Химическая кинетика.

301. Скорость химической реакции по некоторому компоненту называется изменение количества этого компонента в единицу времени в единице реакционного пространства. На практике скорость реакции может определяться по различным параметрам: по изменению концентрации одного из веществ, по изменению цветности, рН, электропроводности и др. Скорость реакции - это кинетическая характеристика, а энергия Гиббса - термодинамическая характеристика, эти параметры между собой не связаны. Т.к. скорость реакции определяется концентрациями реагирующих веществ, которые постоянно изменяются, то ее определяют на данный момент времени.

302. Основным понятием химической кинетики является понятие о скорости химической реакции. Математическое выражение скорости реакции зависит от типа реакции: гетерогенная или гомогенная. Поэтому в кинетике проводится такое разделение реакций.

гомогенные: N₂(г)+O₂(г) = 2NO₂(г), N₂O₄ (г) = 2 NO₂ (г);

гетерогенные: Ca(тв) + 2H₂O(ж) = Ca(OH)₂(ж) + H₂(г), CuO(тв) = Cu(тв) + 1/2O₂(г).

303. Одной из основных задач химической кинетики является нахождение зависимости скорости реакции от концентраций реагирующих веществ (кинетическое уравнение). Для простой реакции кинетическое уравнение находится легко, в то время как для сложной реакции нахождение кинетического уравнения представляет собой очень сложную задачу. Поэтому принято разделение реакций на простые и сложные.

Простые реакции. Моно: Cl₂ = 2Cl, Би: Н⁺ + Сl^- = HCl, Три: 3O₂ = 2O₃.

Сложные реакции: Последовательные: 2Ca + O₂ = 2CaO => CaO + H₂O = Ca(OH)₂, Параллельные: Ca + Cl₂ = CaCl₂ и Ca + F₂ = CaF₂, Цепные: Сl₂ = 2Cl^*, Cl^* + CH₄ = CH₃^* + HCl, CH₃^* + Cl₂ = CH₃Cl + Cl^* и т.д.

По стехиометрическому уравнению нельзя однозначно определить - сложная это реакция или простая, но если в реакцию вступают более трех частиц, то эта реакция сложная.

304. На скорость реакции влияют: природа взаимодействующих частиц, температура, давление, катализатор и др.

305. Кинетическое уравнение для простой и сложной реакции записывается как зависимость скорости реакции от концентрации взаимодействующих веществ. Однако, если для простой реакции кинетическое уравнение имеет относительно простой вид, то для сложных реакций кинетическое уравнение может записываться в виде системы уравнений. Константа скорости реакции - это скорость реакции при концентрации веществ равных единице. На константу скорости влияет температура, давление, природа веществ и не влияет концентрация веществ и объем системы.

306. а) 2HI = H₂ + I₂, V = К*Р²_(HI) , после увеличения давления в 2 раза V^/ = К*(2Р_(HI))² , в результате скорость возрастет в V^/ / V = 4 раза.

Б) N₂O₄ = 2NO₂, V = К*Р (N₂O₄), после увеличения давления в 2 раза V^/ = К*(2Р(N₂O₄)), в результате скорость возрастет в V^/ / V = 2 раза.

В) 2NO +H₂ = N₂O + H₂O, V = К*Р²(N₂O) *P(H₂), после увеличения давления в 2 раза V^/ = К*(2Р(N₂O)) ² *2P(H₂), в результате скорость возрастет в V^/ / V = 8 раз.

307. a) 2NO +Cl₂ = 2NOCl, V = К*Р²(NO)*P(Cl₂), после увеличения давления в 3 раза V^/ = К*(3Р(NO))² * 3P(Cl₂), в результате скорость возрастет в V^/ / V = 27 раз.

Б) H₂ + OH= H₂O + H, V = К*Р(OH)*P(H₂), после увеличения давления в 3 раза V^/ = К*3Р(OH)*3P(H₂), в результате скорость возрастет в V^/ / V = 9 раз.

В) Cl₂ = 2Cl, V = К*P(Cl₂), после увеличения давления в 3 раза V^/ = К*3P(Cl₂), в результате скорость возрастет в V^/ / V = 3 раза.

308. а) O₂+H = OH + O, V = К*Р(H) *P(O₂), после увеличения давления в 4 раза V^/ = К*4Р(H) *4P(O₂), в результате скорость возрастет в V^/ / V = 16 раз.

Б) H₂+Y₂ = 2HY, V = К*Р(H₂)*P(Y₂), после увеличения давления в 4 раза V^/ = К*4Р(H₂)*4P(Y₂), в результате скорость возрастет в V^/ / V = 16 раз.

В) 2NO+O₂ = 2NO₂, V = К*Р²(NO₂)*P(O₂), после увеличения давления в 4 раза V^/ = К*(4Р(NO₂) )² *4P(O₂), в результате скорость возрастет в V^/ / V = 64 раза.

309. H₂+Br₂ = 2HBr, V = K*[H₂]*[Br₂]^1/2 .Молекулярность реакции равна1+1 =2, а порядок реакции 1+1/2=1,5. Поскольку молекулярность и порядок не совпадают, то данная реакция - сложная. А) V^/=K*4[H₂]*[Br₂]^1/2 , скорость реакции возрастает в V^/ / V= 4 раза.

Б) V^//=K*[H₂]*(4[Br₂])^1/2 , скорость реакции возрастает в V^// / V= 2 раза.

В) V^///=K*4[H₂]*(4[Br₂])^1/2 , скорость реакции возрастает в V^// / V= 8 раз.

310. F₂+ 2ClO₂=2ClO₂F_, V=K*[F₂]*[ClO₂], Данная реакция является сложной, т.к. ее порядок (2) и молекулярность (3) не совпадают. При увеличении давления в 3 раза: V^/ = K*3[F₂]*3[ClO₂], скорость реакции возрастает в V^/ / V = 9 раз.

311. 2NO +2H₂ = N₂ + 2H₂O, а) фиксируем концентрацию [H₂] = 0,12 моль/л. При увеличении [NO] в 2 раза, скорость реакции возрастает в 4 раза, т.е. порядок по[NO] равен 2. б) фиксируем [NO] = 1,12 моль/л. При увеличении [H₂] в 2 раза, скорость возрастает в 2 раза - порядок по [H₂] = 1. Т.о. кинетическое уравнение имеет вид: V = K*[H₂]¹ *[NO]².

312. SO₂+2H₂=S+2H₂O, а) фиксируем концентрацию [SO₂]=200. При увеличении [H₂] в 2 раза, скорость реакции возрастает в 2 раза, т.е. порядок по[H₂] равен 1. б) фиксируем [H₂]=200. При увеличении [SO₂] в 2 раза, скорость возрастает в 2 раза - порядок по [SO₂]=1. Т.о. кинетическое уравнение имеет вид: V=K*[H₂]¹ *[SO₂]¹.

313. 2Co⁺³ + Tl⁺ = 2Co⁺² + Tl⁺³,

а) фиксируем концентрацию [Co⁺³] = 0,3моль/л. При увеличении [Tl⁺] в 2 раза, скорость реакции возрастает в 2 раза, т.е. порядок по [Tl⁺] равен 1.

б) фиксируем [Tl⁺] = 0,1 моль/л. При увеличении [Co⁺³] в 3 раза, скорость возрастает в 3 раза - порядок по [Co⁺³] = 1. Т.о. кинетическое уравнение имеет вид: V = K*[ Co⁺³]¹ *[Tl⁺]¹.

314. CH₃CHO = CH₄+CO. При увеличении [CH₃CHO] в 2 раза, скорость возрастает в 4 раза, т.е. порядок равен 2. V=K* [CH₃CHO]².

315. 2A+3B=A₂B₃. а) фиксируем концентрацию [A] = 0,20 моль/л. При увеличении [В] в 4 раза, скорость реакции возрастает в 4 раза, т.е. порядок по [В] равен 1. б) фиксируем [В] = 0,80 моль/л. Изменение [A] не приводит к изменению скорости. Т.о. кинетическое уравнение имеет вид: V = K*[В]¹ . После увеличения давления в 2 раза V^/ = K*2[В], скорость реакции возрастает в 2 раза: V^/ / V = 2 раза.

316. 2NO+O₂ = 2NO₂, Кинетическое уравнение: V = K*[NO]²*[O₂]¹. 1.2*10^-3 = К*0.3² *0.15, следовательно, К = 0,089 л²/моль²с.

317. H₂+Y₂ = 2HY, К = 0,16, [H₂] = 0,04, [I₂] = 0,05 моль/л. V_исх. = K*[H₂]*[I₂] = 0,16*0,04*0,05 = 3,2*10^-4. Когда израсходовалась половина количества водорода, т.е. 0,02 моль/л, то израсходовалось столько же иода. Осталось 0,02 моль/л водорода и 0,03 моль/л иода. V^/ = 0,16*0,02*0,03 = 9,6*10^-5.

318. 2NO+Cl₂ = 2NOCl, [NO_исх.] = 0,4 моль/л, [Cl_{2 исх.}] = 0,3 моль/л. V = K*[NO]² * [Cl₂] = К*0,4² *0,3 = 0,048К. Прореагировало 0,2 моль/л NO, следовательно, прореагировало 0,1 моль/л Cl₂. Осталось 0,2 моль/л NO и 0,2 моль/л Cl₂. V = K * 0,2² * 0,2 = 0,008 К. Скорость уменьшилась в 0,048/0,008 = 6 раз.

319. Согласно правилу Вант-Гоффа, при повышении температуры на 10⁰ скорость реакции увеличивается в 2-4 раза. γ = 3, Т₁ = 80⁰С, Т₂ = 130⁰С. V₂/V₁ = γ^{Т2 -Т1 / 10} = 3^{130-80 /10} = 243.

320. Температурный коэффициент показывает, во сколько раз увеличивается скорость химической реакции при увеличении температуры на 10 градусов. γ = 3, ∆Т = 40, V₂/V₁ = γ^{Т2 -Т1 / 10} = 3^{40 /10} = 81.

321. Согласно правилу Вант-Гоффа, при повышении температуры на 10⁰ скорость реакции увеличивается в 2-4 раза. γ = 1.8, V₂/V₁ = 50. ∆Т -?

V₂/V₁ = γ ^∆Т/10, 50 = 1.8 ^∆Т/10, ln50 = ∆Т/10 *ln1.8, ∆Т = 66.5⁰C.

322. Правило Вант-Гоффа выведено не из фундаментальных законов, а опытным путем, поэтому оно называется эмпирическим. Оно справедливо для всех реакций, кроме ферментативных и реакций третьего порядка. Т₁ = 100⁰, Т₂ = 150⁰, К₁ = 6*10^-4, К₂ = 7.2*10^-2. К₂ / К₁ = γ ^{∆Т / 10} , 7.2*10^-2 / 6*10^-4 = γ ^(150-100)/10 , γ = 2.6.

323. Т₁=120⁰, Т₂=170⁰, К₁=5,9*10^-4, К₂=6,7*10^-2. К₂ / К₁ = γ ^{∆Т / 10} , 6,7*10^-2 / 5,9*10^-4 = γ ^170-120/10 , γ = 2,6.

324. γ₁ = 3, γ₂ = 4, при температуре Т₁ : К₁^/ = К₂^/. При температуре Т₂: К₂^// / К₁^// = 5. ∆Т -?

К₂ / К₁ = γ ^{∆Т / 10} . К₁^// / К₁^/ = γ₁ ^{∆Т / 10} (1) . К₂^// / К₂^/ = γ₂ ^{∆Т / 10} (2). Разделим выражение (1) на выражение (2), получим: К₁^// / К₂^// = (γ₁ ^{∆Т / 10}) / (γ₂ ^{∆Т / 10}). 1/5 = (3 ^{∆Т / 10} ) / (4 ^{∆Т / 10}). ln5 + (∆Т / 10) *ln3 = (∆Т / 10) * ln4, ∆Т = 56⁰.

325. Уравнение Аррениуса определяет зависимость константы скорости химической реакции от температуры. , К = К₀ * е ^{-Е а / RT} .

Т₁­ = 288К, К₁ = 3,1*10^-4. Т₂ = 313 К, К₂ = 8,2*10^-3.

ln(K₂/K₁) = E_a/R * (1/T₁ - 1/T₂).

ln(8,2*10^-3 / 3,1*10^-4) = Е_а / 8,31 * (1/288 - 1/313), следовательно, Е_а = 98,14 кДж/моль.

326. Дополнительная энергия, необходимая для протекания между частицами химической реакции, называется энергией активации. Т₁ = 673К, К₁ = 2,2*10^-4. Т₂ = 973 К, К₂ = 8,33. ln(K₂/K₁) = E_a/R * (1/T₁ - 1/T₂). ln(8,33 / 2,2*10^-4) = Е_а / 8,31 * (1/673 - 1/973), Е_а = 191,4 кДж/моль.

327. Е_а = 100 кДж/моль Т₁ = 273К, К₁ = 2,0*10^-2. Т₂ = 373 К, К₂ =?. ln(K₂/K₁) = E_a/R * (1/T₁ - 1/T₂). ln(К₂ / 2,0*10^-2) = 100000 / 8,31 * (1/273 - 1/373), К₂ = 2712.

328. а) 2NO = N₂ + O₂, Е_а = 290 кДж/моль Т₁=300К, Т₂=310 К, К₂ / К₁ =?. ln(K₂/K₁) = E_a/R * (1/T₁ - 1/T₂). ln(К₂ / К₁) = 290000 / 8,31 * (1/300 - 1/310), К₂ /К₁ = 43.

Б) 2NO + O₂ = 2NО₂, Е_а = 10 кДж/моль Т₁=300К, Т₂=310 К, К₂ / К₁ =?. ln(K₂/K₁) = E_a/R * (1/T₁ - 1/T₂). ln(К₂ / К₁) = 10000 / 8,31 * (1/300 - 1/310), К₂ /К₁ = 1,14.

Изменение скоростей данных реакций не согласуется с правилом Вант-Гоффа.

329. Е_А1 = 184 кДж/моль, Е_А2 = 107 кДж/моль, пусть Т=400 К. К₁ = К₀ * е ^{-Е А1 / RT} , К₂ = К₀ * е ^{-Е А2 / RT} , , К₂ / К₁ =1,15*10¹⁰ раз.

330.

Процесс	Катализаторы
Синтез аммиака из N2 и Н2	Fe + K2O, Al2O3, MgO
Синтез спиртов из СО и Н2	ZnO-Cr2O3, CuO-ZnO- Cr2O3
Синтез углеводородов из СО и Н2	Fe, Ni, Co+MgO
Риформинг	Pt/ Al2O3
Гидратация олефинов	H3PO4 на носителях
Производство серной кислоты	Оксид ванадия (V)
Производство азотной кислоты	Платинородиевые сетки
Гидратация этилена	H3PO4 и H2SO4
Производство полиэтилена	Al(C2H5)3 и TiCl4

Катализаторы используют для увеличения скорости реакции, повышения ее селективности, конверсии и выхода целевого продукта.

Е_А1 = 200 кДж/моль, Е_А2 = 100 кДж/моль, Т=400 К. К₁ = К₀ * е ^{-Е А1 / RT} , К₂ = К₀ * е ^{-Е А2 / RT} , , К₂ / К₁ = 1,16*10¹³ раз.

331. С точки зрения химической термодинамики, химическое равновесие характеризуется постоянством концентраций веществ во времени. Согласно химической кинетике, равновесие определяется равенством скоростей прямой и обратной реакций.

А) N₂ (г) + 3H₂ (г) = 2NH₃ (г),

Б) Fe₃O₄ + 4CO (г) = 3Fe (к) + 4CO₂ (г),

332. Константа химического равновесия - это отношение произведения концентраций продуктов химической реакции к произведению концентраций исходных веществ, взятых в степенях, равных их стехиометрическим коэффициентам.

А) 4HCl + O₂ (г)= 2Cl₂(г) + 2H₂O (г),

Б) CaO (k) + H₂O (г) = Сa(OH)₂ (к),

333. Состояние реакции, при котором концентрации веществ не изменяются во времени, называется равновесным. Основные признаки: если на реакцию, находящуюся в состоянии химического равновесия оказать воздействие, то система перейдет в новое равновесное состояние, уменьшающее это воздействие. Если воздействие снять, то реакция вернется к исходному состоянию.

А) CO(г) + H₂O(г) = CO₂(г) + H₂(г)

Б) 2CuO(к) = 2Cu(к) + O₂(г)

334. При истинном равновесии химическая реакция характеризуется постоянством концентраций всех веществ в течение сколь угодно долгого промежутка времени. При этом реакция подчиняется принципу Ле Шателье. При ложном химическом равновесии с течением времени концентрации веществ могут меняться, и реакция не подчиняется принципу Ле Шателье.

А) 3O₂(г) = 2О₃ (г),

Б) Na₂CO₃ (к) + CO₂(г) + H₂O(г) = 2NaHCO₃(к),

335. Закон действующих масс: константа равновесия химической реакции равна отношению произведения концентраций продуктов реакции к произведению концентраций исходных веществ, взятых в степенях, равных их стехиометрическим коэффициентам: аА + bB = cC + dD, .

А) N₂ (г) + О₂ (г) = 2NО(г), ,

Б) 3Fe(к) + 4H₂O(г) = Fe₃O₄(к) + 4H₂(г), .

336. На величину константы химического равновесия влияют: природа реагирующих веществ, температура, давление.

А) Y₂ (г) + H₂ (г) = 2HY (г), ,

Б) MgO(к) + CO₂(г) = MgCO₃(к), .

337. N₂ (г) + 3H₂ (г) = 2NH₃ (г),

Cисх.	х	у
Сравн.

, С_исх. (N₂) = [N₂] + 0,5[NH₃] = 3+ 0,5*4 = 5 моль/л.

С_исх(Н₂) = [Н₂] + 1,5[NH₃] = 9 + 1,5*4 = 15 моль/л.

338. CO + Cl₂ = COCl₂

Cисх.	Х	у
Сравн.	0,2	0,3	1,2

, С_исх. (Cl₂) = [Cl₂] + [COCl₂] = 0,3 + 1,2 = 1,5 моль/л.

С_исх(CO) = [CO] + [COCl₂] = 0,2 + 1,2 = 1,4 моль/л.

339. CO + H₂O = CO₂ + H₂

Cисх.	0,03	0,03
Сравн.	x	y	0,01	z

Согласно уравнению реакции, водорода образуется столько же, сколько и СО₂: [CO₂]=[H₂]=0,01 моль/л. СО и Н₂О израсходовалось 0,01 моль/л, следовательно [CO]=[H₂O]=0,02 моль/л. .

340. FeO(k) + CO = Fe(k) + CO₂

Cисх.	-	0,05	-	0,01
Сравн.	-	0,05-x	-	0,01+x

0,01+x=0,025-0,5x, x=0,01. [CO] = 0,05 - 0,01 = 0,04 моль/л. [CO₂] = 0,01 + 0,01 = 0,02 моль/л.

341. Br₂ (г) + H₂ (г) = 2HBr (г),

Cисх.
Сравн.	3-x	1-x	2x

, 3x² + 4x - 3 = 0, x = 0,54.

[H₂] = 3-0.54 = 2.46 моль/л, [Br₂] = 1-0.54 = 0.46 моль/л, [HBr] = 2*0.54=1.08 моль/л.

w(H₂)=(2.46/4)*100 %=61.5%, w(Br₂)=(0.46/4)*100%=11.5%, w(HBr)=(1.08/4)*100%=27%.

342. N₂O₄ (г) = 2NO₂ (г),

Cисх.	0.08
Сравн.	50%	X

Прореагировало 0.08*0.5 = 0.04 моль/л N₂O₄. Следовательно, образовалось 2*0.04 = 0.08 моль/л NO₂ .

.

343. Y₂ (г) + H₂ (г) = 2HY (г),

Cисх.	0.01	0.01
Сравн.	0.01-x	0.01-x	2x

К=40

х = 0.0076, [HY]=2*0.0076=0.015моль/л.

В=(0.015*100)/(2*0.01)=76%

344. Y₂ (г) + H₂ (г) = 2HY (г),

Cисх.
Сравн.	1-x	2-x	2x

К=50

46х² -150х + 100=0, х = 0.57, Теоретически может образоваться 2 моль HY, образовалось 0.57*2 = 1.14 моль. В=(1.14*100%) / 2 = 57 %.

345. 2HY (г) = Y₂ (г) + H₂ (г)

Cисх.
Сравн.	1-2x	x	x

К = 2*10^-2

х = 0.11, разложилось 2*0.11 = 0.22моль HY, степень разложения 22 %.

346. Cl₂ (г) = 2Cl(г)

Cисх.	0.04
Сравн.	0.04-x	2x

К=4.2*10^-4

4х² + 4.2*10^-4х -1.68*10^-5 = 0, х = 0.002, степень атомизации хлора равна (002/0.04)*100 % = 5 %.

347. CO + H₂O = CO₂ + H₂

Cисх.
Сравн.	1-x	1-х	х	х

К=1. , х = 0.5, [CO₂]=[H₂]=0,5 моль/л, [CO]=[H₂O]=0,5 моль/л.

348. PCl₅ = PCl₃ + Cl₂

Cисх.	0.3
Сравн.	0.3-x	х	х

К=125. , х² + 125х - 37.5 = 0, х = 0.299. Разложилось PCl₅: (0.299/0.3)*100% = 99.76 %.

349. Принцип Ле Шателье: при оказании внешнего воздействия на реакцию, находящуюся в состоянии равновесия, ее равновесие смещается к состоянию, уменьшающему это воздействие. А) 2CO (г) + О₂(г) = 2СО₂ (г), ΔН⁰= -566 кДж/моль. Т.к. реакция экзотермическая, то при понижении температуры ее равновесие сместится вправо; т.к. количество газообразных продуктов реакции меньше количества газообразных исходных веществ, то при повышении давления равновесие сместится вправо. Б) N₂ (г) + O₂ (г) = 2NO (г), ΔН⁰= 180 кДж/моль. Т.к. реакция эндотермическая, то при понижении температуры ее равновесие сместится влево; т.к. количество газообразных продуктов реакции равно количеству газообразных исходных веществ, то повышение давления на равновесие не влияет.

350. При оказании внешнего воздействия на систему, находящуюся в состоянии равновесия, положение равновесия смещается к состоянию, уменьшающему это воздействие. А) 2H₂ (г) + O₂ (г) = 2H₂O (г), ΔН⁰ = - 483.6 кДж/моль. Т.к. реакция экзотермическая, то при повышении температуры ее равновесие сместится влево; т.к. количество газообразных продуктов реакции меньше количества газообразных исходных веществ, то при понижении давления равновесие сместится вправо. Б) CaCO₃ (k) = CaO (k) + CO₂(г), ΔН⁰ = 179,0 кДж/моль. Т.к. реакция эндотермическая, то при повышении температуры ее равновесие сместится вправо; т.к. газообразные вещества - продукты реакции CO₂ , то понижение давления сместит равновесие вправо.

351. N₂ (г) + 3H₂ (г) = 2NH₃ (г), ΔH⁰= -92.4 кДж/моль. а) реакция экзотермическая, поэтому при увеличении температуры равновесие сместится влево, а при понижении - вправо. Б) Т.к. количество газообразных продуктов реакции меньше количества газообразных исходных веществ, то при повышении давления равновесие сместится вправо, а при понижении давления - влево. В) равновесие сместится вправо при повышении концентрации азота и водорода и понижении концентрации аммиака, при повышении концентрации аммиака и понижении концентрации азота и водорода равновесии сместится влево. Г) введение промоторов не смещает положение равновесия. д) Поглощение аммиака сместит равновесие вправо, а поглощение азота и водорода - влево. Е) введение инертного газа аналогично повышению давления.

352. 4HCl(г) + O₂(г) = 2Cl₂(г) + 2H₂O(г), ΔH⁰= -116.4 кДж/моль. а) равновесие сместится в сторону исходных веществ при повышении температуры, уменьшении давления, увеличении концентрации хлора и воды, понижении концентрации кислорода и соляной кислоты. Б) равновесие сместится в сторону продуктов при понижении температуры, увеличении давления, уменьшении концентрации хлора и воды, увеличении концентрации кислорода и соляной кислоты.

353. 3Fe(к) + 4H₂O(г) = Fe₃O₄(к) + 4H₂(г), ΔH⁰= -49,9 кДж/моль. Для увеличения выхода водорода необходимо понизить температуру, т. к. реакция протекает с выделением тепла. Давление не влияет на положение равновесия, т.к. количество газообразных продуктов равно количеству газообразных исходных веществ.

354. MgO(k) + CO₂ (г) = MgCO₃(к), ΔH⁰= -111,7 кДж/моль. Поглощение CO₂ будет происходить при понижении температуры и повышении давления. Восстановление поглотителя будет протекать при повышении температуры и понижении давления.

355. CaO + H₂O = Ca(OH)₂.

ΔH⁰ = -986.6+635.5+241.8 = -109.3 кДж/моль. ΔS⁰ = 76.1-39.7-188.7 = -152.3 Дж/(K*моль)

ΔG⁰ = ΔH⁰ - Т * ΔS⁰. ΔG⁰ = -R*T*lnK_p => K_p = e^-ΔG/RT

а) Т = 300 К. ΔG⁰ = -109.3 + 300*152.3*10^-3 = -63.61 кДж/моль. К_р = 1.2*10¹¹

б) Т = 1000 К. ΔG⁰ = -109.3 + 1000*152.3*10^-3 = 43 кДж/моль. К_р = 5.7*10^-3

Расчет согласуется с принципом Ле-Шателье, т.к. при повышении температуры равновесие экзотермической реакции смещается влево.

356. N₂O₃ = NO + NO₂.

ΔH⁰ = 90.2 + 33.5 - 83.3 = 40.4 кДж/моль. ΔS⁰ = 210.6 + 240.2 - 178.2 = 272.6 Дж/(K*моль)

ΔG⁰ = ΔH⁰ - Т * ΔS⁰. ΔG⁰ = -R*T*lnK_p => K_p = e^-ΔG/RT

а) Т = 0⁰ C = 273 К. ΔG⁰ = 40.4 - 273*272.6*10^-3 = -34.0 кДж/моль. К_р = 3.3*10⁶

б) Т = 373 К. ΔG⁰ = 40.4 - 373*272.6*10^-3 = -61.3 кДж/моль. К_р = 3.9*10⁸

Расчет согласуется с принципом Ле-Шателье, т.к. при повышении температуры равновесие эндотермической реакции смещается вправо.

357. 2H₂O = 2H₂ + О₂.

ΔH⁰ = 2*241.8 = 483.6 кДж/моль. ΔS⁰ = 2*130.5 - 205 - 2*188.7 = -321.4 Дж/(K*моль)

ΔG⁰ = ΔH⁰ - Т * ΔS⁰. ΔG⁰ = -R*T*lnK_p => K_p = e^-ΔG/RT

а) Т = 500 К. ΔG⁰ = 483.6 + 500*321.4*10^-3 = 644.3 кДж/моль. К_р = 4.5*10^-68

б) Т = 1000 К. ΔG⁰ = 483.6 + 1000*321.4*10^-3 = 805 кДж/моль. К_р = 8.5*10^-43

Расчет согласуется с принципом Ле-Шателье, т.к. при повышении температуры равновесие эндотермической реакции смещается вправо.

358. ZnO + H₂ = Zn + H₂O.

ΔH⁰ = -241.8 + 350.6 = 108.8 кДж/моль. ΔS⁰ = 41.6 + 188.7 - 43.6 - 130.5 = 56.2 Дж/K*моль

ΔG⁰ = ΔH⁰ - Т * ΔS⁰. ΔG⁰ = -R*T*lnK_p => K_p = e^-ΔG/RT

а) Т = 300 К. ΔG⁰ = 108.8 - 300*56.2*10^-3 = 91.94 кДж/моль. К_р = 9.6*10^-17

б) Т = 1000 К. ΔG⁰ = 108.8 - 1000*56.2*10^-3 = 52.6 кДж/моль. К_р = 5.7*10^-3

Расчет согласуется с принципом Ле-Шателье, т.к. при повышении температуры равновесие эндотермической реакции смещается вправо.

359. FeO + H₂ = Fe +H₂О.

ΔH⁰ = -241.8 + 264.8 = 23 кДж/моль. ΔS⁰ = 27.3 + 188.7 - 60.8 -130.5 = 24.7 Дж/(K*моль)

ΔG⁰ = ΔH⁰ - Т * ΔS⁰. ΔG⁰ = -R*T*lnK_p => K_p = e^-ΔG/RT

а) Т = 500 К. ΔG⁰ = 23 - 500*24.7*10^-3 = 10.65 кДж/моль. К_р = 0.077

б) Т = 1000 К. ΔG⁰ = 23 - 1000*24.7*10^-3 = -1.7 кДж/моль. К_р = 1.23

Расчет согласуется с принципом Ле-Шателье, т.к. при повышении температуры равновесие эндотермической реакции смещается вправо.

360. 2HI = H₂ + I₂.

ΔH⁰ = 2*26.6 = 53.2 кДж/моль. ΔS⁰ = 130.5 + 116.2 - 2*206.5 = -166.3 Дж/(K*моль)

ΔG⁰ = ΔH⁰ - Т * ΔS⁰.

Т = 400 К. ΔG⁰ = 53.2 + 400*166.3*10^-3 = 119.7 кДж/моль.

ΔG⁰ = -R*T*lnK_p => K_p = e^-ΔG/RT => К_р = 2.2*10^-16

Согласно закону Оствальда К_р = . Т.к. константа равновесия очень мала, то можно пренебречь знаменателем. Тогда = 4.8*10^-5 %. К данному расчету принцип Ле-Шателье применить нельзя, т.к. не рассматривается смещение равновесия.

361. В состав атома входят протоны и нейтроны (они образуют ядро атома) и электроны. Протоны являются носителями положительного заряда, их количество определяет величину заряда ядра и атомный номер химического элемента, масса покоя протона: 1,673*10^-27 кг, заряд: 1,602*10^-19 Кл. Электроны - носители отрицательного заряда, масса покоя электрона: 9,109*10^-31 кг, заряд: 1,602*10^-19 Кл. Нейтроны - нейтральные частицы (заряд равен нулю), масса покоя: 1,675*10^-27 кг.

362.

Частица	символ	Масса покоя, кг	Относительная масса, а.е.м.	Заряд, Кл
протон	p	1,673*10^-27	1,007276	1,602*10^-19
нейтрон	n	1,675*10^-27	1,008665
электрон	e	9,109*10^-31	0,000549	1,602*10^-19

363. Согласно модели Резерфорда, атом состоит из ядра, в котором сосредоточена основная масса атома, и электронов, движущихся на относительно большом расстоянии от ядра. Однако эта модель противоречила факту устойчивого существования атомов: в результате движения электроны расходуют энергию притяжения с ядром, и через 10^-8 секунды они должны упасть на ядро. Кроме того, электроны теряют энергию за счет излучения, образующего сплошной спектр, что также противоречило фактам: все атомные спектры имеют линейчатый характер.

В 1913 г. Бор предложил теорию строения водородного атома. Основными отличиями от предыдущей теории были следующие: электроны двигаются по строго определенным орбитам, до тех пор пока электрон находится на этой орбите, он не излучает. При переходе электрона с одной орбиты на другую выделяется энергия, что объясняет происхождение атомных спектров. Однако, теория Бора не пригодна к описанию строения сложных атомов.

Современная теория строения атома включает в себя квантово-механические представления: наличие у электрона свойств волны и частицы, невозможность одновременного определения координаты и импульса микрочастицы, применение волновой функции ψ для описания свойств электрона.

365. Атомная масса химического элемента рассчитывается как сумма вкладов атомных масс изотопов. Атомная масса хлора равна А(Cl) = 35*75.53%/100% + 37*24.47%/100% = 35.49 а.е.м.

366. Атомная масса химического элемента рассчитывается как сумма вкладов атомных масс изотопов. Атомная масса меди равна А(Cu) = 63*73%/100% + 65*27%/100% = 63.54 а.е.м. Результат не совпадает с табличным значением из-за т.н. «дефекта массы»: несовпадение значения суммы масс нуклонов и массы ядра, которое они составляют вследствие потери энергии.

367. Атомная масса химического элемента рассчитывается как сумма вкладов атомных масс изотопов. Атомная масса урана равна А(U) = 234*0.0058%/100% + 235*0.715%/100% + 238*99.28%/100% = 237.98 а.е.м. Результат не совпадает с табличным значением из-за т.н. «дефекта массы»: несовпадение значения суммы масс нуклонов и массы ядра, которое они составляют вследствие потери энергии.

368. Процессы взаимодействия ядер одних элементов с ядрами других элементов или с элементарными частицами, при которых образуются ядра новых элементов, получили название ядерных реакций. Ядерные реакции отличаются от химических тем, что в химических реакциях не происходит изменения ядерного состава. На Солнце протекает много ядерных реакций по суммарной схеме: 4р = α + 2е⁺ + 565 млн. ккал. Искусственно впервые осуществил ядерную реакцию Резерфорд (1919): . В 1933 году Ирен и Фредерик Жолио-Кюри осуществили ядерную реакцию:

369.

370.

371. Спектры химических элементов получают путем сообщения атомам энергии, например в виде квантов света. При этом происходит возбуждение и переход электронов на более удаленные орбитали, возвращаясь с которых, они излучают. Таким образом получается линейчатый спектр испускания. Спектры имеют линейчатый вид, поскольку все переходы электронов дискретны, т.е. прерывисты. Спектр водорода состоит из трех серий: УФ - серии, серии Бальмера (видимый спектр) и ИК - серии. Перескокам с удаленных орбит на орбиту с n=1 соответствуют линии серии, лежащей в УФ-области, перескокам на орбиту с n=2 - линии серии Бальмера, перескокам на орбиты с n=3, 4, 5

372.

Серим Лаймана соответствуют переходы с более удаленных орбиталей на орбиту с n=1. Серии Бальмера - переходы на n=2. Серии Пашена - переходы на орбиты с n=3,4,5.

373. Для расчета энергии возбуждения электрона с одного уровня на другой используется уравнение: . Энергия перехода с 1 на 2 уровень равна 44 ккал/г-атом, Энергия перехода с 1 на 5 уровень равна 70 ккал/г-атом.

374. а) Принцип квантования и дискретности энергии: электрон не изменяет энергию непрерывно, переходя с одной орбиты на другую, изменение энергии электрона происходит скачкообразно. Т.е. энергетические состояния электрона в атоме дискретны.

б) Корпускулярно-волновая двойственность: электрон имеет свойства как частицы, так и волны.

в) Принцип неопределенности: нельзя одновременно и точно определить скорость электрона и его координаты.

Таким образом, электрон в атоме вращается по определенным орбитам с дискретной энергией. Поглощение или выделение энергии происходит только при переходе электрона с одной орбиты на другую.

375. Квантовая механика изучает движения и взаимодействия микрочастиц. Она основывается на представлении о квантовании энергии, волновом характере движения микрочастиц и вероятностном методе описания микрообъектов. Основным уравнением квантовой механики является волновое уравнение Шредингера, которое связывает волновую функцию с потенциальной полной энергией электрона. Волновые функции, получаемые решением этого уравнения, описывают орбитали.

376. Совокупность положений электрона в атоме, характеризуемых определенными значениями квантовых чисел называют атомной орбиталью.

377. а) Главное квантовое число (n) соответствует номеру энергетического слоя, в котором находится электрон.

б) Орбитальное квантовое число (l) определяет форму орбитали, форму электронного облака.

в) Магнитное квантовое число (m) определяет пространственную ориентацию орбиталей.

г) Спиновое квантовое число (s) определяет направление собственного вращения электрона.

378. Энергию электрона определяют главное, спиновое и магнитное квантовые числа. Наиболее существенно зависит энергия электрона от главного квантового числа, наименее - от магнитного. Магнитное квантовое число влияет на энергию электронов в пределах одного подуровня.

379. Энергетический уровень - набор атомных орбиталей с одинаковым значением главного квантового числа (n). Энергетический подуровень - набор атомных орбиталей с одинаковым значением орбитального квантового числа (l) внутри данного энергетического уровня. Число энергетических подуровней для данного энергетического уровня равно 2n². Если энергетический уровень расщеплен на 4 подуровня, то n=2.

380. Электронный слой - это совокупность электронов с одинаковым значением главного квантового числа n. В электронном слое с n = 1 наибольшее количество содержащихся электронов - 2, в n = 2 - 8 электронов, в n = 3 - 18 электронов, в n = 4 - 32 электрона, в n = 5 - 50, в n = 6 - 72, в n = 7 - 98. Максимально теоретически допустимое количество электронов в слое равно 2n².

381. Форму орбитали в пространстве определяет побочное квантовое число L. L принимает значения от 0 до (n - 1). Значению L=0 отвечает сферическая форма орбитали: . Значению L=1 отвечает гантелеобразная форма орбитали: . Расположение орбиталей в пространстве определяет магнитное квантовое число M_L. Например: гантелеобразные р-облака могут располагаться в пространстве тремя видами: . Размер орбиталей определяется главным квантовым числом n. Чем больше n, тем дальше внешние электроны находятся от ядра и тем больше электронное облако.

382. Число атомных орбиталей (AO) определяется магнитным квантовым числом M_L., оно равно (2L + 1). Так, на s-подуровне количество AO равно 1, т.к. для s-подуровня L=0. на р-подуровне число AO равно 3, т.к. L=1. На d-подуровне число AO равно 5, т.к. L = 2.

383. S-электронное облако имеет форму шара. Оно обладает сферической симметрией. Р-облако имеет гантелеобразную форму и обладает осевой симметрией. D-облака имеют форму скрещенных гантелей и осевую симметрию.

384. Фосфор, № 15. 1s²2s²2p⁶3s²3p³. Атом фосфора имеет в нормальном состоянии 3 неспаренных электрона на 3р-подуровне. При возбуждении электроны с 3s-подуровня распариваются, и один из них переходит на вакантную орбиталь d-подуровня, образуя при этом 5 неспаренных электронов.

	валентные электроны	n	L	ML	S
3s				+1/2
3s				-1/2
3p			+1	+1/2
3p				+1/2
3p			-1	+1/2

385. Сера, № 16. 1s²2s²2p⁶3s²3p⁴. Атом серы имеет в нормальном состоянии 2 неспаренных электрона на 3р-подуровне. При возбуждении электроны с 3s- и 3р-подуровней могут распариваться, и переходить на вакантные орбитали d-подуровня, образуя при этом 4 или 6 неспаренных электронов.

	Элек-троны	3s	3p
Кв. числа
N
L
M			-1	-1			+1
S	1/2	-1/2	1/2	-1/2	1/2		1/2

386. Алюминий, № 13. 1s²2s²2p⁶3s²3p¹. Атом алюминия имеет в нормальном состоянии 1 неспаренный электрон на 3р-подуровне. При возбуждении электрон с 3s-подуровня может распариться, и перейти на вакантную орбиталь 3d-подуровня, образуя при этом 3 неспаренных электрона.

	Элек-троны	3s	3p
Кв. числа
N
L
M			-1
S	1/2	-1/2	1/2

387. Кремний, № 14. 1s²2s²2p⁶3s²3p². Атом кремния имеет в нормальном состоянии 2 неспаренных электрона на 3р-подуровне. При возбуждении электроны с 3s-подуровня могут распариваться, и переходить на вакантные орбитали d-подуровня, образуя при этом 4 неспаренных электрона.

	Элек-троны	3s	3p
Кв. числа
N
L
M			-1
S	1/2	-1/2	1/2		1/2

388. Хлор, № 17. 1s²2s²2p⁶3s²3p⁵. Атом хлора имеет в нормальном состоянии 1 неспаренный электрон на 3р-подуровне. При возбуждении электроны с 3s- и 3р-подуровней могут распариваться, и переходить на вакантные орбитали d-подуровня, образуя при этом 3, 5 или 7 неспаренных электронов.

	Элек-троны	3s	3p
Кв. числа
N
L
M			-1	-1			+1
S	1/2	-1/2	1/2	-1/2	1/2	-1/2	1/2

389. Хром, № 24. 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶4s²3d⁴. Атом хрома имеет в нормальном состоянии 4 неспаренных электрона на 3d-подуровне. При возбуждении электроны с 4s-подуровня могут распариваться, и переходить на вакантные орбитали 3d-подуровня, образуя при этом 6 неспаренных электронов.

	Электроны	4s	3d
Квантовые числа
N
L
M			-2		-1				+1
S	0.5	-0.5	0.5		0.5		0.5		0.5

390. Ванадий, № 23. 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶4s²3d³. Атом ванадия имеет в нормальном состоянии 3 неспаренных электрона на 3d-подуровне. При возбуждении электроны с 4s-подуровня могут распариваться, и переходить на вакантные орбитали 3d-подуровня, образуя при этом 5 неспаренных электронов.

	Электроны	4s	3d
Квантовые числа
N
L
M			-2		-1
S	0.5	-0.5	0.5		0.5		0.5

391. Современная формулировка: Свойства простых веществ, а также свойства и формы соединений элементов находятся в периодической зависимости от заряда ядра элементов. Формулировка Менделеева: свойства элементов находятся в периодической зависимости от их атомных весов. Изменение формулировки произошло в связи с работами Мозли (1912 г.), который показал, что истинной основой закона являются не атомные веса, а положительные заряды ядер атомов, численно выражаемые (в е -единицах) атомными номерами соответствующих элементов.

392. Менделеев предсказал существование трех элементов: галлий, скандий, германий. Свойства элементов, предсказанные Менделеевым совпали очень точно, например, для германия:

Предсказано Менделеевым (1871)	Найдено Винклером (1886)
Атомный вес ~72 Удельный вес ~5,5 Металл не вытесняет водород из кислот Оксид ЭО2 Удельный вес оксида 4.7 и др.	72.6 5.35 металл не растворяется в HCl, H2SO4 GeO2 4.70 и др.

393. В 1869 году истинную природу периодического изменения свойств элементов предсказать было невозможно, т.к. еще не была раскрыта структура атома. В настоящее время периодичность изменения свойств элементов связывается с ростом положительных зарядов ядер атомов. Поскольку атом электронейтрален, с ростом положительного заряда ядра увеличивается количество электронов, окружающих атом. Электроны заполняют оболочку последовательно - при этом свойства элементов также периодически изменяются.

394. Атомный номер элемента совпадает с количеством протонов в ядре атома элемента. С ростом атомного номера увеличивается положительный заряд ядра. Соответственно, увеличивается количество электронов, окружающих ядро. Электроны заполняют оболочку вокруг ядра строго последовательно. В связи с этим свойства атомов изменяются периодически.

395. Периодическая система является по отношению к периодическому закону графической формой. ПС содержит в себе громадное количество информации как явной, так и скрытой. Каждый вариант ПС - это способ наглядно представить ту или иную группу периодических свойств элементов. Короткопериодный вариант удобен своей компактностью. В нем наглядно показано как и почему различные элементы объединены в главные и побочные подгруппы. Однако, в короткопериодном варианте периодической системы нелогично разнесены в разные части таблицы d-металлы, разделенные группой благородных газов. Длиннопериодный вариант ПС наглядно представляет периоды, т.к. d-металлы находятся в логичном для них месте. Однако, в длиннопериодном варианте не ясно отражена связь между главными и побочными подгруппами элементов.

396. Короткопериодный вариант удобен своей компактностью. В нем наглядно показано как и почему различные элементы объединены в главные и побочные подгруппы. Однако, в короткопериодном варианте периодической системы нелогично разнесены в разные части таблицы d-металлы, разделенные группой благородных газов.

Длиннопериодный вариант ПС наглядно представляет периоды, т.к. d-металлы находятся в логичном для них месте. Однако, в длиннопериодном варианте не ясно отражена связь между главными и побочными подгруппами элементов.

397. Являющаяся наглядным выражением периодического закона, система элементов Д.И. Менделеева складывается из периодов и групп. Периодов в системе семь, из них три малых и четыре больших. Каждый период (кроме первого и последнего) включает в себя элементы, электронные структуры которых являются промежуточными между структурами двух последовательных инертных газов. Из малых периодов первый содержит только водород и гелий, остальные два - по 8 элементов. Из больших периодов четвертый и пятый содержат по 18 элементов, шестой - 32 элемента и седьмой остается незаконченным. Группы периодической системы объединяют входящие в них элементы по признаку химического сродства. Из них восьмая включает в себя инертные газы, а триады содержат только элементы, относящиеся к большим периодам. В каждой из остальных групп имеются по две подгруппы элементов больших периодов.

398. Элементы одного периода объединяет то, что их внешние (валентные) электроны находятся в одном электронном слое. Элементы одной группы сходны в количестве валентных электронов. Элементы одной группы, но разных подгрупп различаются тем, что они относятся к разным семействам. У элементов одного семейства общим является то, что последний электрон у атомов этих элементов находится на орбиталях с одинаковым орбитальным квантовым числом (l).

399. Периодическая система элементов Д.И. Менделеева складывается из периодов и групп. Периодов в системе семь, из них три малых и четыре больших. Каждый период (кроме первого и последнего) включает в себя элементы, электронные структуры которых являются промежуточными между структурами двух последовательных инертных газов. Из малых периодов первый содержит только водород и гелий, остальные два - по 8 элементов. Из больших периодов четвертый и пятый содержат по 18 элементов, шестой - 32 элемента и седьмой остается незаконченным. Группы периодической системы объединяют входящие в них элементы по признаку химического сродства. Из них восьмая включает в себя инертные газы, а триады содержат только элементы, относящиеся к большим периодам. В каждой из остальных групп имеются по две подгруппы элементов больших периодов. Т.о. емкость уровня совпадает с его заполненостью только для первого и второго периодов. В случае третьего и последующих периодов емкость больше количества элементов. Это связано со следующим явлением: из-за разницы в энергии d- и f-орбитали выталкиваются в верхние электронные слои.

400. Периодическая система элементов Д.И. Менделеева складывается из периодов и групп. Периодов в системе семь, из них три малых и четыре больших. Каждый период (кроме первого и последнего) включает в себя элементы, электронные структуры которых являются промежуточными между структурами двух последовательных инертных газов. Из малых периодов первый содержит только водород и гелий, остальные два - по 8 элементов. Из больших периодов четвертый и пятый содержат по 18 элементов, шестой - 32 элемента и седьмой остается незаконченным. Число электронов в электронном слое определяется принципом Паули (в одном атоме не может быть двух электронов с одинаковым набором четырех квантовых чисел).

Дата добавления: 2015-08-03