Химия - Часть 2 (Задания 15, 32, 43, 67, 84, 101, 137) - БГУИР

Оглавление

Задание № 15 3

Задание № 32 4

Задание №43 5

Задание № 67 6

Задание № 84 8

Задание №101 10

Задание №137 12

Задание № 15

Рассчитайте тепловой эффект реакции

4 NH_3(г) + 3 O_2(г) = 2N_2(г) + 6H₂О_(ж),

протекающей при стандартном давлении ( Р = 101 кПа ) и Т = 323 К. Теплоемкость веществ в интервале 298 – 323 К остается постоянной – С_р ≠ f (T).

Решение.

Поскольку теплоемкость остается постоянной, то тепловой эффект реакции рассчитываем по уравнению:

ΔН⁰₃₂₃ = ΔН⁰₂₉₈ + ΔС⁰_{р 298} ( 323 - 298)

ΔН⁰₂₉₈ = 6 ΔН⁰ (Н₂О_(ж)) - 4 ΔН⁰ (NH_3(г)) = 6·(- 285,83) - 4·(- 45,94) = - 1531,22 кДж

ΔС⁰_{р 298} = 2 С₀ (N_2(г)) + 6 С₀ (Н₂О_(ж)) - 4 С₀ (NH_3(г)) - 3 С₀ (О_2(г)) =

2·29,12 + 6·75,3 - 4·35,1 - 3·29,37 = 281,53 Дж/К

ΔН⁰₃₂₃ = -1531,22 + 281,53·10^-3 (323 -298) = - 1524,18 кДж

Задание № 32

Реакция восстановления Fe₂O₃ алюминием протекает по уравнению

Fe₂O_{3 (к)} + 2 Al_(к) = Al₂O_3(к) + 2 Fe_(к)

Вычислите стандартное изменение энтропии, если на восстановление оксида железа (III) потребовалось 250 г Al.

Решение

Рассчитаем ΔS⁰₂₉₈ реакции по уравнению

ΔS⁰₂₉₈ = S⁰(Al₂O_3(к)) + 2 S⁰(Fe_(к)) - S⁰(Fe₂O_3(к)) – 2 S⁰ (Al_(к)) =

50,92 + 2·27,15 - 87,45 - 2·28,33 = - 38,89 Дж/К

Согласно уравнению в реакцию вступает 2 моль Al, или 54 г. Т.к. на восстановления оксида железа (III) потребовалось 250 г Al, то численное значение стандартного изменения энтропии будет:

ΔS⁰₂₉₈ · 250

ΔS₂₉₈ = ————— = - 180,05 Дж/К

54

Задание №43

Определите термодинамическую возможность протекания реакции

MgO_(к) + H_2(г) = Mg_(к) + H₂O_(г)

При стандартном давлении и температуре 998 К, С_р ≠ f (T).

Решение

Протекание реакции возможно при ΔG < 0.

ΔG⁰₉₉₈ = ΔH⁰₉₉₈ - 998 ΔS⁰₉₉₈

ΔH⁰₉₉₈ = ΔH⁰₂₉₈ + ΔC⁰ _{р 298} (998 - 298)

998

ΔS⁰₉₉₈ = ΔS⁰₂₉₈ + ΔC⁰ _{р 298} ln ——

298

ΔH⁰₂₉₈ = ΔH⁰(Н₂О_(г)) - ΔH⁰(MgO_(к)) = - 241,81 – (- 601,49) = 359,68 кДж

ΔC⁰ _{р 298} = С⁰ _р (Mg_(к)) + С⁰_р(Н₂О_(г)) - С⁰_р(MgO_(к)) - С⁰_р(Н_2(г)) =

24,89 + 33,61 – 37,20 – 28,83 = - 7,53 Дж/К

ΔS⁰ ₂₉₈ = S⁰ (Mg_(к)) + S⁰(Н₂О_(г)) - S⁰(MgO_(к)) - S⁰(Н_2(г)) =

32,68 + 188,72 – 27,07 – 130,52 = 63,81 Дж/К

Δ H⁰₉₉₈ = 359,68 – 7,53·10^-3·700 = 354,409 кДж

Δ S⁰₉₉₈ = 63,81 -7,53 ln 3,34 = 54,70 Дж/К

ΔG⁰₉₉₈ = 354,409 – 998·54,70·10^-3 = 299,82

ΔG⁰₉₉₈ > 0, следовательно, протекание реакции невозможно.

Задание № 67

Постройте диаграмму состояния системы Cd – Bi в координатах «состав - температура» по следующим данным:

Содержание Bi, масс.% 0 20 40 60 80 100

Содержание Cd, масс.% 100 80 60 40 20 0

T нач. кр., ⁰С 320 290 240 145 190 270

T кон. кр., ⁰С 320 145 145 145 145 270

Приведите полное название диаграммы, обозначьте фазовые поля. Укажите эвтектический состав и эвтектическую температуру. Для состава, соответствующего эвтектическому, постройте кривую охлаждения и укажите, как изменяются составы фаз в ходе охлаждения. Рассчитайте число степеней свободы на каждом участке кривой охлаждения.

Решение

Построенная диаграмма называется «диаграмма состояния с простой эвтектикой».

На диаграмме присутствуют 4 фазовых поля.

Фазовое поле I – область жидкого состояния системы.

Фазовое поле II – область двухфазного равновесного состояния системы, смесь расплава и кристаллов Cd.

Фазовое поле III – область двухфазного равновесного состояния системы, смесь расплава и кристаллов Bi.

Фазовое поле IV – область кристаллического состояния системы.

Эвтектический состав: 40% Cd и 60% Bi.

Эвтектическая температура: 145 ⁰С.

Число степеней свободы на кривой охлаждения для эвтектического состава рассчитываем в соответствии с правилом фаз Гиббса:

С = к – Ф + n

На участке 1-2 кривой охлаждения система однофазная (расплав).

С = 2 – 1 + 1 = 2

На участке 2-3 система трехфазная (расплав и кристаллы обоих компонентов).

С = 2 – 3 + 1 = 0

На участке 3 – 4 система двухфазная (смесь кристаллов 2 компонентов).

С = 2 – 2 + 1 = 1

Задание № 84

Составьте схему гальванического элемента из стандартного свинцового электрода и водородного в электролите с рН = 4. Запишите уравнения анодно – катодных процессов и суммарное уравнение токообразующей реакции. Рассчитайте ε, А^l_м, ΔG и К_р. Как изменятся процессы, если оба электрода будут стандартными?

Решение

Схема гальванического элемента:

Pb | Pb²⁺ || 2H⁺| H₂, Pt

Рассчитаем φ^р электродов:

φ^р(Pb²⁺/Pb) = φ⁰(Pb²⁺/Pb) = - 0,126 В

φ^р(2Н⁺/Н₂) = - 0,059 рН = - 0,059·4 = - 0,236 В

φ^р(2Н⁺/Н₂) < φ^р(Pb²⁺/Pb), следовательно, свинцовый электрод будет катодом, а водородный – анодом.

Уравнения катодно – анодных процессов имеют вид:

А: Н₂ – 2е = 2 Н⁺ φ_а = - 0,236 В

К: Pb²⁺ + 2е = Pb⁰ φ_к = - 0,126 В

Суммарное уравнение токообразующей реакции:

Н₂ + Pb²⁺ = Pb + 2H⁺

ЭДС гальванического элемента:

ε = φ_к - φ_а = - 0,126 + 0,236 = 0,110 В

Полезная работа гарьванического элемента:

А^l_м = nFε = 2·96500·0,110·10^-3 = 21,23 кДж

Изменение свободной энергии Гиббса электрохимической реакции:

ΔG = -nFε = -21,23 кДж

Константу равновесия К_р находим из уравнения:

nε 2·0,110

lg K_p = —— = ——— = 3,72

0,059 0,059

K_p = 5,2481· 10³

Если оба электрода будут стандартными, то

φ^р(2Н⁺/Н₂) = φ⁰(2Н⁺/Н₂) = 0

φ^р(2Н⁺/Н₂) > φ^р(Pb²⁺/Pb), следовательно, свинцовый электрод будет анодом, а водородный – катодом.

А: Pb⁰ – 2е = Pb²⁺ φ_а = - 0,126 В

К: 2 Н⁺ + 2е = Н₂ φ_к = 0

Суммарное уравнение токообразующей реакции:

2H⁺+ Pb = Н₂ + Pb²⁺

Задание №101

Составьте схему электролиза 1 М раствора CuCl₂ на графитовых электродах, уравнения электродных реакций и суммарное уравнение электролиза. Рассчитайте, как увеличилась масса катода, если на аноде выделилось 5,6 л газа (B_r = 100%). Определите количество прошедшего электричества и массу разложившейся соли.

Решение

1. Схема электролиза

| |

К(-) С| СuCl₂ , H₂O |С (+)А

__________| |________

К: A:

Cu²⁺ + 2e = Cu 2Cl^- - 2e = Cl₂

Суммарное уравнение электролиза:

I,A

CuCl₂ → Cu + Cl₂

_{2. Согласно уравнению электролиза, масса катода увеличивается за счет выделившейся меди}

=

m(Cu) = = = 16 (г)

_{Количество прошедшего электричества:}

_{Q =} = = 48200 K

_{Масса разложившейся соли:}

= = 33,75 (г)

Задание №137

Масса медного изделия, находящегося в условиях влажной атмосферы (Н₂О + О₂), уменьшилась за 3 ч на 9,6 г. Определите силу тока, возникшую при этом, и объем поглощенного О₂ (н.у.) . Запишите уравнения соответствующих процессов.

Решение

Силу тока, возникшего при коррозии, рассчитываем по формуле:

96500·n·Δm 96500·2 ·9,6

I = ————— = ————— = 2,68А

t·M 3·3600·64

Коррозия меди в присутствии Н₂О и О₂ будет протекать по следующей схеме:

А: Cu – 2е = Cu²⁺ φ_а = φ⁰(Cu²⁺/Cu) = 0,337 В

К: ½ О₂ + Н₂О + 2е = 2 ОН^- φ_к = φ^р(О₂/ОН^-) = 1,23 – 0,059 рН = 0,82 В

Суммарное уравнение:

Cu + ½ О₂ + Н₂О = Cu(OH)₂

Согласно уравнению реакции, на окисление 1 моль Cu расходуется ½ моль О₂

m(Cu) V(O₂)

——— = ————

M(Cu) ½ V_m(O₂)

m(Cu)·V_m(O₂) 9,6·22,4

V(O₂) = —————— = ———— = 1,68 л

M(Cu) · 2 64 · 2

12