Химия-03 / himia_2

mail to [e-mail]

1

Контрольная работа № 2

4. По стандартным энтальпиям образования веществ вычислите тепловой эффект реакции СаО(кр)+3С(кр) = СаС2(кр)+СО(г), протекающей при стандартных условиях.

Стандартные энтальпии образования веществ:
HCaO0 = −635.09 кДж/моль
HC0 = 0 кДж/моль									fo
H 0	= −62.7		кДж/моль
CaC2
HCO0	= −110.53 кДж/моль							n
Согласно закону Гесса
							.
						P
где n´ и n´´– стехиометрические коэффициенты, стоящие в уравнении реакцииi
Найдем тепловой эффект реакции:					L
H2980	= HCa0	С + HCO0 − HCaO0		E
H2980
	= –62.7 + (–110.53) – (–635.09) = 461.86 (кДж/моль)
Ответ: 461.86 кДж/моль				DH

34. Учитывая, что энтальпия парообразования воды 43,89 кДж/моль, рассчитайте изменение

энтропии при превращении 5 кг Н2О(ж) в пар.

U

Соотношение между значениями энтальпии и энтропии при фазовых превращениях для

одного моля вещества равно:

SФП =

HФП

,

T

T

где Т– температура фазового превращения,

К (температура кипения воды – 100+273 =

373 К).

.

w

m = 5000

= 277.8 (моль) Н О:

Рассчитаем изменение энтропии для n =

S

M

18

2

SФП = n

HФП = 277.8

43.89

= 32.69 (кДж/К)

373

w

T

Ответ: 32.69 кДж/К

53. Возможноw

ли самопроизвольное протекание реакции

SiО2(кр)+2СО(г) = Si(кр)+2СО2(г)

при стандартных условиях? Определите температуру наступления равновесия в данной системе.

Самопроизвольное протекание процессов при постоянстве температуры и давления возможно в таком направлении, при котором энергия Гиббса уменьшается G <0.

www.studhelp.info

mail to [e-mail]

2

Энергию Гиббса при стандартных условиях можно найти, зная изменение энтальпии и энтропии для реакции:

DG298 = DH298 -TDS298

Согласно закону Гесса:

DH298 = DHSi + 2DHCO2 - 2DHCO - DHSiO2 DS298 = DSSi + 2DSCO 2 - 2DSCO - DSSiO2

DH298 = 0 + 2(-393.51) - 2(-110.53) - (-910.94) = 344.98 (кДж/моль)

DS298 =18.83 + 2×213.66 - 2×197.55 - 41.84 = 9.21 (Дж/моль∙К)

DG298 = 344980 - 298×9.21 = 342235.42 (Дж/моль) или 342.24 кДж/моль

Таким образом, при стандартных условиях самопроизвольное протекание реакции

невозможно.										fo
Температуру наступления		равновесия G =0 в данной
						системе определим, пренебрегая
зависимостью DH298	и DS298		от температуры:						n
								i
G298 = H298 − T S298 = 0;								.
							P
DH298 = TDS298; T =	DH298	=	344980	= 37457(K)
			9.21
	DS298
						L
					E
Ответ: самопроизвольное протекание реакции невозможно; равновесие в системе наступает
при 37457 К				DH

83. Составьте схемы двух гальванических элементов, в одном из которых стандартный никелевый электрод — анод, в другом — катод. Запишите уравнения анодно-катодных

процессов и суммарные уравнения токообразующих реакций. Рассчитайте для первого
случая ε , А′м, Кр.	U

В гальваническом элементе анодом является электрод с меньшим стандартным электродным

потенциалом, чем у катода. Воспользовавшись рядом напряжений металлов, определим

S

элементы, у которых стандартный потенциал меньше и больше, чем у никеля:

ϕ0 2

.

T

Ni

+ / Ni

w

ϕ0 2

+ / Zn

= -0.763 B;

Zn

ϕ0 2

= +0.337 B

w

Cu + / Cu

В случае пары «никель–медь» никель является анодом; в паре «никель–цинк» – катодом.

Схемы гальванических элементов:

(-)Ni

Ni2+

Cu2+

Cu(+)

(-)Zn

Zn2+

Ni2+

Ni(+)

Уравнения анодно-катодных процессов:

(-)

Ni - 2e ® Ni2+

(-)Zn - 2e ® Zn2+

w

2+

+ 2e ® Cu

(+) Ni

2+

+ 2e ® Ni

(+) Cu

Суммарные уравнения токообразующих реакций:

Ni + Cu2+ ® Ni2+ + Cu

Zn + Ni2+ ® Zn2+ + Ni

www.studhelp.info

mail to [e-mail]

3

Рассчитаем для первого случая ε , А′м, Кр.

1) Если электроды погружены в растворы своих солей с одинаковой концентрацией, то ЭДС элемента равно:

ε =ϕК -ϕА = ϕCu0 2+ / Cu -ϕNi0 2+ / Ni = 0.337 - (-0.250) = 0.587 (В)
2)	Полезная работа гальванического элемента
А	′ = 2×96490×0.587 =113279 (Кл× В)								fo
М
3)	Константа равновесия реакции связана с ЭДС следующим соотношением.
lg Kp =		nε	=	2 ×0.587	=19.9; Kp	= 7.9 ×1019		n
	0.059		0.059
							i
Ответ: 0.587 В; 113279 Кл∙В; Кр=7.9∙1019							.
							P
115. Какое количество электричества следует пропустить через 1 М раствор ZnSO4										(pH=5),

(н.у.) выделится на аноде? Составьте схему электролизаLна графитовых электродах и запишите уравнения анодно–катодных процессов.

чтобы масса катода увеличилась на 65 г, если ВТ = 80%? Какое вещество и какой его объем

При электролизе раствора ZnSO4 на катоде осаждается цинк, а на аноде образуется кислород. Схема электролиза:

K (–) C

ZnSO4, H2O (pH=5)

E

C A (+)

Zn2+, H2O

SO42–, H2O

K (–):

Zn2+ + 2 ē → Zn 0

DH

A (+):

2H2O – 4 ē = O2

+ 4H+

2 ZnSO4 + 2 H2O → 2 Zn + O2

+ 2 H2SO4

Согласно закону Фарадея

U

T

Отсюда

количествоSэлектричества равно

Q = Iτ =

m × F

, где m – масса цинка,

.

Э × BT

выделившегося на катоде (m = 65 г), ЭZn = МZn/2.

65×96490

Q = Iτ =

w

= 241225 (Кл)

65 / 2×0.8

wПриwпропускании через раствор количества электричества, равного 241225 Кл на аноде выделяется кислород объемом

V 0 = 5.6×241225×0.8 =11.2 (л) 96490

Ответ: 241225 Кл; 11.2 л

www.studhelp.info

mail to [e-mail]

4

138. Цинк находится в контакте с никелем в условиях влажной атмосферы (H2O, O2).

Составьте уравнения процессов гальванокоррозии и рассчитайте, на сколько уменьшится масса анода и чему будет равна сила тока, если за 1 мин. 20 с восстановилось 0,034 л O2

(н.у.).

Цинк, находясь в контакте с никелем в условиях влажной атмосферы, образует

гальванический элемент.									Судя по	стандартным потенциалам цинка и никеля
(ϕNi0 2+ / Ni = -0.250 B; ϕZn0 2+ / Zn									= -0.763 B ),	анодом будет являться цинк. Тогда схема
гальванического элемента следующая:											fo
(-)Zn		Zn2+				Ni2+		Ni(+)		n
В условиях влажной атмосферы (H2O, O2) на электродах происходят следующие процессы:
(-)Zn - 2e ® Zn2+										i
+										.
(+) 2 H2O – 4 ē = O2 + 4 H

Используя закон Фарадея, рассчитаем силу тока, необходимую для восстановления 0,034 л

О2 за 1 мин. 20 с (60+20=80 с) (примем выход по току 100 %):

P

I =

V × F

=

0.034×96490

= 7.3 (А)

VЭ ×τ

22.4

4

×80

L

При такой силе тока в раствор перейдет

652 ×

mZn =

MЭ

× I ×τ

7.3×80

E

=

= 0.2 (г) цинка,

F

96490

следовательно, маса анода уменьшится на 0.2 г.

Ответ: на 0.2 г; 7.3 А

152. Щелочные серебряно-цинковые аккумуляторыDH: схема, уравнения процессов разрядки и зарядки. Основные характеристики, преимущества, недостатки, применение.

Серебряно-цинковый аккумулятор – это вторичный электрохимический источник тока, в
	U
котором анодом является оксид серебра, в виде спрессованного порошка, электролитом –
раствор химически чистого гидроксида калия ( ρ =1,4), катод – смесь оксида цинка и
цинковой пыли	T

Серебряно-цинковый.Sаккумулятор отличается очень малым внутренним сопротивлением и большой удельной энергоёмкостью (150 Вт·ч/кг, 650 Вт·ч/дм³). ЭДС – 1,85 В (рабочее напряжение 1,55 В).

Одной изwважнейших особенностей серебряно-цинкового аккумулятора является способность (при надлежащей конструкции) отдавать в нагрузку токи колоссальной силы (до

w50 Аwна 1 А·час емкости). Эти аккумуляторы механически прочны. У них малый ток саморазряда, что обеспечивает возможность длительного хранения аккумуляторов в заряженном состоянии; высокая удельная энергия, которая примерно в три-четыре раза превышает удельную энергию свинцовых аккумуляторов. Среди аккумуляторов промышленной группы Щелочные серебряно-цинковые аккумуляторы являются самыми экологически чистыми.

Применяется в авиации, космосе, военной технике, часах и др.

Из недостатков следует отметить высокую стоимость; меньшее по сравнению с другими аккумуляторами количество циклов заряда/разрядa; длительное время заряда.

Электрохимическая схема серебряно-цинкового аккумулятора имеет вид:

www.studhelp.info

mail to [e-mail]

5

(–) Zn | KOH | AgO, Ag (+)

При зарядке аккумулятора (восстановление на электроде активных веществ) на аноде

происходит окисление серебра:

(–) 2 Ag + 2 OH– – 2 е → Ag2O + H2O

с последующим окислением до иона двухвалентного серебра: Ag2O + 2 OH– – 2 е → 2 AgO + H2O

Суммарная реакция: 2 Ag + 4 OH– – 4 е → 2 AgO + 2 H2O

На катоде происходит процесс восстановления:			fo
(+) 2 Zn(OH)2 + 4 e → 2 Zn + 4 OH–
После того, как потенциал серебряного электрода достигнет величины			потенциала
		n
выделения кислорода, главной реакцией становится реакция образования кислорода:
4 OH– – 4 e → 2 H2O + O2	P
Напряжение аккумулятора при этом снова возрастает и за время менее одного часа достигает
величины 2,1 В. Продолжение заряда аккумулятора не только бесполезноi, но и вредно, т.к.,
во первых, аккумулятор уже не воспринимает емкости, а, во вторых., выделяющийся на
	L		тем самым
серебряных электродах кислород окисляет целлофановую сепарацию и

уменьшает её прочность. Кроме того, в результате наступающего электролиза цинкатного электролита на цинковых электродах начнется выделение цинка в виде дендритов, которые могут легко прокалывать сепарацию. Поэтому систематический перезаряд серебряноцинкового аккумулятора резко снижает срок его службы.

При работе аккумулятора в режиме разряда протекают следующие электрохимические
процессы:	E
На аноде внутренней цепи происходит реакция окисления металлического цинка:
(–) 2 Zn + 4 OH– – 4 e → ZnO + H2O + Zn(OH)2
На катоде внутренней цепи протекает реакция:
(+) 2AgO + 2e + H2O → Ag2O + 2OH–,	DH

т.е. происходит реакция восстановления иона двухвалентного серебра до одновалентного
иона и далее до чистого серебра по схеме:
	U
Ag2O + 2 e + H2O → 2 Ag + 2 OH–
	T
Суммарное уравнение имеет вид:
2 AgO + H2O + 2 Zn → 2 Ag + ZnO + Zn(OH)2
При заряде эта реакцияSидет в прямом направлении, а при разряде – в обратном.
.
w

166.wКремний, основные физические свойства, электронная формула и химическая связь. Напишите уравнения реакций взаимодействия кремния со сложными окислителями.

wКремний – кристаллическое вещество; типичный полупроводник. Температура плавления – 1417 ºС; кипения – 2600 ºС. У кремния кубическая гранецентрированная кристаллическая решетка типа алмаза с периодом а = 5.431 Å, плотностью 2,33 г/см3. При очень высоких

давлениях получена новая (по-видимому, гексагональная) модификация с плотностью 2,55 г/см3. Из-за большей длины связи между атомами Si—Si по сравнению с длиной связи С—С твердость кремния значительно меньше, чем алмаза. Кремний хрупок, только при нагревании выше 800 °C он становится пластичным веществом. Кремний прозрачен к инфракрасному излучению, начиная с длины волны 1.1 мкм.

www.studhelp.info

mail to [e-mail]

6

Электронная формула кремния – 1s22s22p63s23p2. На внешнем энергетическом уровне находится 4 электрона. В возбужденном состоянии – 1 s-электрон и 3 р-электрона; происходит sр3-гибридизация. Тип связи – ковалентная. Координационное число равно 4. Соединения кремния имеют форму тетраэдра.

Использование кремния при изготовлении полупроводников предполагает очистку кремния путем травления.

Наиболее широко используемой смесью для травления кремния является смесь плавиковой и

	азотной кислот (в этом случае раствор быстро разогревается до температуры кипения и
	скорость реакции многократно возростает).	fo
	Si+2HNO3=SiO2+NO+NO2+H2O;
	SiO2+4HF=SiF4+2H2O;	n
	3SiF4+3H2O=2H2SiF6+↓H2SiO3

Также для травления можно использовать водные растворы щелочей (реакция идет при

температуре выше 60 ºС)							P
Si+2KOH+H2O=K2SiO3+2H2↑								i
K2SiO3+2H2O↔H2SiO3+2KOH						L		.
						E
						DH
					U
				T
			S
		.
		w
	w
w

www.studhelp.info