уравнению

С₂Н₂ (г) + 2,5О₂(г) = 2СО₂(г) + Н₂О(ж).

Bычислите G⁰₂₉₈, S⁰₂₉₈. Объясните уменьшение энтропии в результате этой реакции.

195. Уменьшается или увеличивается энтропия при переходах: а) воды в пар; б) графита в алмаз? Почему? Вычислите S⁰₂₉₈ для каждого превращения. Сделайте вывод о количественном изменении энтропии при фазовых и аллотропических превращениях.

196. Чем можно объяснить, что при стандартных условиях невозможна экзотермическая реакция:

Н₂(г) + СО₂(г) = СО(г) + Н₂О(ж); ∆Н = –2,85 кДж.

Зная тепловой эффект реакции и абсолютные стандартные энтропии соответствующих веществ, определите G⁰₂₉₈ этой реакции.

197. Прямая или обратная реакция будет протекать при стандартных условиях в системе 2NO(г) + О₂(г) 2NO₂(г)? Ответ мотивируйте, вычислив G⁰₂₉₈ прямой реакции.

199. Исходя из значений стандартных теплот образования и абсолютных стандартных энтропий соответствующих веществ. Вычислите  G⁰₂₉₈ реакции, протекающей по уравнению: NH₃ (г) + HCl(г) = = NH₄Cl(к). Может ли эта реакция при стандартных условиях идти самопроизвольно?

200. При какой температуре наступит равновесие системы:

СО(г) + 2Н₂(г) = СН₃ОН(ж); ∆Н = –128,05 кДж.

201. При какой температуре наступит равновесие системы:

СН₄(г) + СО ₂(г) = 2СО(г) + 2Н₂(г); ∆Н = 247,37 кДж.

202. На основании стандартных теплот образования и абсолютных стандартных энтропий соответствующих веществ вычислите G⁰₂₉₈ реакции, протекающей по уравнению 4NH₃(г) + 5О₂(г) =4NO(г)+ + 6Н₂О(г). Возможна ли эта реакция при стандартных условиях?

203. На основании стандартных теплот образования и абсолютных стандартных энтропий соответствующих веществ вычислите G⁰₂₉₈ реакции, протекающей по уравнению СО₂(г) + 4Н₂(г) = СН₄(г) + + 2Н₂О(ж). Возможна ли эта реакция при стандартных условиях?

204. Вычислите  H⁰, S⁰ и G⁰_T реакции, протекающей по уравнению Fе₂O₃ (к) + 3H₂(г) = 2Fe(к) + 3H₂O(г). Возможна ли реакция восстановления Fе₂O₃ водородом при 500 и 2000 К?

205. Какие из карбонатов: ВеСО₃, СаСО₃ или ВаСО₃ – можно получить при взаимодействии соответствующих оксидов с СО₂ ? Какая реакция идет наиболее энергично? Вывод сделайте, вычислив G⁰₂₉₈ реакций.