МИНИСТЕРСТВО ОБЩЕГО - Помощь студентам

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯВЯТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТХимический факультетКафедра общей химииА.В. Ковалевский, В.И. Вшивцев, С.В. ЖуковинХИМИЯУчебное пособиепо решению типовых задач.Контрольные заданиядля студентов-заочниковнехимических специальностейУтверждено Ученым советомВятского государственногоуниверситета в качествеучебного пособияКиров 2009

Печатается по решению редакционно-издательского советаВятского государственного университетаУДК 54(07)К 561ИНПИ ВятГУ У 000373Рецензент: профессор кафедры химии ВГГУ Е.А. ШишкинКовалевский А.В. Химия: Учебное пособие по решению типовых задач.Контрольные задания по самостоятельной работе / А.В. Ковалевский, В.И.Вшивцев, С.В. Жуковин. Киров: Издательство ВятГУ, 2009. – 98 с.Настоящее учебное пособие разработано в соответствии с Государственнымстандартом высшего профессионального образования по инженернотехническим(нехимическим) специальностям для студентов заочного обучениявсех нехимических специальностей. Издание второе, исправленное.Печатается в авторской редакцииПодписано в печатьУсл. печ.л.Бумага офсетная.Печать матричная.Заказ № Тираж 100+3 БесплатноТекст напечатан с оригинал-макета, предоставленного авторами.___________________________________________________________610 000, г. Киров, ул. Московская, 36.Оформление обложки, изготовление – ПРИП ВятГУ.Лицензия ПД № 01124 от 24.06.01 г.© Вятский государственный университет, 2009© А.В. Ковалевский, 2009© В.И. Вшивцев, 2009© С.В. Жуковин, 2009

3ОглавлениеЦЕЛЬ ИЗУЧЕНИЯ ДИСЦИПЛИНЫ «ХИМИЯ» .................................................... 4ПРОГРАММА КУРСА «ХИМИЯ» ......................................................................... 4КОНТРОЛЬНЫЕ ЗАДАНИЯ ДЛЯ ЭКЗАМЕНА (ЗАЧЕТА) .................................. 7ПРИМЕРЫ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ............................................................................... 9СПОСОБЫ ВЫРАЖЕНИЯ СОСТАВА РАСТВОРА .............................................. 9I. Массовая доля .................................................................................................... 9II. Молярная концентрация. ................................................................................ 11III. Молярная концентрация эквивалента .......................................................... 12IV. Моляльная концентрация.............................................................................. 15V. Титр раствора .................................................................................................. 16КОНТРОЛЬНЫЕ ЗАДАНИЯ ................................................................................. 18СТРОЕНИЕ АТОМА .............................................................................................. 21ХИМИЧЕСКАЯ СВЯЗЬ И СТРОЕНИЕ МОЛЕКУЛ ............................................ 24ЭНЕРГЕТИКА ХИМИЧЕСКИХ РЕАКЦИЙ ......................................................... 29ТЕРМОХИМИЯ ..................................................................................................... 29ЭНТАЛЬПИЙНЫЙ И ЭНТРОПИЙНЫЙ ФАКТОРЫ ПРОЦЕССОВ .................. 32ПОНЯТИЕ ОБ ЭНЕРГИИ ГИББСА ...................................................................... 34КОНТРОЛЬНЫЕ ЗАДАНИЯ ................................................................................. 38ХИМИЧЕСКАЯ КИНЕТИКА. ХИМИЧЕСКОЕ РАВНОВЕСИЕ ........................ 40КОНТРОЛЬНЫЕ ЗАДАНИЯ ................................................................................. 46ИОННО-МОЛЕКУЛЯРНЫЕ (ИОННЫЕ) РЕАКЦИИ ОБМЕНА ......................... 49КОНТРОЛЬНЫЕ ЗАДАНИЯ ................................................................................. 55ОКИСЛИТЕЛЬНО-ВОССТАНОВИТЕЛЬНЫЕ РЕАКЦИИ ................................. 57КОНТРОЛЬНЫЕ ЗАДАНИЯ ................................................................................. 61ЭЛЕКТРОДНЫЙ ПОТЕНЦИАЛ, ЭЛЕКТРОДВИЖУЩИЕ СИЛЫ .................... 64КОРРОЗИЯ МЕТАЛЛОВ ....................................................................................... 70КОНТРОЛЬНЫЕ ЗАДАНИЯ ................................................................................. 74ЭЛЕКТРОЛИЗ ........................................................................................................ 77КОНТРОЛЬНЫЕ ЗАДАНИЯ ................................................................................. 79ОРГАНИЧЕСКИЕ СОЕДИНЕНИЯ. ПОЛИМЕРЫ ............................................... 82КОНТРОЛЬНЫЕ ЗАДАНИЯ ................................................................................. 86КОНТРОЛЬНЫЕ ЗАДАНИЯ ................................................................................. 88БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК .................................................................... 90Приложение ............................................................................................................ 91ТАБЛИЦА ВАРИАНТОВ КОНТРОЛЬНЫХ ЗАДАНИЙ ..................................... 91

4ЦЕЛЬ ИЗУЧЕНИЯ ДИСЦИПЛИНЫ «ХИМИЯ»Целью изучения данной дисциплины в вузе является формирование у студентовфундаментальных знаний по теоретическим основам химии, а также отчетливыхи прочных представлений об основных и практически важных химическихсвойствах простых веществ и их соединений. Знание химии необходимодля плодотворной творческой деятельности современного специалиста любогонаправления. Современный инженер должен использовать в своей работе новейшиедостижения химии и активно участвовать в разработке новых материаловпутем выдвижения перед химиками конкретных задач.Одной из основных задач курса является формирование современного научногопредставления о материи и ее формах, о веществе и его строении, о механизмепревращения химических соединений.ПРОГРАММА КУРСА «ХИМИЯ»1. ВведениеПредмет общей химии. Материя, формы существования материи: веществои поле. Простое вещество и химический элемент.2. Основные химические понятия и стехиометрические законыАтом, молекула, эквивалент. Моль. Молярная масса. Закон сохранениямассы вещества, закон постоянства состава, закон эквивалентов, закон Авогадро.3. Строение атома. Периодический закон и периодическая система Д.И.МенделееваЯдерная модель атома Резерфорда. Строение атома водорода по Бору.Представление о квантах энергии. Понятие о корпускулярно-волновой природеэлектрона. Электронное облако и атомная орбиталь. Квантовые числа, их физическийсмысл. s-, p-, d-, f- орбитали. Размещение электронов в атомах. Принцип

5Паули, принцип наименьшей энергии, правило Гунда, правило Клечковского.Электронные формулы атомов. Периодический закон и строение атома. Структурапериодической системы. Определение химических свойств элементов поих положению в периодической системе. Энергия ионизации, сродство к электрону,электроотрицательность.4. Химическая связь и строение молекулТипы химической связи. Метод валентных связей. Основные параметрыхимической связи (энергия, длина, направленность, насыщаемость). Механизмыобразования ковалентной связи. Гибридизация орбиталей и пространственнаяструктура молекул. Полярная и неполярная связь. Понятие об ионной связи.5. Элементы химической термодинамикиПонятие о внутренней энергии и энтальпии. Закон Гесса, стандартные теплотыобразования химических соединений и применение их для расчетов. Энтропия,энергия Гиббса.6. Химическая кинетика и химическое равновесиеСкорость химической реакции и ее зависимость от различных факторов.Закон действующих масс. Константа скорости реакции. Зависимость скоростиреакции от температуры. Активные молекулы. Энергия активации. Катализ гомогенныйи гетерогенный.Обратимые реакции. Химическое равновесие. Принцип смещения равновесияЛе-Шателье.7. Общие свойства растворовОбщая характеристика растворов. Физические и химические процессыпри растворении. Теория растворов Менделеева. Тепловые явления при растворении.Способы выражения состава растворов. Осмотическое давление. Понижениетемпературы замерзания и повышение температуры кипения растворов.Законы Вант-Гоффа и Рауля.8. Растворы электролитов

6Особенности применения к ним законов Рауля и Вант-Гоффа. Теорияэлектролитической диссоциации. Роль растворителя. Зависимость диссоциацииэлектролита от характера химических связей в молекуле.Степень диссоциации, ее зависимость от концентрации. Сильные и слабыеэлектролиты. Константа диссоциации слабых электролитов. Ионные реакциии ионно-молекулярные уравнения реакций.Электролитическая диссоциация воды. Ионное произведение воды. Водородныйпоказатель рН. Гидролиз солей. Типы гидролиза солей.9. Окислительно-восстановительные реакцииОкисление – восстановление. Степень окисления. Составление уравненийокислительно-восстановительных реакций.10. Вопросы электрохимии. Гальванические элементы. ЭлектролизПонятие об электродных потенциалах. Стандартный электродный потенциал.Ряд стандартных электродных потенциалов. Гальванические элементы.ЭДС. Уравнение Нернста. Химические источники электрической энергии. Аккумуляторы.Электролиз как процесс, обратный работе гальванического элемента. Последовательностьразряда частиц на электродах. Электролиз с нерастворимымии растворимыми анодами. Законы Фарадея. Практическое применение электролиза.11. Коррозия и защита металловОсновные виды коррозии: химическая и электрохимическая. Основныеметоды защиты металлов от коррозии.12. Органические соединения. ПолимерыКлассификация органических соединений. Углеводороды и галогенопроизводные.Кислород и азотсодержащие органические соединения.Понятие об органических полимерах. Методы синтеза органических полимеров.Пластмассы.Важнейшие полимеры и пластмассы, применяемые в хозяйстве.

7КОНТРОЛЬНЫЕ ЗАДАНИЯ ДЛЯ ЭКЗАМЕНА (ЗАЧЕТА)1. Роль химии в развитии основных отраслей промышленности.2. Основные стехиометрические законы химии. Границы их применимости.3. Волновые свойства электрона. Квантовые числа, их физический смысл.4. Строение электронных оболочек атомов. Принципы Паули и наименьшейэнергии. Правило Гунда.5. Энергия ионизации атомов и сродство к электрону. Электроотрицательность.6. Периодический закон, периодическая система Менделеева – периоды,ряды, группы с точки зрения строения атома.7. Описание химической связи методом ВС. Механизмы образования ковалентнойсвязи.8. Свойства ковалентной связи: энергия, насыщаемость, направленность.π- и σ- связи.9. Гибридизация орбиталей. Строение молекул.10. Внутренняя энергия, энтальпия. Закон Гесса.11. Энергия Гиббса и ее изменение при химических процессах.12. Скорость химических реакций. Понятие об активных молекулах.Энергия активации.13. Зависимость скорости реакции от различных факторов: концентрации,температуры, катализаторов.14. Обратимые реакции. Химическое равновесие.15. Константа химического равновесия. Принцип Ле-Шателье.16. Общая характеристика и классификация растворов. Способы выражениясостава растворов.17. Осмотическое давление. Закон Вант-Гоффа.

818. Понижение давления пара над раствором, повышение температурыкипения, понижение температуры замерзания растворов. Законы Рауля.19. Растворы электролитов. Отклонения от законов Рауля и Вант-Гоффадля растворов электролитов.20. Электролитическая диссоциация, ее причины.21. Степень электролитической диссоциации, ее зависимость от концентрации.Сильные и слабые электролиты.22. Константа диссоциации слабых электролитов. Ступенчатая диссоциация.23. Ионные реакции обмена.24. Электролитическая диссоциация воды. Ионное произведение воды.Водородный показатель рН.25. Гидролиз солей.26. Окислительно-восстановительные реакции.27. Понятие об электродном потенциале. Стандартный электродный потенциал.Ряд стандартных электродных потенциалов.28. Уравнение Нернста. Гальванические элементы.29. Аккумуляторы.30. Электролиз. Последовательность разряда частиц на электродах. Перенапряжение.Законы электролиза. Применение электролиза.31. Коррозия металлов. Вопросы экономики, связанные с коррозией металлов.Химическая и электрохимическая коррозия.33. Источники органических веществ. Классификация органических соединений.32. Методы защиты металлов от коррозии.34. Полимеры, методы получения полимеров.35. Полимеры, применяемые в народном хозяйстве.36. Жесткость воды. Методы умягчения воды.

12Находим молярную концентрацию раствора:С (Х) =mр.в-ваМ(Х ) × V,38С(H 3 PO 4 ) = = 0, 194(моль/л).98 × 2III. Молярная концентрация эквивалента (эквивалентная концентрацияили устаревшее название – нормальная концентрация).С (1/Z(х)) показывает число молей эквивалента растворенного вещества, содержащегосяв 1 л раствора. Единица измерения – моль/л.С( ( )n(X= илиV)1/ Z X )Сm=M( X )( 1/ Z(X )),Э × V( Х )где n (х) – число молей эквивалента растворенного вещества;М Э(х) – молярная масса эквивалента растворенного вещества, г/моль;m (х) – масса растворенного вещества, г;V – объем раствора, л;1/Z – фактор эквивалентности (f экв. ).Фактор эквивалентности – это число, обозначающее, какая доля реальнойчастицы вещества эквивалентна одному иону водорода в данной кислотноосновнойреакции или одному электрону в данной окислительновосстановительнойреакции. Фактор эквивалентности может равняться единицеили может быть меньше ее.

Например:13f экв (HCl) = 1;f экв. (H 2 SO 4 ) = ½,f экв = 1/Z ,где Z – число эквивалентности.Масса 1 моля эквивалента элемента называется его молярной массой эквивалентаи численно равна относительной массе эквивалента, выраженной вграммах на моль. Молярная масса эквивалента равна произведению фактораэквивалентности на молярную массу вещества:М э(х) = f экв × М (х) =М (Х )ZДля определения числа эквивалентности Z необходимо учитывать класснеорганического вещества и тип протекающей химической реакции. Так, длягидроксидов Z определяется числом гидроксильных групп, т.е. кислотностью,например:М(Al(OH)М э (Al(OH) 3 ) = 3 ) 78= = 26 (г/моль).3 3Для кислот Z определяется числом ионов водорода, способных замещатьсяна ионы металла, т.е. основностью кислоты, например:М э (H 2 SO 4 ) =М ( Н 2SО4 ) 98= = 49 (г/моль).2 2

14Для солей Z определяется произведением валентности металла на числоатомов металла, например:M э (CaCl 2 ) =М ( СаСl2 ) 111 = = 55,5 (г/моль).2 × 1 2Если известна молярная концентрация раствора C (х) , то молярная концентрацияэквивалента С (1/Z X) может быть найдена по формулеС (1/Z(х)) = C (x) × Z.Пример 4. Сколько граммов Na 2 SO 4 потребуется для приготовления 2 лраствора с молярной концентрацией эквивалента 0,4 моль/л? Чему равна молярнаяконцентрация этого раствора?Решение. Определим молярную массу эквивалентов соли Na 2 SO 4 .M(NaM э (Na 2 SO 4 ) =2SO4 )2 × 1=1422= 71 (г/моль).Используя формулу для расчета молярной концентрации эквивалентаСmр.в-ва( 1/ Z =( X )),M Э × V( Х )находим массу Na 2 SO 4 :m(Na 2 SO 4 ) = C 1/Z (Na 2 SO 4 ) × M э (Na 2 SO 4 ) × V = 0,4 × 71 × 2 = 56,8 (г).Молярная концентрация этого раствора составляетС1/( 2 4 0,4C(Na 2 SO 4 ) = Z Na SO ) = = 0,2 (моль/л).Z 2

15Пример 5. 20,0 мл раствора хлорида калия реагируют с 23,53 мл растворанитрата серебра, молярная концентрация эквивалента которого равна 0,02моль/л. Вычислить молярную концентрацию эквивалента раствора хлорида калия?Решение. По закону эквивалентов объемы реагирующих растворов обратнопропорциональны их молярным концентрациям эквивалентов:V ( KCl)C1/Z ( AgNO3)= ,V ( AgNO3)C1/Z ( KCl)C1 / Z ( KCl)=23 ,53 ×0,02=0,023 (моль/л)20IV. Моляльная концентрация (C m ) выражается числом молей растворенноговещества, содержащихся в 1000 г растворителя. Единица измерения –моль/кг.С m =mМ. × 1000,× mр в-ва( Х )р-лягде m р-ля – масса растворителя.Пример 6. Определить моляльную концентрацию раствора, содержащего54 г глюкозы C 6 H 12 O 6 в 250 г воды.Решение. Зная молярную массу глюкозы:М(C 6 H 12 O 6 ) = 12 × 6 + 1 × 12 + 16 × 6 = 180 (г/моль), находим

С m =m(С6Н12О6) × 1000,М ( С Н О ) × m(Н О)6126216С m =54 × 1000180 × 250= 1,2 (моль/ 1000 г H 2 O).Пример 7. Определить моляльную концентрацию 10%-ного водного раствораэтилового спирта C 2 H 5 OH.Решение. Находим молярную массу этилового спирта:M(C 2 H 5 OH) = 12 × 2 + 5 + 16 + 1 = 46 (г/моль).В условии дана массовая доля растворенного вещества, что позволяет вформуле для расчета С m использовать числа единиц массы растворенного вещества(10 ед.м. C 2 H 5 OH) и растворителя (90 ед.м. H 2 O):m(C2H5OH)× 1000 10 × 1000С m = = = 2,4 (моль/1000 г H 2 O).M(C2H5OH)× m(H 2O)46 × 90V. Титр раствора показывает, какая масса вещества содержится в раствореобъемом 1 мл.Зная молярную концентрацию эквивалента раствора (С 1/Z ) и молярнуюмассу эквивалента растворенного вещества (М э ), титр легко найти по формулеТ =С1/Z × МЭ.1000Часто необходимо уметь переводить от одного выражения состава растворак другому.

19вивалента 0,2 моль/л. Какова молярная концентрация эквивалента раствораAgNO 3 ? Какая масса AgCl выпала в осадок?8. Какой объем раствора соляной кислоты с массовой долей HСl 20% иплотностью 1,10 г/мл требуется для приготовления 1 л раствора кислоты с массовойдолей HСl 10,17% и плотностью 1,05 г/мл?9. Смешали 10 мл раствора азотной кислоты с массовой долей HNO 3 10%плотностью 1,056 г/мл и 100 мл раствора азотной кислоты с массовой долейHNO 3 30% плотностью 1,184 г/мл. Вычислите массовую долю HNO 3 в полученномрастворе.10. Какой объем раствора гидроксида калия плотностью 1,538 г/мл с массовойдолей КОН 50% требуется для приготовления 3 л раствора гидроксидакалия плотностью 1,048 г/мл с массовой долей КОН 6%?11. Какой объем раствора карбоната натрия с массовой долей Na 2 CO 310% и плотностью 1,105 г/мл требуется для приготовления 5 л раствора карбонатанатрия с массовой долей Na 2 CO 3 2% и плотностью 1,02 г/мл?12. На нейтрализацию 31 мл раствора щелочи с молярной концентрациейэквивалента 0,16 моль/л требуется 217 мл раствора H 2 SO 4 . Чему равны молярнаяконцентрация эквивалента и титр раствора H 2 SO 4 ?13. Какой объем раствора кислоты молярной концентрацией эквивалента0,3 моль/л требуется для нейтрализации раствора, содержащего 0,32 г NaOH в40 мл?14. На нейтрализацию 1 л раствора, содержащего 1,4 г КОН, требуется50 мл раствора кислоты. Вычислите молярную концентрацию эквивалента растворакислоты.15. Какая масса HNO 3 содержалась в растворе, если на нейтрализациюего потребовалось 35 мл раствора NaOH с молярной концентрацией эквивалента0,4 моль/л? Каков титр раствора NaOH?16. Какую массу NaNO 3 нужно растворить в 400 г воды, чтобы приготовитьраствор нитрата натрия с массовой долей NaNO 3 20%?

2017. Смешали 300 г раствора хлорида натрия с массовой долей NaCl 20% и500 г раствора хлорида натрия с массовой долей NaCl 40%. Чему равна массоваядоля соли в полученном растворе?18. Смешали 247 г раствора серной кислоты с массовой долей H 2 SO 4 62%и 145 г раствора серной кислоты с массовой долей H 2 SO 4 18%. Какова массоваядоля H 2 SO 4 в полученном растворе?19. Из 700 г раствора серной кислоты с массовой долей H 2 SO 4 60% выпариваниемудалили 200 г воды. Чему равна массовая доля H 2 SO 4 в оставшемсярастворе?20. Из 10 кг раствора соли с ее массовой долей 20% при охлаждении выделилось400 г соли. Чему равна массовая доля соли охлажденного раствора?

мать?21СТРОЕНИЕ АТОМАПример 1. Что такое квантовые числа? Какие значения они могут прини-Решение. Движение электрона в атоме носит вероятностный характер.Околоядерное пространство, в котором с наибольшей вероятностью (0,9-0,95)может находиться электрон, называется атомной орбиталью (АО). Атомная орбиталь,как любая геометрическая фигура, характеризуется тремя параметрами(координатами), получившими название квантовых чисел (n, l, m l ). Квантовыечисла принимают не любые, а определенные, дискретные (прерывные) значения.Соседние значения квантовых чисел различаются на единицу. Квантовыечисла определяют размер (n), форму (l) и ориентацию (m l ) атомной орбитали впространстве. Занимая ту или иную атомную орбиталь, электрон образует электронноеоблако, которое у электронов одного и того же атома может иметь различнуюформу. Формы электронных облаков аналогичны АО. Их также называютэлектронными или атомными орбиталями. Электронное облако характеризуетсячетырьмя квантовыми числами (n, l, m l и m s ). Эти квантовые числа связаныс физическими свойствами электрона, и число n (главное квантовое число)характеризует энергетический (квантовый) уровень электрона: число l (орбитальное)– момент количества движения (энергетический подуровень), число n l(магнитное) – магнитный момент, m s – спиновое число. Спин электрона возникаетза счет вращения его вокруг собственной оси. Электроны в атоме должныотличатся хотя бы одним квантовым числом (принцип Паули), поэтому в АОмогут находиться не более двух электронов, отличающихся своими спинами (m s= ±1/2). В табл.1 приведены значения и обозначения квантовых чисел, а такжечисло электронов на соответствующем энергетическом уровне и подуровне.Пример 2. Составьте электронные формулы атомов элементов с порядковыминомерами 16 и 22. Покажите распределение электронов этих атомов поквантовым (энергетическим) ячейкам.

22Решение. Электронные формулы отображают распределение электроновв атоме по энергетическим уровням, подуровням (атомным орбиталям). Электроннаяконфигурация обозначается группами символов nl x , где n – главноеквантовое число; l – орбитальное квантовое число (вместо него указывают соответствующеебуквенное обозначение – s, р, d, f); x – число электронов в данномподуровне (орбитали). При этом следует учитывать, что электрон занимает тотэнергетический подуровень, на котором он обладает наименьшей энергией –меньшая сумма n + l (правило Клечковского). Последовательность заполненияэнергетических уровней и подуровней следующая:1s® 2s® 2p® 3s® 3p® 4s® 3d® 4p® 5s® 4d® 5p® 6s® (5d 1 )4f ®5d® 6p® 7s® (6d 1-2 )® 5f® 6d® 7p Таблица 1обозначениеЗначения квантовых чисел и максимальное число электроновна квантовых уровнях и подуровняхКвантовыйМагнитное квантовое Число квантовыхуровень подуровень число m 1 состояний (орбиталейтроновглавнознатальровннеобо-орби-в поду-в уров-вn 2 поду-квантовониече-ное(2l+l)ровнекван-2(2l+l)число товоеnчислоlМаксимальноечисло элек-вуровне2n 2К 1 s 0L 2 s 0p 1M 3 s 0p 1d 2N 4 s 0p 1d 2f 300-1 0;+10-1 0;+1-2;-1 0;+1;+20-1 0;+1-2;-1 0;+1;+2-3;-2;-1 0;+1;+2;+31 1 2 21 4 2 83 61 23 9 6 185 101 23 65 16 10 327 14

23Так как число электронов в атоме того или иного элемента равно его порядковомуномеру в таблице Д.И.Менделеева, то для элементов № 16 (сера) и№ 22 (титан) электронные формулы имеют вид16S 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 422Ti 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 2 4s 2Электронная структура атома может быть также изображена в виде схемразмещения электронов в квантовых (энергетических) ячейках, которые являютсясхематическим изображением атомных орбиталей (АО). Квантовую ячейкуобозначают в виде прямоугольника , кружка O или линейки ¾, а электроныв этих ячейках обозначают стрелками. В каждой квантовой ячейке может бытьне более двух электронов с противоположными спинами ¯­, ¯­, ¯­. В данномпособии применяют линейки. Орбитали данного подуровня заполняются сначалапо одному электрону с одинаковыми спинами, а затем по второму электронус противоположными спинами (правило Хунда) (обычно указывают внешнийслой и предвнешний – если d-элемент):¯­ ¯ ¯ ¯­S ... ¯­ 3p Ti ... ¯ ¯ 4s4s3d

24ХИМИЧЕСКАЯ СВЯЗЬ И СТРОЕНИЕ МОЛЕКУЛПример 1. Какую валентность, обусловленную неспаренными электронами(спинвалентность), может проявлять фосфор в нормальном и возбужденном(*) состояниях?Решение. Распределение электронов внешнего энергетического уровняфосфора . . .3s 2 3p 3 (учитывая правило Хунда, 3s 2 3p x 3p y 3p z ) по квантовымячейкам имеет вид¯ ¯ ¯15P ¯­ 3p3sАтомы фосфора имеют свободные d-орбитали, поэтому возможен перехододного 3s-электрона в 3d-состояние:¯¾¾ ¾¾ ¾¾ ¾¾15P * ¯ 3p3s¯ ¯ ¯ 3dОтсюда валентность (спинвалентность) фосфора в нормальном состоянииравна трем, а в возбужденном – пяти.Пример 2. Что такое гибридизация валентных орбиталей? Какое строениеимеют молекулы типа АВ n , если связь в них образуется за счет sp, sp 2 , sp 3 – гибридизацияорбиталей атома А?Решение. Теория валентных связей (ВС) предполагает участие в образованииковалентных связей не только “чистых” АО, но и “смешанных”, так называемыхгибридных, АО. При гибридизации первоначальная форма и энергии

25орбиталей (электронных облаков) взаимно изменяются и образуются орбитали(облака) новой одинаковой формы и одинаковой энергии. Число гибридных орбиталейравно числу исходных. Ответ на поставленный вопрос отражен в табл.2.Пример 3. Как метод ВС описывает образование химических связей междуатомами углерода и водорода в молекуле метана?Решение. Атом углерода в невозбужденном и возбужденном состояниях:¯ ¯ ¯ sp 36С 1S 2 2S 2 2p 2 6С * ¯ 2p H ¯2s1sВ образовании связей в атоме участвуют электроны второго энергетическогоуровня: один s-электрон и три р-электрона, которые занимают четыреравноценных гибридных орбитали (sp 3 -гибридизация), располагающиеся подуглом 109º. Молекула СН 4 -тетраэдр.Гибридизация орбиталей и пространственнаяконфигурация молекулТаблица 2ТипмолекулыАВ 2АВ 3АВ 4АВ 5АВ 6Исходныеорбиталиатома Аs+ps+p+ps+p+p+ps+p+p+p+ds+p+p+p+d+dЧислогибридныхорбиталейатома Аsp2sp 23sp 34sp 3 d 5sp 3 d 2 6ТипгибридизацииПростанственнаяконфигурациямолекулыЛинейнаяТреугольнаяТетраэдрическаяБипирамидаОктаэдр

26КОНТРОЛЬНЫЕ ЗАДАНИЯ21. а) Напишите электронную формулу атома элемента с порядковым номером28. Покажите распределение электронов этого атома по квантовым ячейкам.К какому электронному семейству относится этот элемент?б) Как метод валентных связей (ВС) объясняет строение молекулы воды?22. а) Напишите электронную формулу атома элемента с порядковым номером26. Покажите распределение электронов этого атома по квантовым ячейкам.К какому электронному семейству относится этот элемент?б) Какую ковалентную связь называют полярной? Что служит количественноймерой полярности ковалентной связи? Исходя из значений электроотрицательностиатомов соответствующих элементов, определите, какая из связей:HI, ICl, BrF – наиболее полярна.23. а) Какое максимальное число электронов могут занимать s-, p-, d-, f-орбитали данного энергетического уровня? Почему?б) Какой способ образования ковалентной связи называют донорноакцепторным?Какие химические связи имеются в ионе BF - 4 ? Укажите донор иакцептор.24. а) Напишите электронные формулы атомов элементов с порядковыминомерами 25 и 34. К какому электронному семейству относится каждый из этихатомов?б) Как метод валентных связей (ВС) объясняет линейное строение молекулыBeCl 2 ?25. а) Какие орбитали атомов заполняются электронами раньше:4s или 3d; 5s или 4р? Почему?б) Какую ковалентную связь называют s-связью и какую p-связью? Разберитена примере молекулы азота.26. а) Напишите электронные формулы ионов S 2- и Ca 2+ .

27б) Как метод валентных связей (ВС) объясняет тетраэдрическое строениемолекулы ССl 4 ?Почему?27. а) Какие орбитали атома заполняются раньше: 4d или 5s; 6s или 5р?б) Как метод валентных связей (ВС) объясняет треугольное строение молекулыВF 3 ?28. а) Сколько атомных орбиталей содержит третий энергетический уровень?б) Что называют электрическим моментом диполя? Какая из молекул HСl,HBr, HI имеет наибольший момент диполя?29. а) Пользуясь правилом Хунда, расположите электроны по орбиталямдля атома железа.б) Как метод валентных связей (ВС) объясняет пирамидальное строениемолекулы NF 3 ?30. а) Напишите электронную формулу атома элемента с порядковым номером40. Сколько свободных d-орбиталей у атома этого элемента?б) Как метод валентных связей (ВС) объясняет угловое строение молекулыH 2 S?31. а) Напишите электронные формулы ионов F - и Мn 2+ .б) Как метод валентных связей (ВС) объясняет тетраэдрическое строениемолекулы SiF 4 ?32. а) Напишите электронную формулу атома элемента с порядковым номером15. Чему равен максимальный спин р-электронов у атома этого элемента?б) Какую химическую связь называют водородной? Между молекуламикаких веществ она образуется? Почему H 2 O и HF, имея меньшую молекулярнуюмассу, плавятся и кипят при более высоких температурах, чем их аналоги?33. а) Напишите электронную формулу атома элемента с порядковым номером23. Сколько свободных d-орбиталей в атоме этого элемента?

28б) Каков тип гибридизации электронных облаков в молекуле AlF 3 ? Какуюпространственную конфигурацию имеет эта молекула?34. а) Какие элементы в периодической системе называются s-, p-, d- и f-элементами? Приведите примеры.б) Какой тип гибридизации электронных облаков в молекуле PF 5 ? Какуюпространственную конфигурацию имеет эта молекула?35. а) Структура валентного электронного слоя атома элемента выражается. . .5s 2 5p 5 ; . . .4d 5 5s 2 . Определите номера этих элементов.б) Какие силы молекулярного взаимодействия называют ориентационными,индукционными и дисперсионными?36. а) Среди приведенных ниже электронных конфигураций укажите невозможныеи объясните причину невозможности их реализации:1p 3 , 3p 6 , 3s 2 , 2s 3 , 3d 5 , 2d 3 , 3f 12 , 2p 4 .б) Какой тип гибридизации атомных орбиталей серы осуществляется приобразовании молекулы SF 6 ? Какую пространственную конфигурацию имеет этамолекула?37. а) Напишите электронную формулу атома элемента с порядковым номером24, учитывая, что происходит “провал” одного 4s- электрона на 3dподуровень.Чему равен максимальный спин d-электронов у атома этого элемента?б) Как метод валентных связей (ВС) объясняет пирамидальное строениемолекулы РН 3 ?38. а) Квантовые числа для электронов внешнего энергетического уровняатомов некоторого элемента имеют следующие значения: n = 4, l = 0, m = 0,m s = 1/2. Напишите электронную формулу атома этого элемента.б) Как метод валентных связей объясняет пирамидальное строение молекулыPF 3 ?39. а) В чем заключается принцип Паули? Может ли быть на какомнибудьподуровне атома p 7 или d 12 -электронов? Почему?

29б) Как метод валентных связей объясняет пирамидальное строение молекулыNH 3 ?40. а) Составьте электронную формулу атома элемента с порядковым номером42, учитывая, что происходит “провал” одного 5s-электрона на 4dподуровень.К какому электронному семейству относится этот элемент?б) Как метод валентных связей объясняет тетраэдрическое строение молекулыSiH 4 ?ЭНЕРГЕТИКА ХИМИЧЕСКИХ РЕАКЦИЙК важнейшим величинам, характеризующим химические системы, относятсяэнтальпия H, энтропия S и энергия Гиббса (изобарно-изотермический потенциал)G. Все эти величины являются функциями состояния, т.е. зависяттолько от начального и конечного состояний системы, но не зависят от пути реакции.ТЕРМОХИМИЯТермохимия занимается изучением тепловых эффектов химических процессов,которые протекают либо с выделением, либо с поглощением теплоты.Первые называются экзотермическими, вторые – эндотермическими. Количествовыделенной или поглощенной теплоты называют тепловым эффектомпроцесса. Вместо этого термина используют также термин “изменение энтальпии”или просто “энтальпия” процесса. DH = H 2 – H 1 , где 1 и 2 – начальноеи конечное состояния системы. Химические уравнения, в которых указантепловой эффект реакции, называются термохимическими. Тепловой эффектDН считают положительным для эндотермических процессов и отрицательным– для экзотермических. Значение DН реакции указывают после уравнения реакции(через точку с запятой). Значение DН относят к числу молей веществ, уча-

30ствующих в реакции, которое указывают стехиометрическими коэффициентами(часто они бывают дробными). Кроме того, в термохимических уравнениях отмечаютсостояние веществ (жидкое, газообразное, твердое). Если специально неоговорено, то DН приводится для стандартной температуры и стандартногодавления. Между системами реагентов и конечных продуктов ставят знак равенства,а не стрелку. Слово “моль” в единицах измерения кДж/моль опускают,так как DН относится не к одному молю, если стехиометрический коэффициентне равен единице:1/2Н 2(г) + 1/2Cl 2(г) = HСl (г) ; DН = –92 кДж.Основной закон термохимии был сформулирован русским ученым Гессомв 1940 г: если из данных исходных веществ можно различными способамиполучить заданные конечные продукты, то независимо от путей ихполучения суммарный тепловой эффект будет одним и тем же. Из законаГесса вытекают два важных вывода:- тепловой эффект реакции равен сумме теплот образования продуктовреакции за вычетом суммы теплот образования исходных веществ;- тепловой эффект реакции равен сумме теплот сгорания исходных веществза вычетом суммы теплот сгорания продуктов реакции.Первое следствие имеет общее значение, второе важно для органическихсоединений.Под теплотой (энтальпией) образования обычно понимают тепловойэффект образования одного моля вещества из простых веществ, устойчивых при25 0 С и 1 атм.Стандартная энтальпия образования вещества (DН 0 ) – это изменениеэнтальпии в процессе образования данного вещества в стандартном состоянии

31из термодинамически устойчивых форм простых веществ, также находящихсяв стандартном состоянии.Для многих веществ стандартные теплоты образования известны и сведеныв таблицы. Составление таких таблиц упрощает расчеты, так как путемкомбинации нескольких сот известных величин можно получить значения DНдля десятка тысяч реакций, не прибегая к эксперименту.Пример. Рассчитайте стандартное изменение энтальпии реакцииBaCO 3(тв) = ВaO (тв) + СО 2(г) ,пользуясь стандартными теплотами образования реагирующих веществ.Сколько теплоты выделится (поглотится) при разложении карбоната бария количествомвещества 15 моль?Решение.DН 0 х.р = DН 0 [BaO (тв) ] + DН 0 [CO 2(г) ] – DН 0 [BaCO 3(тв) ].Пользуясь табличными данными, получаем:DН 0 х.р = -557,6 + (–393,3) – (–1217,6) = 266,7 (кДж/моль).При разложении 15 молей BaCO 3 поглотится 15 × 266,7 = 4000 (кДж).Состоянию простых веществ всегда соответствует DН 0 = 0. Кроме того,при алгебраическом суммировании теплот следует учитывать стехиометрическиекоэффициенты в химических уравнениях.

32ЭНТАЛЬПИЙНЫЙ И ЭНТРОПИЙНЫЙ ФАКТОРЫ ПРОЦЕССОВНаправление, в котором самопроизвольно протекает химическая реакция,определяется двумя факторами. С одной стороны, система стремится перейти всостояние с наименьшей энтальпией. С другой стороны, система стремится кбеспорядку. Мерой неупорядоченности системы является энтропия (S). Онарастет при плавлении или возгонке твердого вещества, при кипении жидкости,т.е. при переходе вещества из состояния с меньшей энергией в состояние сбольшей энергией. Ростом энтропии сопровождается химическое взаимодействие,протекающее с увеличением объема. Наоборот, все процессы, связанные сувеличением упорядоченности, например отвердевание, конденсация, связаны суменьшением энтропии. Уменьшением энтропии сопровождается и химическаяреакция, протекающая с уменьшением объема, например полимеризация.Изменение энтропии DS в химических реакциях вычисляют как разностьмежду энтропиями конечного и начального состояний. Например, для реакции,протекающей в системеaA + bB = dD + Cc, DS = (dS D + cS C ) – (aS A + bS B ).При расчете DS следует иметь ввиду, что для простых веществ S ¹ 0 (в отличиеот DН). Единицей измерения энтропии является Дж/моль×К.Энтропия в стандартном состоянии называется стандартной и обозначаетсяS 0 . Эти значения сведены в табл. 3.уравнениюПример 1. Вычислите изменение энтропии для реакции, протекающей по2CH 4(г) = С 2 Н 2(г) + 3Н 2(г) ,

33и объясните полученный результат.Решение. Согласно изложенному вышеDS = S (C 2 H 2 ) + 3S(H 2 ) – 2S(CH 4 )Воспользуемся табличными данными:DS = 200,9 + 3 × 130,4 – 2 × 186,0 = 220 (Дж/моль×К).DS>0. Возрастание энтропии в данном примере связано с увеличениемобъема системы.Поскольку DН измеряется в кДж/ моль, а DS – кДж/моль×К, то для количественногосопоставления этих тенденций нужно выразить характеризующие ихфакторы в одинаковых единицах измерения. Такое преобразование можно осуществить,умножив DS на Т, учитывая, что в величине ТDS оба сомножителявыражают стремление к беспорядку.Произведение ТDS (кДж/моль) является энтропийным фактором процесса,а DН (кДж/моль) – энтальпийным фактором. В состоянии равновесия две тенденции– стремление частиц к объединению в более крупные агрегаты и, наоборот,их стремление к дезагрегации одинаковы, т.е. энтальпийный DН и энтропийныйТDS факторы компенсируют друг друга. При этом справедливо равенствоDН = ТDS.Это равенство является условием термодинамического равновесия системы.Из этого условия всегда можно рассчитать температуру, при которой начнетсятот или иной процесс.

34Пример 2. Рассчитайте, при какой температуре начнется реакция восстановленияFe 3 O 4 , протекающая по уравнению:Fe 3 O 4(тв) + СО (г) = 3FeO (тв) + CO 2(г) ;DН = +34,2 кДж/моль, если изменение энтропии в данном процессе DS = =31,02 Дж/моль×К.Решение. Исходим из условия, что DН = ТDS. Отсюда: Т = DН/DS. Подставимзначения DН и DS:34,2кДж/ мольТ =0,03102кДж/ моль × К= 1102,4 К.ПОНЯТИЕ ОБ ЭНЕРГИИ ГИББСАДля решения вопроса о возможности протекания реакции недостаточнообладать “химической интуицией”. Необходим количественный критерийпринципиальной осуществимости реакции. Химические процессы характеризуютсясвоим потенциалом, который уменьшается в самопроизвольно протекающихреакциях. Этот потенциал называют изобарно-изотермическим потенциаломили просто изобарным потенциалом. Его обозначают буквой G в честь американскогоученого Гиббса, который ввел в термодинамику эту функцию. В егоже честь эту величину принято также называть энергией Гиббса.Условием принципиальной осуществимости процесса, т.е. возможностисамопроизвольного протекания реакции, является неравенство DG < 0, где DG –убыль изобарного потенциала.Подобно энтальпии Н энергию Гиббса G определить нельзя. Однако можноточно измерить разность DG для различных процессов. Для вычисления зна-

35чения DG реакции применим метод расчета, аналогичный способу вычисленияDН и DS реакции.Например, для процесса aA + bB = cC + dD имеемDG = [ dDG(D) + cDG(C)] – [ aDG(A) + bDG(B)].При этом, как и для DН, значения DG простых веществ равны нулю.Величина DG связана с DН и DS соотношениемDG = DН – ТDS.Изменение энергии Гиббса для процессов, в которых каждое веществонаходится в стандартном состоянии, принято обозначать DG 0 . Эти значения (каки DН 0 и S 0 ) также сведены в табл. 3.Пример. Может ли в стандартных условиях самопроизвольно протекать впрямом направлении реакция Fe 2 O 3(тв) + 3Н 2(г) = 2Fe (тв) + 3H 2 O (ж) ? Задачу решитена основании стандартных теплот образования и абсолютных стандартныхэнтропий реагирующих веществ.Решение. Воспользовавшись табличными данными, как показано выше,найдем: DН 0 х.р = -35,4 кДж/моль, а DS 0 х.р. = -213,8 Дж/моль×К.Подставим эти значения в уравнениеDG = DН – ТDS.DG 0 = –35,4 кДж/моль – 298(–213,8×10 -3 кДж/моль).DG 0 = 28,34 кДж; DG > 0.

36Значит, в данных условиях реакция невозможна.

Стандартные термодинамические величины некоторых веществ37Таблица 3Вещество(формула)СостояниеDH 0 ,кДж/мольS 0 ,Дж/(моль×К)DG 0 ,кДж/моль1 2 3 4 5BaCO 3BaOBeCO 3BeOC (графит)COCO 2CH 4C 2 H 2C 2 H 4CH 3 OHC 2 H 5 OHCaOCa(OН) 2CaCO 3Cl 2FeFeOFe 2 O 3Fe 3 O 4H 2HClH 2 OH 2 ON 2NH 3NH 4 ClNOO 2PCL 3PCl 5TiTiO 2тв.тв.тв.тв.тв.г.г.г.г.г.ж.ж.тв.тв.тв.г.тв.тв.тв.тв.г.г.г.ж.г.г.тв.г.г.г.г.тв.тв.-1217,6-557,6-1201,1-610,30,0-110,3-393,3-74,8226,952,3-238,8-277,8-634,9-985,0-985,60,00,0-266,2-821,4-1116,00,0-92,3-241,6-285,50,0-46,0-315,290,30,0-306,0-591,50,0-940,1112,070,2112,214,25,7197,7213,6186,0200,9219,6126,9160,839,7+83,076,0222,827,253,988,9146,3130,4186,4188,569,8191,4192,394,5210,2204,8311,4324,3302,650,1-1138,8-528,4-944,8-581,60,0-137,3-394,4-50,79209,2-897,1-1128,00,00,0-244,3-1014,20,0-228,6-237,20,086,70,0

38КОНТРОЛЬНЫЕ ЗАДАНИЯ41. Рассчитайте стандартные изменения энтальпии реакцииFe 2 O 3(тв) + 3CO (г) = 2Fe (тв) + 3CO 2(г) , пользуясь стандартными теплотамиобразования реагирующих веществ. Сколько теплоты выделится (поглотится)при образовании железа массой 224 г?42. Кристаллический хлорид аммония образуется при взаимодействии газообразныхаммиака и хлорида водорода. Напишите термохимическое уравнениеэтой реакции, вычислите ее тепловой эффект. Сколько теплоты выделится,если в реакции было израсходовано 10 л аммиака в расчете на нормальные условия?43. Вычислите, сколько теплоты выделится при сгорании 165 л ацетилена(нормальные условия), если продуктами сгорания являются диоксид углерода ипары воды.44. При какой температуре наступит равновесие в системе4HCl (г) + O 2(г) ® 2H 2 O (г) + 2Cl 2(г) ; DH = –114,42 кДж?45. Восстановление Fe 3 O 4 оксидом углерода идет по уравнениюFe 3 O 4(тв) + CO (г) = 3FeO (тв) + CO 2(г). . Вычислите DG 0 и сделайте вывод овозможности самопроизвольного протекания этой реакции при стандартных условиях.Чему равно DS 0 в этом процессе?46. Напишите термохимическое уравнение реакции горения одного моляэтилового спирта, в результате которой образуются пары воды и диоксид углерода.Вычислите теплоту образования C 2 H 5 OH (ж) , если известно, что при сгорании11,5 г его выделилось 308,71 кДж теплоты.47. Чем можно объяснить, что при стандартных условиях невозможна экзотермическаяреакция H 2(г) + CO 2(г) = CO (г) + H 2 O (ж) ; DH 0 = –2,85 кДж? Зная тепловойэффект реакции и абсолютные стандартные энтропии соответствующихвеществ, определите DG 0 этой реакции.48. При какой температуре наступит равновесие системы

39CO (г) + 2H 2(г) ® CH 3 OH (ж) ; DH 0 = –128,05 кДж?49. При какой температуре наступит равновесие системыCH 4(г) + CO 2(г) ® 2CO (г) + 2H 2 (г) ; DH 0 = +247,37 кДж?50. На основании стандартных теплот образования и абсолютных стандартныхэнтропий соответствующих веществ вычислите DG 0 реакции, протекающейпо уравнению 4NH 3 (г) + 5O 2(г) = 4NO (г) + 6H 2 O (г) .Возможна ли эта реакция при стандартных условиях?51. На основании стандартных теплот образования и абсолютных стандартныхэнтропий соответствующих веществ вычислите DG 0 реакции, протекающейпо уравнению CO 2(г) + 4H 2(г) = CH 4(г) + 2H 2 O (ж) .Возможна ли эта реакция при стандартных условиях?52. Вычислите DH 0 , DS 0 и DG 0 реакции, протекающей по уравнениюFe 2 O 3(тв) + 3H 2(г) = 2Fe (тв) + 3H 2 O (г) . Возможна ли реакция восстановления Fe 2 O 3водородом при 500 К и 2000 К?53. Какие из карбонатов BeCO 3 или BaCO 3 можно получить по реакциивзаимодействия соответствующих оксидов с CO 2 ? Какая реакция идет наиболееэнергично? Вывод сделайте, вычислив DG 0 реакций.54. При получении одного моля эквивалента гидроксида кальция изCaO (тв) и H 2 O (ж) выделяется 32,53 кДж теплоты. Напишите термохимическоеуравнение этой реакции и вычислите теплоту образования оксида кальция.55. На основании стандартных теплот образования и абсолютных стандартныхэнтропий соответствующих веществ вычислите DG 0 реакции, протекающейпо уравнению CO (г) + 3H 2(г) = CH 4(г) + H 2 O (г) .Возможна ли эта реакция при стандартных условиях?56. Вычислите D Н 0 , DS 0 и DG 0 реакции, протекающей по уравнениюTiO 2(тв) + 2C (графит) = Ti (тв) + 2CO (г) . Возможна ли реакция восстановления TiO 2графитом при температурах 1000 К и 3000 К?

4057. На основании стандартных теплот образования и абсолютных стандартныхэнтропий соответствующих веществ вычислите DG 0 реакции, протекающейпо уравнению C 2 H 4(г) + 3O 2(г) = 2CO 2(г) + 2H 2 O (ж) .58. Определите, при какой температуре начнется реакция восстановленияFe 3 O 4 , протекающая по уравнению Fe 3 O 4(тв) + CO (г) = 3FeO (тв) + CO 2(г) ;DH 0 = +34,55кДж.59. Вычислите, при какой температуре начнется диссоциация пентахлоридафосфора, протекающая по уравнению PCl 5(г) = PCL 3(г) + Cl 2(г) ;DН 0 = +92,59 кДж.60. Вычислите изменения энтропии для реакций, протекающих по уравнениям:а) 2CH 4(г) = C 2 H 2(г) + 3H 2(г)б) N 2(г) + 3H 2(г) = 2NH 3(г)в) C (графит) + O 2(г) = CO 2(г)Почему в этих реакциях DS 0 > 0, DS 0 < 0, DS 0 » 0?ХИМИЧЕСКАЯ КИНЕТИКА. ХИМИЧЕСКОЕ РАВНОВЕСИЕХимическая кинетика занимается изучением скорости химической реакциии ее зависимости от концентрации реагирующих веществ, температуры идругих факторов.Зависимость скорости реакции от концентрации выражается законом действующихмасс: скорость химической реакции прямопропорциональна произведениюконцентраций реагирующих веществ, взятых с показателем степени,равным коэффициенту перед формулой данного вещества в стехиометрическомуравнении реакции.Пример 1. Во сколько раз изменится скорость прямой и обратной реакцийв системе

412SO 2(г) + О 2(г) Û 2SO 3(г) ,если объем газовой смеси уменьшить в три раза?Решение. Обозначим концентрации всех веществ: [SO 2 ] = a, [O 2 ] = b,[SO 3 ] = c. Согласно закону действующих масс скорости прямой и обратнойреакций до изменения объема:u пр = k 1 × а 2 × bиu обр = k 2 × с 2 .После уменьшения объема гомогенной системы в три раза концентрациякаждого из реагирующих веществ увеличится в три раза: [SO 2 ] = 3a, [O 2 ] = 3b,[SO 3 ] = 3c. При новых концентрациях скорости прямой и обратной реакций будутравны:u ’ пр = k 1 ×(3а) 2 × 3b = 27 k 1 ×а 2 ×bи u ’ обр = k 2 × (3с) 2 = 9 k 2 ×с 2 .Отсюда:uu,прпр=227 × k1× a × b2k1× a × b= 27uu,обробр9 × k2× с=2k × с22= 9

42Следовательно, скорость прямой реакции увеличилась в 27 раз, а обратной– только в 9 раз.Зависимость скорости реакции от температуры выражается эмпирическимправилом Вант-Гоффа по формуле:u = u × gt2t1t t102 - 1где υ t 1– скорость реакции при температуре t 1 ;υ t 2– скорость реакции при температуре t 2 ;g – температурный коэффициент скорости реакции.Пример 2. Вычислите, во сколько раз увеличится скорость реакции, протекающейв газовой фазе, при повышении температуры от 30 0 до 70 0 С, еслитемпературный коэффициент скорости реакции равен 2.Решение. Согласно правилу Вант-Гоффа:u = u × 2 = u × 2 = 16ut2t170-3010t14t1Следовательно, скорость реакции υt 2при температуре 70 0 С большескорости реакции υt 1при температуре 30 0 С в 16 раз.Для обратимой реакции, протекающей по схеме:aA + bB « cC + dD,скорости прямой и обратной реакций равны:u пр = k 1 [A] a × [B] bи

43u обр = k 2 [C] c × [D] d .С течением времени обратимые реакции приходят к равновесию, т.е. к такомусостоянию системы, когда скорости прямой и обратной реакций становятсяравными, т.е. u пр = u обр илиk 1 [A] a × [B] b = k 2 [C] c × [D] d , отсюдаkk12c[ C]=[ A]a× [ D]× [ B]db= Kр ,где K P – константа химического равновесия.В случае гетерогенных систем выражение для константы равновесия упрощается:в него не входят концентрации твердых фаз.Пример 3. Константа равновесия гомогенной системыCO (г) + H 2 O (г) « CO 2(г) + H 2(г)при некоторой температуре равна 1. Вычислите концентрации всех веществпри равновесии, если исходные концентрации [CO] исх =3 моль/л, [H 2 O] исх= 2 моль/л.Решение. При равновесии скорости прямой и обратной реакций равны, аотношение констант этих скоростей постоянно и называется константой равновесияданной системы:u пр = k 1 [CO] × [H 2 O] ;

44u обр = k 2 [CO 2 ] × [H 2 ];k1[ CО2] × [ Н 2 ]К р = =.k [ СО]× [ Н О]22В условии задачи даны исходные концентрации, тогда как в выражениеК Р входят только равновесные концентрации всех веществ системы. Предположим,что к моменту равновесия концентрация [CO 2 ] Р = х моль/л. Согласно уравнениюсистемы, число молей образовавшегося водорода при этом будет также хмоль/л. По столько же молей расходуется CO и H 2 O для образования по х молейCO 2 и H 2 . Следовательно, равновесные концентрации всех четырех веществ составят:[CO 2 ] Р = [H 2 ] Р = х моль/л; [CO] Р = (3 – х) моль/л; [H 2 O] == (2 – х) моль/л. Зная константу равновесия, находим значение х, а затем исходныеконцентрации всех веществ:х × х1=;(3 - х)(2 - х)х 2 = 6 – 2х – 3х + х 2 ; 5х = 6; х =1,2 моль/л.Таким образом, искомые равновесные концентрации:[CO 2 ] Р = 1,2 моль/л,[H 2 ] Р = 1,2 моль/л,[CO] Р = 3 –1,2 = 1,8 моль/л,[H 2 O] = 2 – 1,2 = 0,8 моль/л.Направление смещения равновесия реакции определяется принципом ЛеШателье-Брауна: если на систему, находящуюся в равновесии, производитсякакое-либо воздействие, то в системе возникают процессы, препятствую-

45щие этому воздействию. Так, увеличение концентрации исходных веществсмещает равновесие реакции в сторону уменьшения их концентрации, т.е. всторону образования продуктов реакции. При увеличении давления равновесиесмещается в сторону реакции, идущей с уменьшением давления, т.е. в сторонуобразования меньшего числа молей газообразных веществ. Повышение температурывызывает смещение равновесия в сторону эндотермической реакции.Пример 4. Эндотермическая реакция разложения пентахлорида фосфорапротекает по уравнениюPCl 5(г) « PCl 3(г) + Cl 2(г) ;DH = +92,59 кДж.Как надо изменить а) температуру; б) давление; в) концентрации всехреагентов, чтобы сместить равновесие в сторону прямой реакции – разложенияPCl 5 ?Решение. Смещением или сдвигом химического равновесия называютизменение равновесных концентраций реагирующих веществ в результате измененияодного из условий реакции. Направление, в котором сместилось равновесие,определяется по принципу Ле-Шателье: а) так как реакция разложенияPCl 5 эндотермическая (DH > 0), то для смещения равновесия в сторону прямойреакции нужно повысить температуру; б) так как в данной системе разложениеPCl 5 ведет к увеличению объема (из одной молекулы газа образуются две газообразныемолекулы), то для смещения равновесия вправо надо уменьшить давление;в) смещения равновесия в указанном направлении можно добиться какувеличением концентрации PCl 5 , так и уменьшением концентраций PCl 3 , и Cl 2 .

46КОНТРОЛЬНЫЕ ЗАДАНИЯ61. Окисление серы и ее диоксида протекает по уравнениям:а) S (к) + O 2 = 2SO 2(г) и б) 2SO 2(г) + O 2 = 2SO 3(г) . Как изменятся скоростиэтих реакций, если объемы каждой из систем уменьшить в 4 раза?62. Напишите выражение для константы равновесия гомогенной системыN 2 + 3H 2 « 2NH 3 . Как изменится скорость прямой реакции – образования аммиака,если увеличить концентрацию водорода в три раза?63. Реакция идет по уравнению N 2 + O 2 = 2NO. Концентрации исходныхвеществ до начала реакции были: [N 2 ] исх =0,049 моль/л; [О 2 ] исх = 0,01 моль/л.Вычислите концентрации этих веществ в момент, когда концентрация оксидаазота (II) стала равной 0,005 моль/л.64. Гомогенный процесс синтеза аммиака идет по схеме N 2 +3H 2 = 2NH 3 .Концентрации участвующих в реакции веществ [N 2 ] = 0,80 моль/л; [H 2 ] ==1,5 моль/л; [NH 3 ] = 0,10 моль/л. Вычислите концентрацию водорода и аммиакав момент, когда концентрация азота стала равной 0,5 моль/л.65. При некоторой температуре константа скорости реакции, протекающейв гомогенной системе H 2 + J 2 = 2HI, равна 0,16. Исходные концентрацииреагирующих веществ [H 2 ] = 0,04 моль/л; [I 2 ] = 0,05 моль/л. Вычислите начальнуюскорость этой реакции и ее скорость, когда [H 2 ] = 0,03 моль/л.66. Во сколько раз уменьшится скорость реакции, протекающей в газовойфазе, если понизить температуру от 120 0 С до 80 0 С? Температурный коэффициентскорости реакции равен 3.67. Как изменится скорость реакции, протекающей в газовой фазе, приповышении температуры на 60 0 С, если температурный коэффициент скоростиданной реакции равен 2?68. В гомогенной системе CO + Cl 2 « COCl 2 равновесные концентрацииреагирующих веществ: [СO] = 0,2 моль/л; [Cl 2 ] = 0,3 моль/л; [COCl 2 ] =

47=1,2 моль/л. Вычислите константу равновесия системы и исходные концентрациихлора и оксида углерода (II).69. Реакция протекает по схеме А + 2В « С. Равновесные концентрацииреагирующих газов: [А] = 0,06 моль/л; [В] = 0,12 моль/л;[С] = 0,216 моль/л.Вычислите константу равновесия системы и исходные концентрации веществ Аи В.70. Гомогенная реакция протекает в системе А + В « С + Д. Равновесиеустановилось при концентрациях веществ: [В] = 0,05 моль/л и [С] ==0,02 моль/л. Константа равновесия системы равна 0,04. Вычислите исходныеконцентрации веществ А и В.71. Константа скорости реакции разложения N 2 O, протекающей по уравнению2N 2 O = 2N 2 + O 2 , равна 5×10 -4 . Начальная концентрация N 2 O равна 6моль/л. Вычислите начальную скорость реакции и ее скорость в момент, когдапрореагирует 50% исходного соединения.72. Напишите выражение для константы равновесия гетерогенной системыCO 2 + C « 2CO. Как изменится скорость прямой реакции – образованияоксида углерода (II), если концентрацию оксида углерода (IV) уменьшить в 4раза? Как следует изменить давление, чтобы повысить выход СО?73. Реакция протекает в гетерогенной системе C + H 2 O (г) « СО + Н 2 . Напишитевыражение для константы равновесия обратной реакции. Как следуетизменить концентрации веществ и давление в системе, чтобы сместить равновесиев сторону обратной реакции – образования водяных паров?74. Равновесие гомогенной системы 4HCl (г) + O 2 « 2H 2 O (г) + 2Сl 2(г) установилосьпри следующих концентрациях реагирующих веществ: [H 2 O] Р == 0,14 моль/л; [Cl 2 ] Р = 0,14 моль/л; [HCl] Р = 0,20 моль/л; [О 2 ] Р = 0,32 моль/л.Вычислите исходные концентрации хлороводорода и кислорода.75. Вычислите константу равновесия прямой реакции, протекающей в гомогеннойсистеме CO (г) + H 2 O (г) « CO 2(г) + H 2(г) , если равновесные концентра-

48ции реагирующих веществ равны: [СО] Р = 0,004 моль/л; [H 2 O] Р =0,064 моль/л;[CO 2 ] Р = 0,016 моль/л и [Н 2 ] Р = 0,016 моль/л. Чему равны исходные концентрацииоксида углерода (II) и воды?76. Константа равновесия гомогенной системы CO (г) + H 2 O (г) « CO 2(г) + +Н 2(г) при некоторой температуре равна 1. Вычислите равновесные концентрациивсех реагирующих веществ, если исходные концентрации оксида углерода (II) иводы равны соответственно 0,10 моль/л и 0,40 моль/л.77. Реакция протекает в гомогенной системе согласно уравнению N 2 ++ 3 H 2 « 2NH 3 . Константа равновесия при некоторой температуре оказаласьравной 0,1. Равновесные концентрации водорода и аммиака соответственноравны 0,20 моль/л и 0,08 моль/л. Вычислите равновесную и исходную концентрацииазота.78. Исходные концентрации оксида азота (II) и хлора равны соответственно0,5 моль/л и 0,2 моль/л. Реакция протекает в гомогенной системе согласносхеме 2NO + Cl 2 « 2 NOCl. Вычислите константу равновесия прямой реакции,если известно, что к моменту равновесия прореагировало 20% оксида азота (II).79. Почему при изменении давления смещается равновесие системы N 2 ++ 3H 2 « 2NH 3 и не смещается равновесие системы N 2 + O 2 « 2NO? Ответ мотивируйтена основании расчета скоростей прямой и обратной реакций в этихсистемах до и после изменения давления. Напишите выражения для константравновесия каждой из данных систем.80. При некоторой температуре равновесие гомогенной системы 2NO ++ O 2 « 2NO 2 установилось при следующих концентрациях реагирующих веществ:[NO] Р = 0,2 моль/л; [O 2 ] Р = 0,1 моль/л; [NO 2 ] Р = 0,1 моль/л. Вычислитеконстанту равновесия и исходные концентрации оксида азота (II) и кислорода.

49ИОННО-МОЛЕКУЛЯРНЫЕ (ИОННЫЕ) РЕАКЦИИ ОБМЕНАПри решении этого раздела используются данные табл.4.Ионно-молекулярные, или просто ионные, уравнения реакций обмена отражаютсостояние электролита в растворе. В этих уравнениях сильные растворимыеэлектролиты, поскольку они полностью диссоциированы, записывают ввиде ионов, а слабые электролиты, малорастворимые и газообразные веществазаписывают в молекулярной форме. К сильным электролитам относятся соли;кислоты: HClO 4 , HClO 3 , HCl, HBr, HI, HMnO 4 , HNO 3 , H 2 SO 4 ; основания щелочныхи щелочно-земельных металлов: LiOH, NaOH, KOH, RbOH, CsOH, Ca(OH) 2 ,Sr(OH) 2 , Ba(OH) 2 , Ra(OH) 2 .Пример 1. Написать ионно-молекулярные уравнения реакций взаимодействиямежду растворами следующих веществ: а) HCl и NaOH; б) Pb(NO 3 ) 2 иNa 2 S; в) NaClO и HNO 3 ; г) K 2 CO 3 и H 2 SO 4 ; д) СH 3 COOH и NaOH.Решение. Запишем уравнения взаимодействия указанных веществ в молекулярномвиде:а) HCl + NaOH = NaCl + H 2 Oб) Pb(NO 3 ) 2 + Na 2 S = PbS + 2NaNO 3в) NaClO + HNO 3 = NaNO 3 + HClг) K 2 CO 3 + H 2 SO 4 = K 2 SO 4 + CO 2 + H 2 Oд) CH 3 COOH + NaOH = CH 3 COONa + H 2 O

50Отметим, что взаимодействие этих веществ возможно, так как в результатепроисходит связывание ионов с образованием слабых электролитов (H 2 O,HClO), осадка (PbS), газа (CO 2 ). В реакции (д) два слабых электролита, но таккак реакции идут в сторону большего связывания ионов и вода – более слабыйэлектролит, чем уксусная кислота, то равновесие реакции смещено в сторонуобразования воды. Ионно-молекулярные уравнения:а) H + + Cl - + Na + + OH - = Na + + Cl - + H 2 Oб) Pb 2+ + 2NO 3 - + 2Na + +S 2- = PbS¯ + 2Na + + 2NO 3-в) Na + + ClO - + H + + NO 3 - = HClO + Na + + NO 3-г) 2K + + CO 3 2- + 2H + + SO 4 2- = 2K + + SO 4 2- + CO 2 + H 2 Oд) CH 3 COOH + Na + + OH - = CH 3 COO - + Na + + H 2 OПример 2. Составьте молекулярные уравнения реакций, которым соответствуютследующие ионно-молекулярные уравнения:а) SO 3 2- + 2H + = SO 2 + H 2 Oб) Pb 2+ + CrO 4 2- = PbCrO 4в) HCO 3 - + OH - = CO 3 2- + H 2 Oг) ZnOH + + H + = Zn 2+ + H 2 O

51Решение. В левой части данных ионно-молекулярных уравнений указанысвободные ионы, которые образуются при диссоциации растворимых сильныхэлектролитов, следовательно, при составлении молекулярных уравнений следуетисходить из соответствующих растворимых сильных электролитов. Например:а) Na 2 CO 3 + 2HCl = 2NaCl + SO 2 + H 2 Oб) Pb(NO 3 ) 2 + K 2 CrO 4 = PbCrO 4 + 2KNO 3в) KHCO 3 + KOH = K 2 CO 3 + H 2 O

г) ZnOHCl + HCl = ZnCl 2 + H 2 O52

53ГИДРОЛИЗ СОЛЕЙХимическое обменное взаимодействие ионов растворенной соли с водой,приводящие к образованию слабодиссоциирующих продуктов (молекул слабыхкислот или оснований, анионов кислых и катионов основных солей) и сопровождающеесяизменением рН среды, называется гидролизом соли.Пример. Составьте ионно-молекулярные и молекулярные уравнения гидролизасолей: а) KCN, б) Na 2 CO 3 , в) ZnSO 4 . Определите реакцию среды растворовэтих солей.Решение. а) Цианид калия KCN – соль слабой одноосновной кислотыHCN и сильного основания KOH. При растворении в воде молекулы KCN полностьюдиссоциирует на катионы K + и анионы CN - . Катионы K + не могут связыватьионы OH - воды, так как КОН – сильный электролит. Анионы же CN - связываютионы Н + воды, образуя молекулы слабого электролита HCN. Соль гидролизуетсяпо аниону. Ионно-молекулярное уравнение гидролиза:CN - + H 2 O « HCN + OH -или в молекулярной формеKCN + H 2 O « HCN + KOHВ результате гидролиза в растворе появляется некоторый избыток ионовОН - , поэтому раствор KCN имеет щелочную реакцию (рН > 7).а) Карбонат натрия Na 2 CO 3 – cоль слабой двух основной кислоты H 2 CO 3 исильного основания. В этом случае ионы соли СО 2- 3 , Н + воды, образуют анионыкислой соли НСО - 3 , а не молекулы Н 2 СО 3 , так как ионы НСО - 3 диссоциируют

54гораздо слабее, чем молекулы Н 2 СО 3 . В обычных условиях гидролиз идет попервой ступени. Соль гидролизуется по аниону. Ионно-молекулярное уравнениегидролиза:СО 3 2- + Н 2 О « НСО 3 - + ОН -или в молекулярной форме:Na 2 CO 3 + H 2 O « NaHCO 3 + NaOHВ растворе появляется избыток ионов ОН - , раствор Na 2 CO 3 имеет щелочнуюреакцию (рН>7).б) Сульфат цинка ZnSO 4 – соль слабого многокислотного основанияZn(OH) 2 и сильной кислоты H 2 SO 4 . В этом случае катионы Zn 2+ связывают гидроксильныеионы воды, образуя катионы основной соли ZnOH + . Образованиемолекул Zn(OH) 2 не происходит, так как ионы ZnOH + диссоциируют гораздослабее, чем молекулы Zn(OH) 2 . В обычных условиях гидролиз идет по первойступени. Соль гидролизуется по катиону. Ионно-молекулярное уравнение гидролиза:Zn 2+ + H 2 O« ZnOH + + H +или в молекулярной форме:2ZnSO 4 + 2H 2 O« (ZnOH) 2 SO 4 + H 2 SO 4В растворе появляется избыток ионов водорода, поэтому раствор ZnSO 4имеет кислую реакцию (рН

55КОНТРОЛЬНЫЕ ЗАДАНИЯ81. Составьте молекулярные и ионно-молекулярные уравнения реакцийвзаимодействия в растворах между: а) NaHCO 3 и NaOH; б) K 2 SiO 3 и HCl;в) BaCl 2 и Na 2 SO 4 .82. Составьте молекулярные и ионно-молекулярные уравнения реакцийвзаимодействия в растворах между: а) K 2 S и HCl; б) KOH и Cr(OH) 3 ; в) FeSO 4 и(NH 4 ) 2 S.83. Составьте молекулярные уравнения реакций, которые выражаютсяионно-молекулярными уравнениями:а) Mg 2+ + CO 2- 3 = MgCO 3б) H + + OH - = H 2 Oв) HCO - 3 + H + = CO 2 + H 2 O84. Какие из веществ: Al(OH) 3 , H 2 SO 4 , Ba(OH) 2 – будут взаимодействоватьс гидроксидом калия? Выразите эти реакции молекулярными и ионномолекулярнымиуравнениями.85. Составьте молекулярные и ионно-молекулярные уравнения реакцийвзаимодействия в растворах между: а) CuSO 4 и H 2 S; б) BaCO 3 и HNO 3 ;в) FeCl 3 и KOH.86. Составьте молекулярные уравнения реакций, которые выражаютсяионно-молекулярными уравнениями:а) Cu 2+ + S 2- = CuSб) SiO 2- 3 + 2H + = H 2 SiO 3в) Al(OH) 3 + OH - = AlO - 2 + 2H 2 O87. Составьте молекулярные и ионно-молекулярные уравнения реакцийвзаимодействия в растворах между: а) Sn(OH) 2 и HCl; б) Cu(OH) 2 и H 2 SO 4 ;в) NH 4 Cl и Ba(OH) 2 .

5688. Какие из веществ: KHCO 3 , CH 3 COOH, NiSO 4 , Na 2 S - взаимодействуютс раствором серной кислоты? Запишите молекулярные и ионно-молекулярныеуравнения этих реакций.89.Составьте молекулярные и ионно-молекулярные уравнения реакцийвзаимодействия в растворах между: а) Zn(OH) 2 и NaOH; б) Cu(OH) 2 и HNO 3 ;в) NiOHCl и HCl.90. Составьте молекулярные и ионно-молекулярные уравнения реакцийвзаимодействия в растворах между: а) AgNO 3 и K 2 CrO 4 ; б) Pb(NO 3 ) 2 и KI;в) CdSO 4 и Na 2 S.91. Какие из солей Al 2 (SO 4 ) 3 , K 2 S, RbNO 3 , KCl подвергаются гидролизу?Составьте ионно-молекулярные и молекулярные уравнения гидролиза соответствующихсолей. Какое значение рН(>777777

57лиза соответствующих солей. Какое значение рН (>7777

58может ее повысить (отдать электрон) и проявляет только окислительные свойства,а в своей низшей степени окисления не может ее понизить (принять электрон)и проявляет только восстановительные свойства. Атом же элемента,имеющий промежуточную степень окисления, может проявлять как окислительные,так и восстановительные свойства.N 5+ (HNO 3 ), S 6+ (H 2 SO 4 ) – проявляют только окислительные свойстваN 4+ (NO 2 ), S 4+ (SO 2 )N 3+ (KNO 2 )N 2+ (NO), S 2+ (SO)N 1+ (N 2 O)N 0 (N 2 ), S 0 (S 2 , S 8 )N 1- (NH 2 OH), S 1- (H 2 S 2 )N 2- (N 2 H 4 )проявляют окислительныеи восстановительные свойстваN 3- (NH 3 ), S 2- (H 2 S) – проявляют только восстановительные свойства.При окислительно-восстановительных реакциях валентность атомов можетне меняться. Валентность определяет число связей, образованных данныматомом, и поэтому знака не имеет.В молекуле азота N 2 , :N ::: N: валентность азота равна 3, степень окисленияазота равна 0. В молекуле аммиака NH 3 H:N: валентность азота равна 3,степень окисления азота равна – 3, так как три пары электронов притянуты казоту.В N 2 ® NH 3 валентность азота не меняется, а изменяется степень окисления.Пример 1. Могут ли происходить окислительно-восстановительные реакциимежду веществами:а) H 2 S и HI; б) H 2 S и H 2 SO 3 ; в) H 2 SO 3 и HClO 4 ?Решение. а) степень окисления серы в H 2 S n(S)= –2, в HI n(I)= –1. Так каксера и йод находятся в своей низшей степени окисления, то оба взятые вещест-

59ва проявляют только восстановительные свойства и взаимодействовать друг сдругом не могут;б) в H 2 S n(S) = –2 (низшая), в H 2 SO 3 n(S)= +4 (промежуточная). Следовательно,взаимодействие этих веществ возможно, причем H 2 SO 3 является окислителем.в) в H 2 SO 3 n(S)= +4 (промежуточная), в HClO 4 n(Cl)=+7 (высшая). Взятыевещества могут взаимодействовать, H 2 SO 3 в этом случае будет проявлять восстановительныесвойства.Пример 2. Исходя из степени окисления (n) азота, серы и марганца в соединенияхNH 3 , HNO 2 , HNO 3 , H 2 S, H 2 SO 3 , H 2 SO 4 , MnO 2 , KMnO 4 , определите,какие из них могут быть только восстановителями, только окислителями и какиепроявляют как окислительные, так и восстановительные свойства.Решение. Степень окисления n(N) в указанных соединениях соответственноравна: –3 (низшая), +3 (промежуточная), +5 (высшая); n(S) соответственноравна: –2 (низшая), +4 (промежуточная), +6 (высшая); n(Mn) соответственноравна: +4 (промежуточная), +7 (высшая). Отсюда: NH 3 , H 2 S – только восстановители;HNO 3 , H 2 SO 4 , KMnO 4 – только окислители; HNO 2 , H 2 SO 3 , MnO 2 – окислителии восстановители.Пример 3. Составьте уравнение окислительно-восстановительной реакции,идущей по схеме2- 7+ 0 2+H 2 S+KMnO 4 +H 2 SO 4 = S + MnSO 4 + K 2 SO 4 + H 2 OРешение. Написание уравнения реакции сводится к нахождению и расстановкекоэффициентов. Коэффициенты определяют методом электронногобаланса с помощью электронных уравнений. Вычисляем, как изменяют своюстепень окисления восстановитель и окислитель, и отражаем это в электронныхуравнениях:

60восстановитель S 2- - 2e = S 0 ½ 5 процесс окисленияокислитель Mn 7+ + 5e = Mn 2+ ½ 2процесс восстановленияОбщее число электронов, отданных восстановителем, должно быть равночислу электронов, которое присоединяет окислитель.И, наконец, находим коэффициенты при окислителе и восстановителе, азатем при других реагирующих веществах. Окончательное уравнение реакциибудет иметь вид2- 7+ 0 2+5 H 2 S + 2KMnO 4 + 3H 2 SO 4 = 5S + 2MnSO 4 + K 2 SO 4 + 8H 2 OПравильность написания уравнения проверяется путем подсчета атомовкаждого элемента в левой и правой частях уравнения.Пример 4. Составьте уравнение реакции взаимодействия цинка с концентрированнойсерной кислотой, учитывая максимальное восстановление серы.Решение. Цинк проявляет только восстановительные свойства. В концентрированнойсерной кислоте окислительную функцию несет сера (+6). Максимальноевосстановление серы означает, что она приобретает минимальную степеньокисления. Минимальная степень окисления серы как p-элемента VIгруппы равна – 2. Цинк как металл II группы имеет постоянную степень окисления+2. Отражаем сказанное в электронных уравнениях:восстановитель 4 ½ Zn 0 - 2e = Zn 2+ процесс окисленияокислитель 1 ½ S 6+ + 8e = S 2- процесс восстановленияСоставляем уравнение реакции:4 Zn + 5 H 2 SO 4 = 4 ZnSO 4 + H 2 S + 4 H 2 O

61Перед H 2 SO 4 стоит коэффициент 5, а не 1, ибо четыре молекулы H 2 SO 4идут на связывание четырех ионов Zn 2+ .КОНТРОЛЬНЫЕ ЗАДАНИЯ101. Составьте электронные уравнения и укажите, какой процесс – окислениеили восстановление – происходит при следующих превращениях:N 3- ® N 5+ , Mn 6+ ® Mn 2+ , Cl 5+ ® Cl -На основании электронных уравнений расставьте коэффициенты в уравненииреакции, идущей по схемеCu 2 O + HNO 3 ® Cu(NO 3 ) 2 + NO + H 2 O102. Исходя из степени окисления хлора в соединениях HСl, HClO 3 ,KClO 4 , определите, какое из них является только окислителем, только восстановителеми какое может проявлять как окислительные, так и восстановительныесвойства. Почему? На основании электронных уравнений расставьте коэффициентыв уравнении реакции, идущей по схемеKBr + KBrO 3 + H 2 SO 4 ® Br 2 + K 2 SO 4 + H 2 O103. Могут ли происходить окислительно-восстановительные реакциимежду веществами: а) PH 3 и HBr; б) K 2 Cr 2 O 7 и H 3 PO 3 ; в) HNO 3 и H 2 S? Почему?На основании электронных уравнений расставьте коэффициенты в уравненииреакции, идущей по схемеHNO 3 + AsH 3 ® H 3 AsO 4 + NO 2 + H 2 O104. Реакции выражаются схемами:H 2 S + Cl 2 + H 2 O ® HCl + H 2 SO 4KIO 3 + P + H 2 O ® KI + H 3 PO 4

62Составьте электронные уравнения. Расставьте коэффициенты в уравненияхреакций. Для каждой реакции укажите, какое вещество является окислителем,какое восстановителем; какое вещество окисляется, какое - восстанавливается.105. На основании электронных уравнений расставьте коэффициенты вуравнении реакции, идущей по схемеNa 2 SO 3 + H 2 O + KMnO 4 ® KOH + Na 2 SO 4 + MnO 2Составьте электронные уравнения и укажите, какой процесс - окисленияили восстановления происходит:S 2- ® S 0 , As 3- ® As 5+ , N 3+ ® N 3- .106. Смотрите условие задачи 104.K 2 S + H 2 SO 4 + KMnO 4 ® MnSO 4 + K 2 SO 4 + H 2 O + SHNO 3 + Ca ® Ca(NO 3 ) 2 + H 2 O + NH 4 NO 3107. На основании электронных уравнений расставьте коэффициенты вуравнении реакции, идущей по схемеHNO 3 + PbS ® NO +Pb(NO 3 ) 2 + H 2 O + SИсходя из степени окисления фосфора в соединениях PH 3 , H 3 PO 4 , H 3 PO 3 ,определите, какое из них является только окислителем, только восстановителеми какое из них может проявлять как окислительные, так и восстановительныесвойства. Почему?108. Смотрите условие задачи 104.KMnO 4 + KOH + Na 2 SO 3 ® Na 2 SO 4 + K 2 MnO 4 + H 2 OHNO 3 + P + H 2 O ® NO + H 3 PO 4109. Исходя из степени окисления серы, йода и хрома в соединенияхH 2 SO 3 , KI, K 2 Cr 2 O 7 , определите, какое из них является только окислителем,только восстановителем и какое может проявлять как окислительные, так и восстановительныесвойства. Почему? На основании электронных уравнений расставьтекоэффициенты в уравнении реакции, идущей по схеме

63PbO 2 + NaOH + NaCrO 2 ® H 2 O + Na 2 CrO 4 + Na 2 PbO 2110. Могут ли происходить окислительно-восстановительные реакциимежду веществами:а) NH 3 и KMnO 4 ,б) HCl и H 2 Se,в) HI и HNO 2 ? Почему? На основании электронных уравнений расставьтекоэффициенты в уравнении реакции, идущей по схемеKNO 2 + H 2 SO 4 + KMnO 4 ® K 2 SO 4 + H 2 O + MnSO 4 + KNO 3111. Смотрите условие задачи 104.KClO 3 + Na 2 SO 3 ® Na 2 SO 4 + KClHBr + KMnO 4 ® KBr + H 2 O + Br 2 + MnBr 2112. Смотрите условие задачи 104.HNO 3 + MnSO 4 + PbO 2 ® PbSO 4 + H 2 O + HMnO 4 + Pb(NO 3 ) 2KClO 3 + KOH + Cr 2 O 3 ® KCl + H 2 O + K 2 CrO 4113. Смотрите условие задачи 104.KMnO 4 + H 2 SO 4 + H 3 AsO 3 ® K 2 SO 4 + H 2 O + H 3 AsO 4 + MnSO 4HClO 3 + H 2 O + P ® HCl + H 3 PO 4114. Смотрите условие задачи 104.К 2 Сr 2 O 7 + H 2 SO 4 + FeSO 4 ® K 2 SO 4 + H 2 O + Cr 2 (SO 4 ) 3 + Fe 2 (SO 4 ) 3HClO 3 + H 2 SO 3 ® HCl + H 2 SO 4115. Смотрите условие задачи 104.KClO 3 + H 2 SO 4 + FeSO 4 ® KCl + H 2 O + Fe 2 (SO 4 ) 3Zn + HNO 3 ® Zn(NO 3 ) 2 + H 2 O + N 2 O116. Смотрите условие задачи 104.H 2 S + H 2 SO 4 + K 2 Cr 2 O 7 ® K 2 SO 4 + H 2 O + S + Cr 2 (SO 4 ) 3Cd + HNO 3 ® NO + H 2 O + Cd(NO 3 ) 2117. Смотрите условие задачи 104.FeS + HNO 3 ® S + NO + Fe(NO 3 ) 2 + H 2 O

Br 2 + NaCrO 2 + NaOH ® NaBr + H 2 O + Na 2 CrO 4118. Смотрите условие задачи 104.H 3 PO 3 + H 2 SO 4 + K 2 Cr 2 O 7 ® K 2 SO 4 + H 3 PO 4 + H 2 O + Cr 2 (SO 4 ) 3I 2 + H 2 O + Cl 2 ® HCl + HIO 3119. Смотрите условие задачи 104.Au + HCl + HNO 3 ® NO + H 2 O + AuCl 3HCl + K 2 Cr 2 O 7 ® KCl + H 2 O + Cl 2 + CrСl 3120. Смотрите условия задачи 104.HCl + CrO 3 ® H 2 O + Cl 2 + CrCl 3Cd + KMnO 4 + H 2 So 4 ® CdSO 4 + K 2 SO 4 + MnSO 4 + H 2 O64ЭЛЕКТРОДНЫЙ ПОТЕНЦИАЛ, ЭЛЕКТРОДВИЖУЩИЕ СИЛЫПри погружении металла в воду или в раствор содержащий его ионы награнице раздела электрод – электролит возникает двойной электрический слой,обуславливающий возникновение электродного потенциала. Поясним это наследующем примере. В металле существует динамическое равновесиеMe = Me n+ + ne,где Me – атом металла;Me n+ – ион металла в электроде;n – заряд иона;e – электрон.При погружении металла в воду его ионы поверхностного слоя под действиемполярных молекул растворителя воды отрываются и гидратированнымипереходят в раствор. В результате такого перехода поверхность металла заряжаетсяотрицательно, а близлежащие слои раствора – положительно. По мере переходаионов металла в раствор увеличивается как отрицательный заряд по-

65верхности металла, так и положительный заряд раствора, при этом все чаще ионыметалла начинают притягиваться обратно на металлическую пластину. Накоплениеионов металла в растворе начинает тормозить дальнейшее растворениеметалла. В результате устанавливается динамическое равновесие:Me + mH 2 O = Me n+ × mH 2 O + neЭлектростатическое притяжение между гидратированными катионами врастворе и избыточными электронами на поверхности металла образует двойнойэлектрический слой (плоский конденсатор). Это приводит к возникновениюна границе раздела электрод – электролит разности потенциалов, или скачкапотенциала, который и обуславливает возникновение электродного потенциала.При погружении металла в раствор содержащий ионы этого же металла происходятаналогичные процессы.Электродный потенциал зависит от природы металла, концентрации егоионов в растворе и температуры. Эта зависимость выражается уравнениемНернстаRT a Ox 0,059E Ox/Red =E 0 Ox/Red + ----- ln ------ = E 0 Ox/Red + ------- lg a Ox ,nF a Red nгде E 0 Ox/Red – стандартный электродный потенциал (активность катионовметалла a Ox =1, температура t=25º С давление для газов р=1 атм.).Помним, что активность связана с концентрацией следующим выражением:a=fC, где f – коэффициент активности (табличные значения); C – концентрация.В сильно разбавленных растворах f = 1.R= 8,314 Дж/моль×град – универсальная газовая постоянная;T – температура по шкале Кельвина;n – количество молей электронов;

a Red =1).при t=25ºC.66F = 96500 А×с/моль – число Фарадея;a Ox – активность окисленной формы;a Red – активность восстановленной формы (активность чистого металлаПоследнее выражение в уравнении Нернста получено подстановкой R, FСтандартный электродный потенциал металла численно определен относительностандартного водородного электрода сравнения, потенциал которогоусловно принят за 0 В.Взяв в качестве электрода цинк (a Zn 2+ =1, t=25ºС) и соединив его с водороднымстандартным электродом сравнения, получаем гальванический элемент,схема которого запишется следующим образом:(-) Zn / Zn 2+ // H 2 SO 4 / H 2 , Pt (+),где одна косая черта обозначает границу раздела электрод-электролит, адве косые черты - границу раздела двух растворов.В этом элементе осуществляется следующая реакция:Zn +2 H + = Zn 2+ + H 2Электродвижущая сила такого гальванического элемента и равна стандартномуэлектродному потенциалу цинка со знаком минус.Располагая металлы в порядке возрастания их стандартных электродныхпотенциалов, получаем ряд стандартных потенциалов металлов, представленныйв табл. 5.На основании расположения металлов можно сделать следующие выводы:

67- чем левее в ряду стандартных потенциалов находится металл, тем онактивнее, тем легче окисляется и труднее восстанавливается;- все металлы, стоящие левее водорода, вытесняют его из водных растворовкислот, анионы которых не проявляют окислительных свойств, а стоящиеправее не вытесняют;- каждый металл, не разлагающий воду, восстанавливает все следующиеза ним металлы из растворов их солей;Стандартные электродные потенциалы металловТаблица 5Электрод Е°, В Электрод Е°, В1 2 3 4Li + /LiRb + /RbK + /KCs + /CsBa 2+ /BaCa 2+ /CaNa + /NaMg 2+ /MgAl 3+ /AlTi 2+ /TiZr 4+ /ZrMn 2+ /MnV 2+ /VCr 2+ /CrZn 2+ /ZnCr 3+ /CrFe 2+ /Fe-3,05-2,93-2,92-2,92-2,90-2,87-2,71-2,37-1,70-1,60-1,58-1,18-1,18-0,91-0,76-0,74-0,44Cd 2+ /CdCo 2+ /CoNi 2+ /NiSn 2+ /SnPb 2+ /PbFe 3+ /Fe2H + /H 2Sb 3+ /SbBi 3+ /BiCu 2+ /CuCu + /CuHg 2+ 2 /2HgAg + /AgHg 2+ /HgPt 2+ /PtAu 3+ /AuAu + /Au-0,40-0,28-0,25-0,14-0,13-0,04-0,00+0,20+0,22+0,34+0,52+0,79+0,80+0,85+1,19+1,50+1,70- чем дальше расположены друг от друга металлы, тем большую ЭДС будетиметь созданный из них гальванический элемент.Для всех самопроизвольно протекающих электрохимических процессовсправедливо выражение

DG = - n Fe,68где DG – изменение изобарно-изотермического потенциала (энергия Гиббса);ε – ЭДСС учетом того, что e = E катода - E анода получаем критерий самопроизвольногопротекания электрохимических процессов:Е катода > Е анода .Если это условие выполняется, то, как будет показано далее, гальваническийэлемент работает, идут коррозионные процессы и протекает окислительновосстановительнаяреакция(Е окислителя >Е восстановителя ).Химические источники электрической энергии (ХИЭЭ) – это устройствадля непосредственного превращения химической энергии пространственноразделенных окислительно-восстановительных процессов в электрическую.ХИЭЭ, состоящий из одной гальванической ячейки (один катод, один анод),представляет гальванический элемент. Батарея – это два и более гальваническихэлемента, соединенных электрически, имеющих общий корпус выводы,маркировку.При разряде ХИЭЭ на отрицательном электроде протекает процесс окисления,на положительном электроде – процесс восстановления.Пример. Составить схему, написать уравнения электродных процессов ивычислить ЭДС элемента, состоящего из кадмиевого и свинцового электродов,

69помещенных в растворы своих солей, причем, [Cd 2+ ] = 0,1 моль/л, f Cd 2+ = 0,1;[Pb 2+ ] = 0,02 моль/л, f Pb 2+ = 0,5.Решение. По табл. 5 находим стандартные электродные потенциалы металлов:E 0 Cd 2+ /Cd = – 0,4 В, E 0 Pb 2+ /Pb = – 0,13 В.С учетом уравнения Нернста находим потенциалы электродовE Cd2+/Cd = – 0,4 +0,059lg (0,1 × 0,1) = – 0,46 В,2E Pb2+/Pb = – 0,13 +0,059lg (0,02 × 0,5) = – 0,19 В.2Более активным металлом является кадмий (имеет более электроотрицательноезначение потенциала), следовательно, электроны во внешней цепи потекутот кадмия (”– ”) к свинцу (”+ ”).Запишем электродные процессы и схему гальванического элемента(–) : Cd – 2e ® Cd 2+ (+) : Pb 2+ + 2e ® Pb(–) Cd / Cd 2+ // Pb 2+ / Pb (+)Вычислим ЭДС гальванического элемента:e = Е к – Е а = – 0,19 – (– 0,46) = 0,27 В

70КОРРОЗИЯ МЕТАЛЛОВКоррозия – необратимое самопроизвольное разрушение металлов и сплавовпод действием окружающей среды.По механизму коррозию делят на два типа: химическую и электрохимическую.Химическая коррозия – разрушение металла под действием сухих газов инеэлектролитов. При химической коррозии взаимодействие металла с окислительнымкомпонентом коррозионной среды протекает в виде гетерогенной химическойреакции. Электрохимическая коррозия – это разрушение металла поддействием электролитов. Коррозия в этом случае протекает в видедвух сопряженных реакций: анодной (окисление металла) и катодной (восстановлениеокислительного компонента коррозионной среды). Окислителями(деполяризаторами) являются ионы водорода (коррозия с водородной деполяризацией)и (или) молекулярный растворенный кислород (коррозия с кислороднойдеполяризацией), могут быть и другие окислительные компоненты.Катодные процессы в зависимости от cреды можно представить следующимиуравнениями:- восстановление ионов водорода2H + + 2e ® H 2 , pH < 7;2H 2 O + 2e ® H 2 + 2OH - , pH ³ 7.- ионизация кислородаO 2 + 4H + + 4e ® 2H 2 O, pH < 7;O 2 + 2H 2 O + 4e ® 4OH - , pH ³ 7.

71Отличие процессов электрохимической коррозии от процессов, протекающихв гальваническом элементе, заключается в отсутствии внешней электрохимическойцепи, т.е. химическая энергия реакции окисления металла передаетсяне в виде работы, а в виде теплоты.Одним из способов защиты металлов является его изоляция от коррозионнойсреды (в частности, металлические покрытия). Их разделяют на катодныеи анодные. К катодным покрытиям относят такие, потенциал которых болееэлектроположителен, чем потенциал металла изделия. У анодных покрытийпотенциал металла покрытия более электроотрицателен, чем потенциал металлаизделия.К электрохимическим методам защиты металла от коррозии относитсяпротекторная защита. Она реализуется при электрическом соединении изделияс металлом, обладающим более электроотрицательным потенциалом. В этомслучае протектор (жертвенный анод) окисляется, а изделие (катод) не корродирует.Чтобы выяснить, протекает ли процесс электрохимической коррозии и,если протекает, то с какой деполяризацией, проводят расчет, используя табл.6,7,8.Пример. Записать уравнения, описывающие процесс коррозии никелированногожелеза при появлении трещины в покрытии в кислой среде (pH=0). Определить,с какой деполяризацией протекает процесс коррозии, если плотностьтока коррозии составляет 1 мА/см 2 . Определить тип покрытия.Решение. 1. Находим потенциалы железного и никелевого электродов вкислой среде (табл. 2):E Fe2+/Fe = – 0,32 B,E Ni2+/Ni = – 0,03 B.

72Электродные потенциалы металловв различных средах, ВТаблица 6ЭлектродMg 2+ /MgAl 3+ /AlMn 2+ /MnTa 2+ /TaZn 2+ /ZnCr 3+ /CrW 3+ /WFe 2+ /FeCd 2+ /CdCo 2+ /CoMo 2+ /MoNi 2+ /NiSn 2+ /SnPb 2+ /PbSb 3+ /SbBi 3+ /BiCu 2+ /CuAg + /AgHg + /HgAu 3+ /AuСреданейтральная кислая щелочная-1,40-1,57-1,14-0,57-0,50-0,38-1,00-0,88-0,720,000,39-0,30-0,78-0,84-1,13-0,080,05-0,20-0,020,23-0,33-0,40-0,32-0,10-0,53-0,51-0,50-0,14-0,16-0,090,100,35-0,28-0,01-0,03-0,04-0,21-0,25-0,84-0,29-0,23-0,51-0,060,19-0,46-0,020,02-0,240,060,150,030,230,280,250,300,330,160,250,350,21Таблица 7Потенциалы H + /Н 2 и О 2 /ОН - электродовв различных средах при контакте системы c воздухоми температуре 25°С, В (без учета перенапряжения)СредаЩелочнаяНейтральнаяКислаяЭлектродH + /Н 2 О 2 /ОН --0,640,39-0,230,81+0,191,29

73Таблица 8Перенапряжение выделения водорода и ионизациикислорода при плотности тока 1 мА/см 2на различных металлах, ВЭлектродСвинецЦинкГрафитОловоСурьмаАлюминийКадмийМедьГерманийЖелезоМолибденСереброКобальтНикельВольфрамПлатинаблестящаяПеренапряжениеводорода1,050,830,650,630,630,580,510,480,390,360,350,340,320,300,260,07Перенапряжениекислорода1,441,751,171,21--1,381,05-1,07-0,971,251,09-0,00Анодом в данной коррозионной паре является железо, так как обладаетболее электроотрицательным потенциалом. Никель по отношению к железу являетсякатодным покрытием.2. Рассчитываем потенциалы выделения водорода и ионизации кислородас учетом их перенапряжения на катоде по следующим формулам:Е выд Н 2 = ЕН + /Н 2 – DЕ выд Н 2 на Ni = 0,19 – 0,3 = – 0,11 В,Е ион О 2 = ЕО 2/ ОН - – DЕ ион О 2 на Ni = 1,29 – 1,09 = 0,2 В,

74где ЕН + /Н 2 и ЕО 2 /ОН - – потенциалы, соответственно, водородного и кислородногоэлектродов в кислой среде в контакте с воздухом (табл. 7);DЕ выд. Н 2 на Ni и DЕ ион. О 2 на Ni – перенапряжение выделения водорода и ионизациикислорода на катоде (табл. 8).3. Определяем, что является окислителем в образовавшейся коррозионнойпаре (по известному критерию Е катода > Е анода ), для чего сравниваем потенциалывыделения водорода и ионизации кислорода с потенциалом анода (с потенциаломжелеза).В данном случае потенциал анодного процесса более электроотрицателен,чем потенциалы выделения водорода и ионизации кислорода, т.е. коррозия протекаети с водородной, и с кислородной деполяризациями. Другими словами,железо окисляется и ионами водорода, и молекулярным растворенным кислородом.4. Записываем электронные уравнения катодного и анодного процессов:A (–) Fe – 2e ® Fe 2+K (+) 2H + + 2e ® H 2O 2 + 4H + + 4e ® 2H 2 OКОНТРОЛЬНЫЕ ЗАДАНИЯ121. При каком условии будет работать гальванический элемент, электродыкоторого сделаны из одного и того же металла? Составьте схему, напишитеэлектронные уравнения электродных процессов и вычислите ЭДС гальваническогоэлемента, в котором один никелевый электрод находится в 0,001М растворе,а другой такой же электрод – в 0,01 М растворе сульфата никеля. Коэффициентактивности ионов принять f=1.

75122. Составьте схему, напишите электронные уравнения электродныхпроцессов и вычислите ЭДС гальванического элемента, состоящего из свинцовойи магниевой пластин, опущенных в растворы своих солей с концентрацией[Pb 2+ ] = [Mg 2+ ] = 0,01 моль/л. Изменится ли ЭДС этого элемента, если концентрациюкаждого из ионов увеличить в одинаковое число раз? Коэффициент активностиионов принять f=1.123. Составьте схемы двух гальванических элементов, в одном из которыхникель является катодом, а в другом анодом. Напишите для каждого из этихэлементов электронные уравнения реакций, протекающих на катоде и на аноде.124. Железная и серебряные пластины соединены внешним проводникоми погружены в раствор серной кислоты. Составьте схему данного гальваническогоэлемента и напишите электронные уравнения процессов, происходящихна аноде и на катоде.125. Составьте схему, напишите электронные уравнения электродныхпроцессов и вычислите ЭДС гальванического элемента, состоящего из пластинкадмия и магния, опущенных в растворы своих солей с концентрацией [Mg 2+ ]== [Cd 2+ ] = 0,01 моль/л. Изменится ли значение ЭДС, если концентрацию каждогоиз ионов понизить до 0,0001 моль/л? Коэффициент активности ионов принятьf=1.126. Составьте схему гальванического элемента, состоящего из пластинцинка и железа, погруженных в растворы их солей. Напишите электронныеуравнения процессов, протекающих на аноде и на катоде. Какой концентрациинадо было взять ионы железа (моль/л), чтобы ЭДС элемента стала равной нулю,если [Zn 2+ ] = 0,001 моль/л? Коэффициент активности ионов принять f=1.127. Составьте схему гальванического элемента, в основе которого лежитреакция, протекающая по уравнению Ni + Pb(NO 3 ) 2 = Ni(NO 3 ) 2 + PbНапишите электродные уравнения анодного и катодного процессов. ВычислитеЭДС этого элемента, если [Ni 2+ ] = 0,01 моль/л, [Pb 2+ ] = 0,0001 моль/л.Коэффициент активности ионов принять f=1.

76128. Какие химические процессы протекают на электродах при заряде иразряде свинцового аккумулятора.129. Какие химические процессы протекают на электродах при заряде иразряде кадмий-никелевого аккумулятора?130. Какие химические процессы протекают на электродах при заряде иразряде железо-никелевого аккумулятора?131. В чем заключается сущность протекторной защиты? Составьте электронныеуравнения анодного и катодного процессов, протекающих при протекторнойзащите магнием изделия из стали (железа), находящегося в речной воде,пологая, что среда нейтральная (рН = 7). Плотность тока коррозии составляет 1мА/см 2 .132. Железную пластину, покрытую медью, опустили в раствор электролита,имеющего кислую среду (рН7).(Далее см.условие задачи 132.)134. Цинковую пластину, покрытую оловом, опустили в раствор, имеющегокислую среду (рН7).(Далее см.условие задачи 132.)136. Никелевую пластину, покрытую кадмием, опустили в раствор электролита,имеющего кислую среду (рН

77(Далее см.условие задачи 132.)137. Никелевую пластину, покрытую кадмием, опустили в раствор электролита,имеющего щелочную среду (рН>7).(Далее см.условие задачи 132.)138. Пластину из луженого железа опустили в раствор электролита,имеющего щелочную среду (рН>7).(Далее см.условие задачи 132.)139. Пластину из луженого железа опустили в раствор электролита,имеющего кислую среду (рН

78M Э(Cu) =63,542= 31,77 (г/моль); t = 60 × 60 = 3600 (с).Используя формулу закона Фарадея, находимm (Cu) =31 ,77 × 4×360096500= 4,74 (г).Пример 2. Вычислите молярную массу эквивалента металла, зная, чтопри электролизе раствора хлорида этого металла пропущено 38800 Кл электричестваи на катоде выделилось 11,742 г металла.Решение. Из формулы закона ФарадеяM Э =m×FI × t11 ,742×96500== 29,35 (г/моль),38800где I × t = 38800 Кл – количество пропущенного электричества.Пример 3. При электролизе раствора в течение 1 ч 40 мин 25 с на катодевыделилось 1,4 л водорода (н.у.). Чему равна сила тока?Решение. Из формулы закона Фарадеязаменим отношениемm × FI =М Э × tПоскольку известен объем водорода, то отношениеV(H 2 ),V (Н )Э2где V(H 2 ) – обем водорода, л (н.у.);V Э (H 2 ) – объем молярной массы эквивалента водорода, л.mМ Э

79ТогдаI =V(HVЭ2(Н) × F2) × t1,4 × 96500=11,2 × 6025= 2 (А),t = 6025 с.где V Э (Н 2 ) = 11,2 л;Пример 4. Какая масса гидроксида калия образовалось у катода при электролизераствора K 2 SO 4 , если на аноде выделилось 11,2 л кислорода (н.у.)?Решение. Объем молярной массы эквивалента кислорода V Э (O 2 ) = 5,6 л.Следовательно, на аноде выделилось n = 11,2/5,6 = 2 моля эквивалента кислорода.Такое же количество KOH образовалось у катода. Находим массу образовавшегосягидроксида калия:m = n × M Э(KOH) = 2 × 56,11 = 112,22 (г),где n = 2 моля – количества вещества;M Э(KOH) = 56,11 г/моль – молярная масса эквивалента KOH.КОНТРОЛЬНЫЕ ЗАДАНИЯ141. Электролиз раствора K 2 SO 4 проводили при силе тока 5 А в течение3 ч. Составьте электронные уравнения процессов, происходящих на электродах.Какая масса воды при этом разложилась, и чему равен объем газов (н.у.), выделившихсяна катоде и аноде?

80142. При электролизе соли некоторого металла в течение 1,5 ч при силетока 1,8 А на катоде выделилось 1,75 г этого металла. Вычислите молярнуюмассу эквивалента металла.143. При электролизе раствора Cu SO 4 на аноде выделилось 168 мл газа(н.у.). Составьте электронные уравнения процессов, происходящих на электродах,и вычислите, какая масса меди выделилась на катоде.144. Электролиз раствора Na 2 SO 4 проводили в течение 5 ч при силе тока7 А. Составьте электронные уравнения процессов, происходящих на электродах.Какая масса воды при этом разложилась, и чему равен объем газов (н.у.), выделившихсяна катоде и аноде?145. Электролиз раствора нитрата серебра проводили при силе тока 2 А втечение 4 ч. Составьте электронные уравнения процессов, происходящих наэлектродах. Какая масса серебра выделилась на катоде, и каков объем газа(н.у.), выделившегося на аноде?146. Электролиз раствора сульфата некоторого металла проводили присиле тока 6 А в течение 45 мин, в результате чего на катоде выделилось 5,49 гметалла. Вычислите молярную массу эквивалента металла.147. На сколько граммов уменьшится масса серебряного анода, если электролизраствора AgNO 3 проводить при силе тока 2 А в течение 38 мин 20 с?Составьте электронные уравнения процессов, происходящих на электродах.148. Электролиз раствора сульфата цинка проводили в течение 5 ч, в результатечего выделилось 6 л кислорода (н.у.). Составьте уравнения электродныхпроцессов и вычислите силу тока.149. Электролиз раствора СuSO 4 проводили с медным анодом в течение 4ч при силе тока 50 А. При этом выделилось 224 г меди. Вычислите выход потоку (отношение массы выделившегося вещества к теоретически возможной).Составьте электронные уравнения процессов, происходящих на электродах вслучае медного и угольного анода.

81150. Электролиз раствора NaI проводили при силе тока 6А в течение 2,5ч.Составьте электронные уравнения процессов, происходящих на угольных электродах,и вычислите массу вещества, выделившегося на катоде и аноде?151. Составьте электронные уравнения процессов, происходящих наугольных электродах при электролизе раствора AgNO 3 . Если электролиз проводитьс серебряным анодом, то его масса уменьшится на 5,4 г. Определите расходэлектричества при этом.152. Электролиз раствора CuSO 4 проводили в течение 15 мин при силе тока2,5 А. Выделилось 0,72 г меди. Составьте электронные уравнения процессов,происходящих на электродах в случае медного и угольного анода. Вычислитевыход по току (отношение массы выделившегося вещества к теоретически возможной).153. Составьте электронные уравнения процессов, происходящих на графитовыхэлектродах при электролизе расплавов и водных растворов NaCl иKOH. Сколько литров (н.у.) газа выделится на аноде при электролизе гидроксидакалия, если электролиз проводить в течение 30 мин при силе тока 0,5 А?154. Составьте электронные уравнения процессов, происходящих на графитовыхэлектродах при электролизе раствора KBr. Какая масса вещества выделяетсяна аноде и катоде, если электролиз проводить в течение 1 ч 35 мин присиле тока 15 А?155. Составьте электронные уравнения процессов, происходящих наугольных электродах при электролизе раствора CuCl 2 . Вычислите массу меди,выделившейся на катоде, если на аноде выделилось 560 мл газа (н.у.).156. При электролизе соли трехвалентного металла при силе тока 1,5 А втечение 30 мин на катоде выделилось 1,071 г металла. Вычислите атомную массуметалла.157. При электролизе растворов MgSO 4 и ZnCl 2 , соединенных последовательнос источником тока, на одном из катодов выделилось 0,25 г водорода.Какая масса вещества выделится на другом катоде; на анодах?

82158. Составьте электронные уравнения процессов, происходящих наугольных электродах при электролизе раствора Na 2 SO 4 . Вычислите массу вещества,выделяющегося на катоде, если на аноде выделяется 1,12 л газа (н.у.).Какая масса H 2 SO 4 образуется при этом возле анода?159. При электролизе раствора соли кадмия израсходовано 3434 Кл электричества.Выделилось 2 г кадмия. Чему равна молярная масса эквивалентАкадмия?160. Составьте электронные уравнения процессов, происходящих на электродахпри электролизе раствора KOH. Чему равна сила тока, если в течение 1 ч15 мин 20 с на аноде выделилось 6,4 г газа? Сколько литров газа (н.у.) выделилосьпри этом на катоде?ОРГАНИЧЕСКИЕ СОЕДИНЕНИЯ. ПОЛИМЕРЫОрганическими называют соединения, в состав которых входит в обязательномпорядке углерод. Классификацию органических соединений проводятпо двум основным признакам – по строению углеродной цепи и по составу.По строению цепи органические соединения делятся на ациклические ициклические. К ациклическим относятся органические соединения с открытой(незамкнутой) цепью углеродных атомов, например:CH 3 ¾ CH¾ CH¾ CH 2 ¾ CH 3½ ½CH 3 OHТакие соединения называют также соединениями жирного ряда или алифатическими.Циклическими называют соединения с замкнутой цепью углеродныхатомов. При этом различают карбоциклические и гетероциклическиесоединения. Карбоциклические – это соединения, в состав которых входятциклы, образованные только атомами углерода. В свою очередь, карбоцикличе-

83ские соединения могут быть алициклическими и ароматическими (содержащимибензольное кольцо). Гетероциклические соединения содержат циклы, в составкоторых наряду с атомами углерода входят и другие (гетеро-) атомы, напримертиофен:CH¾ CH½½CH\ /По составу различают следующие классы органических соединений:S½½CH- углеводороды (в их состав входят углерод и водород);- галогенопроизводные (в их состав наряду с углеродом и водородом входитгалоген);кислород);кислород);- кислородсодержащие (в их состав, кроме углерода и водорода, входит- азотсодержащие (в их составе, кроме углерода и водорода, азот, часто- серусодержащие (кроме углерода и водорода в их состав входит сера,часто кислород);-элементоорганические соединения (в частности, металлоорганическиесоединения).Внутри каждого из этих классов проводится классификация по функциональнымгруппам. Например, кислородсодержащие соединения делятся на:- спирты (функциональная группа -ОН);- альдегиды (функциональная группа -С // );- кетоны (функциональная группа -С-);OO \ H

84- кислоты (функциональная группа -С // ) и другие.\ OHКроме того, внутри каждого класса различают две группы соединений –предельные и непредельные.Существует несколько систем названий (номенклатур) органических соединений.Наиболее распространенными являются тривиальная, рациональнаяи систематическая. Последняя является международной. Согласно этой номенклатуреза основу названия берут самую длинную цепь углеродных атомов.Цепь нумеруют с того конца, к которому ближе находится боковое ответвлениеили функциональная группа. Называют не вошедшие в основную цепь радикалы.Перед названием каждого радикала указывают номер углеродного атома, скоторым связан каждый радикал. Если одинаковых радикалов несколько, указываютих общее количество с помощью приставок ди-, три-, тетра- и т.д. Затемдают полное название углеводорода, принятого за основу. При этом в случаепредельных соединений пишется суффикс “ан”, в случае этиленовых – “ен”,ацетиленовых – “ин”. Положение функциональной группы записывается в конценазвания (в случае спиртов – окончание “ол”, в случае альдегидов – “аль”,кетонов – “он” и т.д.) Пример:O1 2 3 4 5 6CH 3 ¾CH¾CH¾CH¾CH 2 ¾CH 3½ ½ ½Cl CH 3 OH2-хлор 3-метил гексанол-4Теория химического строения органических соединений была предложенав 1861 году А.М.Бутлеровым. Эта теория позволила на научной основе обоб-

85щить большой фактический материал и на много лет предопределила развитиеорганической химии. В настоящее время известны органические соединения, всостав которых входят практически все элементы периодической системы элементовД.И.Менделеева. Химические свойства органических соединений определяютсякак строением углеродного скелета (предельные, этиленовые, ацетиленовые),так и составом (углеводороды, спирты, альдегиды, кислоты, аминосоединения,сульфокислоты и т.д.). В технике широко используется способностьатомов углерода образовывать длинные цепи, лежащие в основе важногокласса органических соединений – полимеров. Полимеры могут быть полученыкак путем полимеризации, так и по реакции поликонденсации. Эти две реакцииотличаются друг от друга тем, что при полимеризации происходит соединениемономерных молекул друг с другом за счет разрыва двойных связей (без образованияпобочных продуктов), а при поликонденсации полимер образуется засчет функциональных групп разных классов соединений (при этом в качествепобочных образуются низкомолекулярные соединения). Например:CH 2 = CH ¾CH 3 + CH 2 = CH¾CH 3 + CH 2 = CH¾CH 3 + . . . ®пропилен¾СH 2 ¾CH¾CH 2 ¾CH¾CH 2 ¾CH¾. . .→ ½ ½ ½CH 3 CH 3 CH 3полипропиленЭто реакция полимеризации. Примером реакции поликонденсации являетсяреакция между бифункциональными соединениями, например:

OO\\ //86C ¾(CH 2 ) n ¾C + H 2 N ¾(CH 2 ) n ¾NH 2 ® H 2 O +/ \ диаминHOOHдвухосновная кислотаOО\\ //+ С¾(CH 2 ) n ¾C ¾NH¾(CH 2 ) n ¾NH 2 ./HOПолучился димер. К нему точно так же присоединяется третья, четвертаяи т.д. молекулы мономера. В результате образуется полимер.Полимеры находят широкое применение в быту, в промышленности и вдругих областях нашей жизни. Именно поэтому в каждом контрольном заданииесть вопрос по полимерам.КОНТРОЛЬНЫЕ ЗАДАНИЯ161. Напишите структурную формулу акриловой (простейшей непредельнойодноосновной карбоновой) кислоты и уравнение реакции взаимодействияэтой кислоты с метиловым спиртом. Составьте схему полимеризации образовавшегосяпродукта.162. Как из карбида кальция и воды, применив реакцию Кучерова, получитьуксусный альдегид, а затем винилацетат? Напишите уравнения соответствующихреакций. Составьте схему полимеризации винилацетата.163. Какой общей формулой выражается состав этиленовых углеводородов?Какие химические реакции наиболее характерны для них? Что такое полимеризация,поликонденсация?

87164. Как можно получить винилхлорид, имея в распоряжении карбидкальция, хлорид натрия, серную кислоту и воду? Напишите уравнения соответствующихреакций. Составьте схему полимеризации винилхлорида.165. Полимером какого непредельного углеводорода является натуральныйкаучук? Напишите структурную формулу этого углеводорода. Как называютпроцесс превращения каучука в резину? Чем по своему строению и свойствамразличаются каучук и резина?166. Какой общей формулой выражается состав насыщенных углеводородов?Наиболее характерные реакции для них? Напишите структурные формулывсех изомеров гексана.167. Напишите структурную формулу метакриловой кислоты. Какое соединениеполучается при взаимодействии ее с метиловым спиртом? Напишитеуравнение реакции. Составьте схему полимеризации образовавшегося продукта.168. Какие углеводороды называют диеновыми? Приведите примеры. Какаяобщая формула выражает состав этих углеводородов? Составьте схему полимеризациибутадиена (дивинила).169. Какие углеводороды называют олефинами (алкенами)? Приведитепримеры. Какая общая формула выражает состав этих углеводородов? Составьтесхему получения полиэтилена.170. Чем отличаются друг от друга реакции полимеризации и поликонденсации?Приведите примеры получения полимеров на основе этих реакций.171. Каковы различия в составах предельных и непредельных углеводородов?Сравните их химические свойства. Напишите реакцию получения изопренаиз изопентана.172. Какие соединения называют аминокислотами? Напишите формулупростейшей аминокислоты. Составьте схему реакции поликонденсации аминокапроновойкислоты. Назовите образовавшийся полимер.

88173. Какие соединения называют альдегидами? Какое свойство альдегидовлежит в основе реакции “серебряного зеркала”? Составьте схему получениявинилхлорида из ацетилена.174. Как называют углеводороды, представителем которого является изопрен?Составьте схему получения полимера реакцией сополимеризации изопренаи изобутилена.175. Какие соединения называют элементорганическими, кремнийорганическими?Укажите важнейшие свойства кремнийорганических полимеров. Каквлияет на свойства кремнийорганических полимеров увеличение числа органическихрадикалов, связанных с атомами кремния?176. Какая общая формула выражает состав алкинов? Их основные свойства.Напишите реакции получения ацетилена на основе карбида кальция и метана.177. Напишите уравнение реакции дегидратации пропилового спирта. Составьтесхему полимеризации полученного соединения.178. Какие полимеры называют стереорегулярными? Чем объясняется болеевысокая температура плавления и большая механическая прочность стереорегулярныхполимеров по сравнению с нерегулярными?179. Какие полимеры называют термопластичными, термореактивными?Приведите примеры.180. Какие соединения называются ароматическими? Их общая формула.Приведите реакции сульфирования, нитрования бензола.КОНТРОЛЬНЫЕ ЗАДАНИЯКонтрольные задания по химии преследуют различные цели:а) научить студента систематически самостоятельно работать, используякниги, учебные пособия по химии, возможные консультации,б) проверить знания студента-заочника.

89Выполнение заданий способствует усвоению программного материала,значительно облегчает последующую сдачу экзамена.Оформление контрольного задания по следующему порядку.Студент, высылающий задание должен указывать:1) фамилию, имя, отчество; 2) свой шифр; 3) адрес; 4) номер варианта; 5) датувыполнения задания; 6) подпись.Условия задач приводить обязательно. Ответы на задачи и вопросы должныбыть краткими (и одновременно исчерпывающими), четкими и аккуратнонаписанными.Следует избегать лишних рассуждений. Запись необходимых химическихформул и уравнений обязательна. Следует помнить о необходимости оставлятьв тетради поля шириной 4 – 5 см для заметок рецензента.Получив работу и рецензию на нее, студент должен исправить ошибки вэтой же тетради.Каждый студент выполняет задание, номер которого совпадает с двумяпоследними цифрами его шифра. Пример: номер шифра 02 - ПГС-186, в которомдвум последним цифрам (86) соответствует вариант контрольного задания86.

90БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК1. Коровин Н.В. Курс общей химии. - М.: Высшая школа, 1980, 1998.2. Глинка Н.Л. Общая химия. - Л.: Химия, 1980-1987.3. Глинка Н.Л. Общая химия. - М.: Интеграл-Пресс, 2006.4. Глинка Н.Л. Задачи и упражнения по общей химии. - Л.: Химия, 1985.5. Гольбрайх З.Е., Маслов Е.И. Сборник задач и упражнений по химии. -М.: Высшая школа, 1997.

91ПриложениеТАБЛИЦА ВАРИАНТОВ КОНТРОЛЬНЫХ ЗАДАНИЙНомер вариантаНомера задач, относящихся к данному заданию01 1, 21, 41, 61, 81, 101, 121, 141, 16102 2, 22, 42, 62, 82, 102, 122, 142, 16203 3, 23, 43, 63, 83, 103, 123, 143, 16304 4, 24, 44, 64, 84, 104, 124, 144, 16405 5, 25, 45, 65, 85, 105, 125, 145, 16506 6, 26, 46, 66, 86, 106, 126, 146, 16607 7, 27, 47, 67, 87, 107, 127, 147, 16708 8, 28, 48, 68, 88, 108, 128, 148, 16809 9, 29, 49, 69, 89, 109, 129, 149, 16910 10, 30, 50, 70, 90, 110, 130, 150, 17011 11, 31, 51, 71, 91, 111, 131, 151, 17112 12, 32, 52, 72, 92, 112, 132, 152, 17213 13, 33, 53, 73, 93, 113, 133, 153, 17314 14, 34, 54, 74, 94, 114, 134, 154, 17415 15, 35, 55, 75, 95, 115, 135, 155, 17516 16, 36, 56, 76, 96, 116, 136, 156, 17617 17, 37, 57, 77, 97, 117, 137, 157, 17718 18, 38, 58, 78, 98, 118, 138, 158, 17819 19, 39, 59, 79, 99, 119, 139, 159, 179

9220 20, 40, 60, 80, 100, 120, 140, 160, 18021 1, 22, 43, 64, 85, 106, 127, 148, 16922 2, 23, 44, 65, 86, 107, 128, 149, 17023 3, 24, 45, 66, 87, 108, 129, 150, 17124 4, 25, 46, 67, 88, 109, 130, 151, 17225 5, 26, 47, 68, 89, 110, 131, 152, 17326 6, 27, 48, 69, 90, 111, 132, 153, 17427 7, 28, 49, 70, 91, 112, 133, 154, 17528 8, 29, 50, 71, 92, 113, 134, 155, 17629 9, 30, 51, 72, 93, 114, 135, 156, 17730 10, 31, 52, 73, 94, 115, 136, 157, 17831 11, 32, 53, 74, 95, 116, 137, 158, 17932 12, 33, 54, 75, 96, 117, 138, 159, 18033 13, 34, 55, 76, 97, 118, 139, 160, 16134 14, 35, 56, 77, 98, 119, 140, 141, 16235 15, 36, 57, 78, 99, 120, 121, 142, 16336 16, 37, 58, 79, 100, 101, 122, 143, 16437 17, 38, 59, 80, 81, 102, 123, 144, 16538 18, 39, 59, 65, 86 , 107, 128, 145, 16639 19, 21, 40, 44, 65, 108 , 129, 146, 16740 20, 23, 45, 67, 88, 109, 130, 147, 168

9341 2, 24, 46, 68, 89, 110, 131, 148, 17042 3, 25, 47, 69 , 90,111, 132, 149, 17143 4, 26, 48, 70, 91, 112, 133, 150, 17244 5, 27, 49, 71, 92, 113, 134, 151, 17345 6, 28, 50, 72, 93, 114, 135, 152, 17446 7, 29, 51, 73, 94, 115, 136, 153, 17547 8, 30, 52, 74, 95, 116, 137, 154, 17648 9, 31, 53, 75, 96, 117, 138, 155, 17749 10, 32, 54, 76, 97, 118, 139, 156, 17850 11, 33, 55, 77, 98, 119, 140, 157, 17951 12, 34, 56, 78, 99, 120, 122, 158, 18052 13, 35, 57, 79, 100, 101, 121, 159, 16953 14, 36, 58, 80, 85, 112, 123, 160, 16154 15, 37, 59, 61, 84, 113, 124, 141, 16255 16, 38, 60, 62, 83, 106, 125, 143, 16356 17, 33, 41,63, 82, 101, 126, 142, 16457 18, 40, 42, 61, 81, 102, 127, 144, 16558 19, 21, 43, 62, 87, 103, 128, 145, 16659 20, 22, 41, 62, 88, 104, 129, 146, 16760 1, 24, 42, 64, 89, 105, 130, 147, 16861 3, 25, 43, 65, 90, 106, 131, 148, 169

9462 4, 26, 44, 66, 91, 107, 132, 149, 17063 5, 27, 45, 67, 92, 108, 133, 150, 17164 6, 28, 46, 68, 93, 109, 134, 151, 17265 7, 29, 47, 69, 94, 110, 135, 152, 17366 8, 30, 48, 70, 95, 111, 136, 153, 17467 9, 31, 49, 71, 96, 112, 137, 154, 17568 10, 32, 50, 72, 97, 113, 138, 155, 17669 11, 33, 51, 73, 98, 114, 139, 156, 17770 12, 34, 52, 74, 99, 115, 140, 157, 17871 13, 35, 53, 75, 100, 116, 139, 158, 17972 14, 36, 54, 76, 86, 117, 132, 159, 18073 15, 37, 55, 77, 87, 118, 133, 160, 16274 16, 38, 56, 78, 88, 119, 124, 142, 16175 17, 39, 57, 79, 83, 120, 125, 141, 16376 18, 40, 58, 80, 82, 101, 126, 143, 16477 19, 23, 59, 61, 81, 102, 127, 144, 16578 20, 21, 60, 62, 100, 103, 128, 145, 16679 4, 22, 51, 63, 99, 104, 129,146, 16780 5, 23, 52, 64, 98, 105, 130, 147, 16881 6, 24, 53, 65, 97, 106, 131, 148, 16982 7, 25, 54, 66, 96, 107, 132, 149, 170

9583 8, 26, 55, 67, 95, 108, 133,150, 17184 9, 27, 56, 68, 94, 109, 134, 151, 17285 10, 28, 57, 69, 93, 110, 135, 152, 17386 11, 29, 58, 70, 92, 111, 136, 153, 17487 12, 30, 59, 71, 91, 112, 137, 154, 17588 13, 31, 60, 72, 90, 113, 138, 155, 17689 14, 32, 41, 73, 89, 114, 139, 156, 17790 15, 33, 42, 74, 88, 115, 140, 157, 17891 16, 34, 43, 75, 87, 116, 131, 158, 17992 17, 35, 44, 76, 86, 117, 132, 159, 18093 18, 36, 45, 77, 85, 118, 133, 160, 16194 19, 37, 46, 78, 84, 119, 134, 160, 16295 20, 38, 47, 79, 80, 120, 135, 152, 16396 1, 39, 48, 80, 82, 110, 136, 143, 16497 2, 40, 49, 61, 81, 111, 137, 144, 16598 3, 24, 50, 62, 100, 112, 136, 145, 16699 4, 25 51, 63, 99, 113, 139, 146, 167100 5, 26, 52, 64, 98, 114, 140, 147, 168