Примеры решения задач по курсу химии

Томский межвузовский центр дистанционного образования

Томский государственный университет

систем управления и радиоэлектроники (ТУСУР)

Кафедра промышленной электроники (ПрЭ)





















Контрольная работа №1

по дисциплине «Химия»

	Примеры решения задач по курсу химии











Выполнил:

студент ТМЦДО

специальности 200700









2005г

		
Закончите уравнения реакций:



P2O5+Ca(OH)2=

Sn+O2=

SnCl4+NaOH=

Sn(OH)4+NaOH=

[Mg(OH)]2CO3+HCl=

Ge+O2=

Al+NH3=

AlH3+O2=

SiH4→T

SiH4+O2=



Какие реакции можно использовать в технологии получения плёнок (каких), составить ионные уравнения реакций (где возможно).



Решение:



P2O5+3Ca(OH)2= Ca3(PO4) 2+ 3H2O

Sn+O2= SnO2

SnCl4+4NaOH= 4NaCl+Sn(OH)4

Sn(OH)4+4NaOH= Na4SnO4+4H2O

[Mg(OH)]2CO3+4HCl=2MgCl2+CO2+3H2O





Ge+O2= GeO2

2Al+2NH3=2AlH3+N2

2AlH3+O2=Al2O3+3H2O

SiH4→TSi+2H2

SiH4+2O2=SiO2+2H2O

		При растворении в соляной кислоте 5,4 г сплава алюминия с цинком объём выделившегося водорода, приведённый к н. у. составил 3,8 л. Какой процентный состав сплава?



Решение:



Пусть х – масса алюминия в сплаве, тогда:





Находим V(H2), выделившийся при реакции Al с HCl:



x, г(Al) – y, л(H2)

54 г(Al) – 67,2 л(H2)

y = (67,2*x)/5,4 л.





Находим V(H2), выделившийся при реакции Zn с HCl:



z = ((5,4 г - x)*22,4)/65



Общий V(H2) при реакции сплава с HCl = 3,8 л, следовательно:



z + y = 3,8 (л), тогда находим массу Al:

(67,2 * x)/54+((5,4-x)*22,4)/64=3,8 (л).

22,4*(3x/54+(5,4-x)/64)=3,8

(22,4*46x+97,2)/1152=3,8

46x+97,2=3,8*1152/22,4

46x+97,2=195,4

46x=98,2

x = 2,14 (г) – масса алюминия.



Находим m (Zn):



5,4 – 2,14 = 3,26 (г)

W(Al) = (2,14/5,4)*100% = 39,6%

W(Zn) = (3,26/5,4)*100% = 60,4%



Ответ: состав сплава: 39,6% Al и 60,4% Zn.



		Вычислить изменение энергии Гиббса для химической реакции:



4CO(Г)+2SO2(Г)=S2(T)+4CO2(Г),



при 25оС по стандартным значениям энтальпий образования и абсолютных энтропий. Реакция проводится между чистыми веществами:



		

		

					

		



На основании вычисленной энергии Гиббса сделать вывод о возможности реакции? Измениться ли направление процесса при повышении температуры до 100о Какую роль при этом играют энтальпийный и энтропийный факторы?



Решение:

4СO(r)+2SO2(r)=S2(T)+4CO2(r)



Найдём изменения энтальпии:



 



Найдём изменение энтропии:







Зависимость энергии Гиббса реакции описывается уравнением 







при стандартной температуре t=250C (T=298 K):







При t=1000C (T=373 K):







При стандартной температуре значение ()  свидетельствует о том что реакция смещается вправо, в сторону продуктов реакции, при  ()  но т. к.  менее электроотрицательнее, то процесс смещения идет в право в меньшей степени. А если  было бы >0 то реакция изменила бы направление в обратную сторону.

	Энтропийный и энтальпийный факторы определяют направление реакций, если энтропия не меняется , то фактором, определяющим направление реакции, служит энтальпия, если  то ито это идет процесс с выделением тепла. Если же , то система может перейти только в состоянии с большей энтропией , из-за знака минус изменение энергии Гиббса .

4. Исходя из теплот реакций окисления As2O3 кислородом и озоном



As2O3+O2= As2O5				

3As2O3+2O3= 3As2O5			



Вычислить теплоту образования озона из молекулярного кислорода



3/2O2→O3.



Решение:

Первое уравнение умножим на 3:



3As2O3+3O2=3As2O5				

3As2O3+2O3=3As2O5				



Вычтем из первого уравнения второе: 



3O2=2O3 или 3/2О2=О3.





- процесс самопроизвольно протекать не может.



Константа равновесия реакции FeO(T)+COFe(T)+CO2 при некоторой температуре равна 0,5. Найти равновесные концентрации CO и CO2, если начальные концентрации этих веществ составляли: [CO]=0,05 моль/л, [CO2]=0,01 моль/л.



Решение:



FeO(T)+CO Fe(T)+CO2

К=0,5. 



Начальные концентрации [CO]=0,05моль/л; [CO2]=0,01моль/л.

По мере течения реакции концентрация исходных веществ уменьшается, а концентрация продуктов реакции увеличивается. Изменение концентрации идет в строгом соответствии со стехиометрическими соотношениями, которые берутся из уравнения реакции, примем изменение концентрации [СО] до равновесия равному Х моль/л тогда в момент равновесия его концентрация станет 0,05-Х, а у СО2 увеличится на Х, т.е. будет 0,01+Х. Коэффициенты в уравнении одинаковы n(CO)=n(CO2). Для момента равновесия  концентрации взяты равновесны.



 

0,025-0,5Х=0,01+Х или 1,5Х=0,015 



т. е. Х=n=0,01моль/л отсюда в момент равновесия:



[CO2]1=0,01+0,01=0,02моль/л

[CO]1=0,05-0,01=0,04моль/л



Ответ: [CO2]=0,02моль/л; [CO]=0,04моль/л.



В состоянии равновесия системы CO2+H2=CO+H2O(Г) реакционная смесь имела объёмный состав: 22% CO2, 42% H2, 17% CO, 20% H2O. Вычислить Kp и Kc для этой реакции при 1900 К и давлении 98501 Па.



Решение:

Для вычисления константы равновесия Kp воспользуемся парциальными давлениями реагирующих веществ:







Определим парциальные давления реагирующих веществ:













Определяем Kp:







Между Kp и Kc существует следующая взаимосвязь:







где - разность между числом молей газообразных веществ продуктов реакции и исходных веществ:

=2-2=0, следовательно: .

Ответ: Kp = Kc = 0,37.



Постройте диаграмму состояния систем висмут-теллур по следующим данным:



Bi, вес %

100

93

80

60

52

30

15

0

Температура появления кристаллов, оС

271

250

400

540

570

480

398

430



По построенной диаграмме:

	а) 	Определите тип диаграммы и её особенности;

	б) 	Примените правило фаз Гиббса для всех полей, линий и характерных точек на этой диаграмме;

	в) 	Постройте кривые охлаждения для сплавов, содержащих 0, 20, 15, 52, 80 и 100% висмута. 

Сформулируйте правило фаз Гиббса, что называется фазой, компонентом, эвтектикой?

Решение:







Данная диаграмма представляет собой диаграмму плавкости. В точках А и Е системы инвариантны. Правило фаз для них выглядит как: С = 1 – 2 + 1 = 0. При температурах выше t(A) и t(E) чистые компоненты находятся в расплаве (С = 1 – 1 + 1 = При температурах ниже t(A) и t(E) в твёрдом состоянии (С = 1 – 1 + 1 = 1). 

Точка А характеризует температуру плавления Te, точка E характеризует температуру плавления Bi. 

Линия ABCDE – линия ликвидуса. 

Линия FCG – линия эвтектики, линия солидуса. 

Линия AH – линия солидуса Te.

Линия EJ – линия солидуса Bi.

Линия ABC – расплав, насыщенный Te.

Линия CDE – расплав, насыщенный Bi.

Точка С – расплав, насыщенный Te и Bi.

Линии ликвидуса и солидуса делят диаграмму на несколько полей: 1- ненасыщенный расплав Bi и Te (С = 2 – 1 + 1 = 2); 2 – расплав компонентов Bi и Te и кристаллы Te (С = 2 – 2 + 1 = 1); 3 – расплав компонентов Bi и Te и кристаллы Bi (С = 2 – 2 + 1 = 1); 4 и 5 - кристаллы Bi и Te (С = 2 – 2 + 1 = 1). 

Кривые охлаждения построены на рисунке 2. Все пробы, одинаковые по массе, но разные по концентрации, характеризуются точкой 3. Температурные остановки 5-6 на кривых охлаждения при 0 и 100% Bi указывают на то, что чистые компоненты кристаллизуются при постоянной температуре t(A) и t(E) (С = 1 – 2 + 1 = 0). Участки 3-5 и 6-7 соответствуют охлаждению чистых компонентов в жидком и твёрдом состояниях соответственно (С = 1 – 1 + 1 = 1). Кривые охлаждения 15, 20 и 80%: участок 3-4 отвечает охлаждению состава (С = 2 – 1 + 1 = 2). Точке 4 соответствует температура начала кристаллизации одного из компонентов (15, 20% - Te, 80% - Bi). За счёт выделяющейся теплоты кристаллизации в точке 4 наблюдается излом, но температура кристаллизации расплава не сохраняется постоянной, так как его состав непрерывно меняется, а число степеней свободы равно 1 (С = 2 – 2 + 1 = 1). На участке 4-5 в системе продолжается кристаллизация Te (15 и 20%) и Bi (80%) и каждой температуре соответствует определённый состав насыщенного расплава, который постепенно меняется до эвтектического. Расплав, соответствующий точке 5 становится насыщенным относительно обоих компонентов (точка C на диаграмме), начинается кристаллизация эвтектики, состоящей из кристаллов Te и Bi. Число степеней свободы уменьшается до нуля (С = 2 – 3 + 1 = 0) и температура остаётся постоянной до полного затвердевания смеси (участок 5-6). Продолжительность температурной остановки тем больше, чем ближе состав исходного расплава к составу эвтектики. Участок 6-7 соответствует охлаждению двухфазной системы в твёрдом состоянии (С = 2 – 2 + 1 = 1).

Правило фаз Гиббса – в равновесной системе, на которую из внешних факторов оказывают влияние только температура и давления, число степеней свободы равно числу компонентов минус число фаз плюс два.

Фаза – часть гетерогенной системы, ограниченная поверхностью раздела и характеризующаяся в отсутствие внешнего поля сил одинаковыми химическими, физическими и термодинамическими свойствами во всех своих точках.

Компонентом называют индивидуальное химическое вещество, которое является составной частью системы, может быть выделено из неё и существовать самостоятельно.

Эвтектика – есть смесь из нескольких (двух или более) компонентов, имеющая определённую характерную структуру, и дающая при температуре своего плавления расплав – раствор, насыщенный относительно всех компонентов, входящих в состав.



Возможно ли существование однокомпонентной системы, состоящей из четырёх фаз? Как доказать?



Решение:

Для однокомпонентной системы правило фаз Гиббса принимает вид:



C = 1 – Ф + 2 = 3 – Ф.



Если минимальное число степеней свободы равно нулю (система инвариантна), то Ф = 3. Значит, в равновесной однокомпонентной системе могут существовать максимально три фазы (т, ж, г).





2