Text
                    МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ
РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ строительный
УНИВЕРСИТЕТ
ЭЛ. Агасян, А.А. Корытин, Е.М. Мясоедов
ПОМОЩНИК
в решении примеров и задач
ПО ХИМИИ
Учебное пособие
МОСКВА 2006

т ПЕРИОДИЧЕСКАЯ СИСТЕМА ЭЛЕМЕНТОВ Д. И. Менделеева VII VIII 1 (Н) Н 100794 Не 4.00260 ГЕЛИЙ и III IV V VI ВОДОРОД 2 Li 6.941 литий Вв 9 01211 БЕРИЛЛИЙ В 10.81 БОР С 12811 УГЛЕРОД N 14 0067 АЗОТ О 15.9994 КИСЛОРОД F 18.9984 ФТОР Ne 20.1^ НЕОН 3 Na«,^ НАТРИЙ Мё 24305 МАГНИЙ А1 26.981! АЛЮМИНИЙ Si 28.0855 КРЕМНИЙ Р 30.9738 ФОСФОР S 32 06 СЕРА С1 35453 ХЛОР АГ 39.948 АРГОН 4 К 39.0983 КАЛИЙ С а 4о.м КАЛЬЦИЙ 44.9559 SC СКАНДИЙ 47.90 Ъ ТИТАН 505415 V ВАНАДИЙ М 8^-. 51.996 СГ ХРОМ 54.938 МП МАРГАНЕЦ 55.847 FC ЖЕЛЕЗО 58.9332С О |я.7О Ni КОБАЛЬТ| НИКЕЛЬ 63.548 Cll МЕДЬ 65.38 Zll ЦИНК Ga 69.723 ГАЛЛИЙ Св 72.59 ГЕРМАНИЙ AS 74.9216 МЫШЬЯК SC 78.96 СЕЛЕН В Г 79.904 БРОМ КГ 8380 КРИПТОН 5 Rbg5467B РУБИДИЙ Sr 87.0’2’ СТРОНЦИЙ 39 XT 88.9059 X ИТТРИЙ ?1.22 ХГ ЦИРКОНИЙ ^MNb НИОБИЙ 95.94 МО МОЛИБДЕН 98.9062 ТС ТЕХНЕЦИЙ 101 07 Ru РУТЕНИЙ Го230бКЬ|Гоб.4 Pd РОДИЙ) ПАЛЛАДИЙ 107868 Аё СЕРЕБРО 112.41 Cd КАДМИЙ In 114.82 ИНДИЙ Sn 11В.Б9 ОЛОВО Sb 121.£ СУРЬМА Те 127.W ТЕЛЛУР Т 53 1 126.9045 ИОД Хе 131.3=2 КСЕНОН 6 CS 132.905 ЦЕЗИЙ Ва 137.33 БАРИЙ ГзвзтЬа* ЛАНТАН Hf ГАФНИЙ 180.948 Т 3 ТАНТАЛ 183.85 W ВОЛЬФРАМ 186.207 Re РЕНИЙ Г90.2 OS ОСМИЙ 192.22 Ir|l95.09 Pt ИРИДИИ| ПЛАГИНА 196.967 All ЗОЛОТО 200.59 Hg РТУТЬ TI 2043*; ТАЛЛИЙ РЬ 207*2 СВИНЕЦ Bi 208.98 ВИСМУТ Ро Я ПОЛОНИЙ At [210] АСТАТ Rn [222] РАДОН Обозначен* Порядковый элемента номер 7 Fr [223) ФРАНЦИЙ Ra 226.025 РАДИЙ (227] АС АКТИНИЙ ^1 Ku КУРЧАТОВИЙ Ns НИЛЬСБОРИЙ Атомы* массы приведены по Международной Ас ,, таблице 1986 г В квадратных скобках приведены 74.9216 массовые числа наиболее устотивых изотопов ^МЫШЬЯК ЧАгомнап * ЛАНТАНИДЫ “асса * ЛАНТАНИДЫ СешЗРг JNd^lPm ЯЗш iso^lEuisijelGdw^rbisB^lDy le^HoiM^Erw^niieeilYbin^Luvu? ЦЕРИЙ |ПРАЗЕОДИМ|НЕОДИМ [ПРОМЕТИЙ [САМАРИЙ [ЕВРОПИЙ | ГАДОЛИНИЙ) ТЕРБИЙ |даСПРОЗИй|гОЯЬВИЙ [ЭРБИЙ [ТУЛИЙ [ИТТЕРБИЙ [ЛЮТЕЦИЙ ’П|амУа«Д|и a»J»|NP 237.о^Ри [2^|АШ й«1|См В^вк iwljCf I25?1|Es taSjFni »авй|М(1 fisalNo ЯЬг [2601 ТОРИИ [пРОМКПНв|УРАН [НЕПТУНИЙ [ПЛУТОНИЙ [АМЕРИЦИЙ | КЮРИЙ [БЕРКЛИЙ ||САЯ1ФСРНИй|зЙНЦТЕЙ#й[фЕРМИЙ |МВ<ДЕЛЕЯМ|НОБЕЛМЙ [ЛОУРЕНСИИ
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ МОСКОВСКИЙ 1 ОСУДАРСТВЕ1ШЫЙ СТРОИТЕЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ЭЛ. Агасян, А.А. Корытин, Е.М. Мясоедов ПОМОЩНИК в решении примеров и задач ПО ХИМИИ Учебное пособие (издание второе,исправленное и дополненное) Москва 2006
УДК 54 Агасян Э П , Корытин А. А , Мясоедов Е М Помощник в решении примеров и задач по химии Учебное пособие / Под редакцией профессора доктора хим наук В И Сидорова / Моск гос строит ун-т М , МГСУ, 2004- с 134 ISBN 5-7264-0209 X Эю учебное пособие поможет студентам применить теоретические знания для решения различных практических задач химии и в то же время позволит лучше усвоить основы курса «Химии», подробно изложенные в специальном учебнике «Общая химия» В И Сидорова с соавторами Пособие предназначено для студентов 1 r.ypca Ml СУ всех специальностей Рецензент профессор докюрхим наук МУ Кислюк (Институт химической физики РАН РФ) ISBN 5-7264-0209-Х © Агасян Э II, Корытин А А., Мясоедов Е.М. ©МГСУ, 2006
...Учением приобретённые познания вещах понятие и открывают потаённые действий и свойств причины; художества к приумножению человеческой пользы оные употребляют. Науки довольствуют врождённое и прибытка увеселяют. Науки художествам путь показывают; пользою согласно служат. В обоих сих коль велико и коль исследование натуры и многие в жизни человеческой преполезные художества. - М.В.Ломоносов, Слово о пользе химии, сентября 6 дня 1751 года говоренное. Предлагаемое Вашему вниманию пособие - ещё одна попытка рассказа ть просто о сложном, убедить сомневающихся в своих способностях - не сомневаться. Согласимся с великим Ньютоном. - «при усвоении наук примеры полезнее правил» Знания - сила Это - цель А средство - в упражнениях Авторы желают Вам и себе успеха. Введение С самого начала обратимся к опьпу и уже известному нам Мы в состоянии отличить физический процесс от химического. Льдышка тает в теплой ладошке ребенка - лёд плавится Вода кипит в чайнике или в котелке на огне костра, сохнет белье на верёвке - вода испаряется. Или, наоборот, конденсируется И тогда из тучки в небе на землю льется дождь или, если холодно, падает снег Во всех перечисленных случаях с изменением температуры или других внешних параметров изменяется физическое состояние вещества, но само вещество "не теряет себя", то-есгь не меняет своего состава и лёд, и снег, и пода, и пар - это Н2О В физических процессах изменяется только интенсивность неизбежных столкновений молекул - взаимных или о стенку сосуда Вода остаётся водой - сосулька
она или тучка в небе Но если температуру повысить весьма значительно, то столкновения молекул станут опасными для их существования внутренние связи, удерживающие два атома водорода и атом кислорода в единое целое Н - О - Н, не выдержат удара, произойдет разрыв химических связей между атомами водорода и кислорода Эта "катастрофа" - и есть химическое событие, химический процесс превращения одного вещества в другое или другие В нашем случае при высокой температуре произойдет термическая диссоциация (распад) воды на водород и кислород Как водится, о тюбом событии можно рассказать прозой ити стихами Л можно и описать б) квами или цифрами Даже трели соловья Тем более можно записать в виде формул состав бензина, а в виде уравнений - процесс сю сгорания в цилиндрах двигателя автомобиля Зная состав смеси, называемой бензином, и состав продуктов горения, можно записать в виде сравнении то, что происходит с каждым из веществ, входящих в состав бензина, при их сгорании (окислении кислородом воздуха) например 2С8Н18 + 2501 -» 16СО2 + 18Н2О + Q Здесь октан С8Н18 и кислород О2 исходные вещества, углекислый газ СО2 и вода Н2О - продукты реакции Q - гегпота реакции, которая с помощью умною устройства, называемого двигателем внутреннею сгорания, превратится в работу перемещения автомобиля и поклажи на нем Цифры перед формулами веществ в левой и правой частях уравнения 2, 25, 16 и 18 - стехиометрические коэффициенты - определяют количественные соотношения исходных веществ и веществ-продуктов Этот факт что вещества реатируют и получаются в строго определённых количественных юо! ношениях следствие из закона сохранения массы Кот нчество вещества это не масса его Масса - мера инерции системы, те мера свойства сохранять состояние покоя или равномерного прямолинейного движения Единица массы - 1 кг = 103 г Свойство системы содержать внутри себя то или иное число структурных единиц называется количеством Мера количества - число единиц того, о чем идет речь Числом
единиц и измеряют количества обыденного: двадцать пягь кошрег в коробке, два арбуза, «ряста страниц в книге, сто тридцать два студента на курсе, mkjdihoh рублей и т.п. Множество участвующих а химической реакции «астиц настолько велико что ого число и произнести и записать затруднительно Для таких ситуаций за единицу количества приняли 1 моль б ]О’3единиц столько атомов углерода содержит бриллиант массой 60 карат (I карат 200 мг). Два моля серной кислоты - что очень много молекул серной кислоты ] 2 -10м штук. А если у нас в рукал 1 орсть из 15 10i3 атомов железа ю легко сообразить, сколько это составляет молей железа N _ 15-10х’атомов N § .Коатомов/ / моль Количество вещества не зависит от его физическою состояния моль льда, моль воды из ручья, мол» водяного пара - это все 6 1021 молекул воды Ле»ко понять, что множество ничтожных величин може» составить вполне ощутимое нечто Например, масса одной молекулы карбоната кальция тСяСО 16,61 1(Гът - ничюжиая величина, однако масса одного моля молекул карбоната кальция (мела) состави» кру» ленькую величину го( а(О (16,61 10 хэ 1) (6 10й моль 1 ) -100 i/мол!» Таким образом, молярная масса этою вещества М(ХО Ю0 i/моль Если масса образца мела (СаССЬд к примеру, составляет 250 i, то количество tn 2501 э го: о минерала составляет: v = — - -----= 2,5 моль М 100г/моль И ещё желательно знать что любой »аз количеством один мочь пои нормальных условиях (н у ), »о ее > ь при юмнературе 21 > К (0 1 ( ) и давлении 101125 Па (1 агм ), всегда занимай» обьем, равный 22,4 литра - но мольный объем । аза Vu - 22Д л/миль 1ак что если в результат какой то реакции аыдеаитск водород объемом 56 л, то количество водорода состави»
v - — =-----------= МОЛЬ Vo 22,4 ji/моль При этом можно сообразить, что масса выделившегося водорода с учётом его молярной массы М 2 г/моль оказывается равной шн =v М = 2,5 моль 21/моль = 5 г Масса такого же количества тяжелого газа радона /МКп = 222 г/моль) была бы при гом же объеме значительно большей mRn=v М= 2,5 моль 222 г/моль = 555 г Сформулируем закон Aboi адро «различные газы равных объемов при одинаковых давлении и температуре содержат равное число молекул», может прит одиться Чго еще9 Еще о валентности и степени окисления Атомы проявляют свойство соединяться с другими атомами Эю свойство называется валентностью. И мера этою свойства - валентность водорода I (Н-) или валентность кислорода II (-О-) Сегодня за единицу валентности (при условии образования ковалентной связи между атомами) принимают способность атома образовывать общую «с соседом» электронную пару Го ес ть предполат аегся, чго два электрона с противоположными спинами (ТФ) находятся в движении одновременно около ядер двух соседних атомов. Эта обобществленная пара электронов и ес 'ъ символ единицы меры валентности Н + Н э Н:Н Н—Н Н 4 С1 > Н:С1 Н—О Na + Cl -> Na:Cl Na—Cl Н Н 4Н + С —>Н:С:Н Н н—с—н н Однако, кроме валентности, при анализе химических превращений и произошедших изменений состояния атома до и после реакции используется понятие степени окисления (окислительное число) Степень окисления - это
формальный заряд атома в молекуле, вычисленный в предположении ( оно не всегда соблюдается), что все связи атома в молекуле ионные Договорились считать степень окисления атомов в молекулах простых веществ равной нулю Степень окисления обозначают арабской цифрой и знаком при ней (цифру, равную 1, обычно не указывают). В молекулах сложных веществ степень окисления атома водорода обычно составляет 1 С атома кислорода - обычно 2- . Степень окисления может быть X). <0 =0, может быть целой и дробной, постоянной и переменной Степень окисления атомов металлов в молекулах сложных веществ всегда >0 Суммарная степень окисления всех атомов в молекуле всегда равна нулю Желательно запомнить неизменные степени окисления некоторых атомов в молекулах сложных веществах: IT, Na\ К*, Ag1", Li+, Са21, Mg2+, Zn2 , Ba7’ A13+,F,O2 Сгепснь окисления удобное, но формальное понятие. Валентность реальное свойство а 1 омов Валентность все! да обозначается римской цифрой без знака " ь" или при ней Обратите внимание на примеры Cl“ H’CI него2 С1 С1 Н-Cl Н-0 С1 хлор хлорисшй водород хлорноватимая кислота Во всех трех соединениях хлор одновалентен, но степень окисления аюма хлора равная с’ н; с’ н; меэан этан Н НН н~гн “'iT" н Н Н В этих двух соединениях yiлерод четырехвалентен, но степень окисления атома yj лерода разная Ещё примеры:
H2'S6'O‘ серная кислота к Мп *о; Na^Cr^O,' перманганат калия /? к—о—1^1=0 дихромат натрия // Na—О—-Ст~О—Сг—О—Na с? \\ 0 О В последних трех соединениях валентность и степень окисления у атомов серы, марганца и хрома численно совпадают Теперь обратимся к веществам, из которых состоят многие известные нам материя ты Неорганические вещества Веществ как таковых - бесконечное множество Естественно возникла необходимость привести в порядок накопившуюся информацию Классификационных признаков немало - агрегатное состояние (в стан- дартных условиях), окраска, запах, распространенность, электропроводность, магнитная восприимчивость, происхождение, состав молекул и прочие По происхождению мы различаем вещества «живой» природы - opi аттические вещества, и вещества «неживой» природы - минерального происхождения неорганические вещества Такое деление традиционно, но весьма условно По составу молекулы органических веществ отличаются от неорганических содержанием преимущественно атомов углерода и водорода, и, пожалуй, более сложным строением Наш интерес неорганические вещества твердые, жидкие, газообразные, с запахом и без, окрашенные и бесцветные, простые и сложные 1 Тростые вещества металлы и неметаллы Молекулы простых веществ состоят из одинаковых атомов Более говорить не будем Заметим только, что элементов-металлов среди всех известных к настоящему времени (более 110) подавляющее большинство А вот по распространенности в земной коре, гидросфере и атмосфере лидерство неметаллов бесспорно. Чемпион среди
всех кислород. На долю кислорода приходится более половины от числа всех атомов в природе. Сложные неорганические вещества отличаются от простых тем, что молекулы сложных веществ состоят из разных атомов Кстати, все орт анивеские вещества относятся к сложным Г оворя о природе вещей, мы часто обращаемся к противоположностям, добро и зло день и но«ь, плюс и минус, горячее и холодное, белое и чёрное, мужчина и женщина и т.п. Стоит ли говорить о том, что на самом деле между ночью и днём стоит утро, а между днем и ночью - вечер, в которых можно найти признаки и дня и ночи Также и неорганические сложные вещества по своим свойствам подразделяются на основные и кислотные, хотя между ними сгоят амфотерные, которые одновременно могут проявлять и основные и кислотные свойства Как уже i оворилогь, на Земле и в окружающей её атмосфере боль.не всего кислорода 1ак мною, что атомы кислорода соединились со всеми другими а’гомами, да ещё остались в избытке нам для дыхания Соединения атомов химических элементов только с кислородом типа называют оксидами Запомним и не раз повторим оксиды, оксиды, оксиды , хотя раньше их называли окит ями, закисями, окислами и т п По характеру проявляемых свойств оксиды делятся па основные и кислотные Существуют также амфотерные и безразличные оксиды Молекулы основных оксидов состоят из атомов кислорода и атомов металлов с валентностью I, II Na2O , К2О, СаО, МпО, СгО я , п Молекулы кислотных оксидов состоят из атомов кислорода и атомов неметаллов С12О, СО2, N2O5, SOj, Р2О5, или атомов кислорода и атомов металлов, но с высокой валентностью. Например, CrvlO3, Мн^'О, и т п Молекулы амфотерных оксидов состоят- из атомов кислорода и атомов некоторых элементов металлов с валентностью or IJ до IV Наиболее распространённые из них Л12О3, Cr2O3, ZnO, ВеО, PbO, SnO, Т1О2, МпО2, SnOj, PbO2
Оксиды непосредственно или косвенно соединяются с водой, образуя гидраты оксидов, которые в настоящее время принято называть кратко гидроксидами Соответственно гидроксиды также бывают основными, кислотными и амфмерными Основные гидроксиды называют основаниями, кислотные гидроксиды - кислотами, а вот для амфотерных краткого названия не придумали и так и называют - амфотерными гидроксидами Признак и функциональная группа основания - гидроксильная 1 руппа (ОН) , способная к замещению Она входит в сос гав чюбо1 о основания NaOH, КОН, Са(ОН)2, Мп(ОН)2, Сг(ОН)2 Признак is функциональная группа кислот - ионизированный атом водорода Н+, способный к замещению Он содержится в любой кислоте HNOj, H2SO4, Н3РО4, Н2CrO4, НМ11О4 Остаток после удаления водорода из кислоты принято называть кисютым остатком, например NO, - нитрат. SO42“ - сульфат, РО/ - ортофосфа! и т д Амфогерные ыщроксиды можно записывать и в виде оснований, и в виде кислот Например Zn(OH)2 = H2ZnO2, AI(OH)3 = Н3А1О3 и т п Продукты взаимодействия основания или основного оксида с кислотой или кислотным оксидом называют солями Поэтому в любой соли содержится остаток от основного вещества и кислотный остаток Например Ca(NO3)2, Na3PO4, К2СО3, MgSO4 итп Всякую соль можно рассмафивать либо как продукт замещения атомов водорода кисло!ы на атомы металла либо как продукт замещения ОН - групп основания на кислотные остатки Если такое замещение является полным, то соли называют средними Если не полностью замешается водород в кислоте, го - кислыми А если не полностью замещаются ОН- группы в основании, io соли называют основными Например, в угольной кислоте Н2СО3 заместиться на атомы металла могу'! один или два атома водорода - NaHCO3, Na2CO3, а в ортофосфорной кислоте Н3РО4 - от одного до трёх. Mg(H2PO4)2, MgHPO4, Mg3(PO4); 10
В гидроксиде кальции Са(ОИ)2 на кислотные остатки могу г заместиться одна или две гидроксильные группы (CaOH)NQj, Ca(NO3)2 Л теперь немного о химических свойствах сложных веществ Химические свойства отражают способность вещества реагировать с другими веществами, Химическая реакция — химическое событие. Этот процесс записывается в виде, уравнения. Химическое уравнение это описание превращений веществ с помощью химических символов и цифр при них. Нс забудем, что вещества одинаковые по природе, не реагируют друг с другом (основное вещество не pcaihpyei с основным, кислотное не pear ирует с кислотным) Оксиды реагируют с водой с образованием гидроксидов (если последние растворимы в воде) Основные оксиды при этом даю г основания Са(НН2О > СаО Н2О ~ СаО2И2 - Са(ОН)2 гидрат оке ида кальция основание гидроксид кальция Na2O 4- Н2О -> Na2O Н2О - Na2O2H2 - 2NaOH гидрат оксида натрия основание гидроксид натрии СиО + Н2О 4 / Перас г коримые в воде основания получают из голей Кислотные оксиды в реакции с водой превращаются в кислоты SO.-, + Н2О > SO3 Н2О - R2SO4 гидрат оксида серы серная кис лога P2OS + Н2О > Р2Оч Н2О - Н2Р2О6 2 ПРО, метафоефорнаи кислота Р2О5 + 2112О -> Р2О5 2Н2О - Н4Р2О, иирофосфорная кислота Р2О< + ЗН2О > Р2О5 3IKO Н6Р2О8 - 2НД’О4 оргофосфорная кислота
Нерастворимых в воде неорганических кислот (кроме H2S1O3) нет, поэтому практически все кислотные оксиды реагируют с водой (кроме оксида кремния). Кремниевую кислоту получают из ее солей Например Na2SiOj + H2SO4 H2SiO3i + Na2SO4 Главное свойство основных оксидов - соединяться с кислотными оксидами или вообще реагировать с "кислым по природе" веществом [ лавное свойство кислотных оксидов - соединяться с основными оксидами или вообще реагироваго с "основным по природе" веществом Амфотерные соединения способны реагировать и с основным, и с кислотным соединением, причем в таких реакциях они всегда проявляют свойства, противоположные свойствам того вещества, < которым реагируют ПёИ. взаимодействии оксида с оксидом всегда образуется соль, содержащая атом металла и? основного оксида и кислотный остаток кислоты, соответствующей кислотному оксиду Вот примеры таких взаимодействии Na2O + СО2 -> Na2O СО, - Na2CO3, основной кислотный СаО + Мп2О7 СаО Мп2о7 ’ Са(МпО4)2, основной кис юткый К2О + Д12О3 К2О А1,0 - 2КА1О2, основной амфотерный NajO + СаО / основной основной СгО + МпО ОСНОВНОЙ основной Р2О5 + СгОз /> КИСЛОТНЫЙ К11СЛО1НЫЙ Мп2О7 + СО2
Продуктами взаимодействия оксида с гидроксидом являюгся соль и вода В образующейся соли атом металла - из основного вещества, а кислотный остаток от КИСЛОТНОГО- CaSO* 4 Н2О, С'а(ОН)2 + SO3 -> CaSO* 4- HjO, 3Na2O 4 2H3PO* ~+ 6NaOH 1 P.O- -> 2Na3PO* + 3H2O, 2Na3PO* + 3H2O. Частично свойства 1идроксидов мы рассмотрели юлько что 1идроксиды мегут реагировать с оксидами с образованием соли и воды При Э1ом основания реагируют - кислошыми оксидами или амфотерными оксидами, прогвлячнними кислотные свойства Са(ОН)2 + Сг2О3 -> 2Са(СгО2)2 + Н2О. Кислоты в свою очередь, реагируют с основными оксидами или амфотерными, проявляющими в этих реакциях основные свойства РЬО2 т 4HN0J -» PI>(NO3)* 4 2Н2О. Амфотерные гидроксиды в этих реакциях 1акже проявляю! или кислотные, или основные свойства 3Na2O + 2Сг(ОН)3 - 3Na2O 4 2Н3СгО3 2Na3CrO3 4 ЗН2О, 2Сг(ОН)3 - 3SO2 Cr?(SO3)3 4- ЗН2О.
Если гидроксиды (гидраты оксидов) разно!о характера реагируют между собой, то также образуется соль и вода NaOH + HNO3 NaNO3 + Н2О, Ва(ОН)2 4 H2S BaS + 2Н2О. Подобные реакции, когда из основания и кислоты в растворе образуются соль и вода, часто называют реакциями нейтрализации Основания, в молекуле которых числе гидроксильных iрупп «он > 1, и кислоты, и молекуле которых число способных к замещению атомов водорода пи. > 1, при взаимодействии могу 1 образовывать не только средние соли, но также основные или кислые, так как ОН" - i руппы в основании или атомы водорода в кислоте могут заместиться не полностью. Са(ОН)2 + H2SO4 CaSO4 + 2H2O, 1:1 < ульфат кальция 2Cii(OH)2(llj6b„l,K) + H2SO4 - > (CaOH)2SO4 + 2Н2О, 2 : 1 гидроксосульфат кальция Са(ОН)2 + 2H2SO4 (тбыток) -> Ca(HSO4)2 + 2Н2О 1 : 2 1 идросульфат кальция или 2NaOH + Н2СО3 Na2CO3 + 2Н2О 2 : 1 карбона! натрия №ОН + Н2СО3(„,6ы,„К) -> NaHCO3 + H2O 1 : 1 Iлдрокарбонагнатрия Однако 3NaOH01j6blT0K) + Н2СО3 -> Na2CO3 4 2Н2О + NaOH. 3 : 1 карбонат натрия Гак как одна i рунпа ОН в гидроксиде натрия не полностью уместиться ис может, то избыток NaOH просто нс вступит в реакцию Чуть не забыли напомни1ь еще раз о свойствах амфотерных гидроксидов в зависимости от условий они будут проявлять свойства или основания, или кисто1ы - 3NaOH + А1(ОН)3 - основное амфотерное 3NaOH4 Н3АЮ3 -> Na3AlO3 4-ЗН2О, H2ZnO2 4- 2НС1 = Zn(OH)2 4- 2НС1 ZnCl2 + 2Н2О.
[ идроксиды разлагаются при нагревании на оксид и соду 2НэРО4 -> Р2О5 + ЗН2О Н2СО, > CO2f + Н2О 2Ре(ОН)3 -> Fe2O3 г ЗН2О Гидроксиды могут реагировать с солями Гак, основание обменивается с солью атомами металла, а кислота - кислотным остатком Следует упомянуть, что реакции обмена преимущественно происходят тогда, когда хотя бы одно из реагирующих веществ жидкое или находится в растворе, и хотя бъ> один из продуктов - летучее (гач) или нерастворимое (осадок) вещество CuCl2 + 2КОН Cu(OH)2| + 2КС1 parnwp раствор При взаимодействии соли с кислотой образуются новая соль и новая кислота MgS + H2SO4 -> MgSO4 + H2Sf твёрдое раствор Однако если киитота мнотоосновпая, а кислотные остатки одинаковые, ю единственным продуктом является кислая соль (.,((», + Н2СО3 > Ca(HCOj)2 Апалотично и в таимодействие соли с основанием приводит к образованию новой соли и нового основания. MnSO4 + 2NaOH -> Mn(OH)2| + Na2SO4 Если реакция между солью и основанием происходит в растворе, соль нтята в избытке, а основание, соответственно, в недостатке, то вместо новот о основания образуется основная соль Например 2CuSO4 + 2NaOH -» (CuOH)2S04j 4 Na2SO4 Соли, могут реагировать с другими солями, вступая в реакции обмена. Эти реакции обмена происходят в растворе, если хотя бы один из продуктов нерас творим ЗСаС12 + 2Na3PO4 -> Са,(РО4)2| + 6NaCl.
Упражнения 1. Завершите уравнения реакций, расставьте коэффициенты, назовите продукт реакции: 1.1 Н3РО4->Н2О + ... Уравняем количества атомов водорода 2Н.,Р(); > ЗН2О + ... Вычтем Нб Р2О8 - это 2Н3РО4 ГЦ Оз - это ЗН2О Р2О5 - это результат 2Н3РО4 — ЗН2О + P2OS оксид фосфора-V Можно рассуждать и иначе Рассчитаем сначала степень окисления атома фосфора в кислоте зная, что Н+. О2', а сумма зарядов атомов в любой молекуле равна нулю Н,Р‘О2 Решаем простейшее уравнение З’х +4(2) 0 х-5 При разложении фосфорной кислоты образуются вода и кислотный оксид фосфора, формула которого будет P.O) Записываем продукты в уравнение Н3РО4 -» Н2О + Р2О5. Уравниваем количества атомов слева и справа в порядке PDIIDO. 1 Случаем 2Н3РО4 ЗН2О Р;О< оксид фосфора-V 1.2 Mn(OH)j —> Н2О + ... Уравняем количества атомов водорода 2Мп(ОН)3 >ЗН2О + ... Вычтем Мп2 О6 Н6 - это 2Мп(ОН)3 - Оу Н6 - это ЗН2О Мп2 Оз -это результат 2Мп(ОН)3 — ЗН2О + Мп2О3 оксид марсанца-Ш
Или по-другому: Мп'(ОН)3 . х - 3+. т е степень окисления марганца 3+, и формула оксида Мп2‘О’ , а реакция- Mn(OH)3 -* Н2О I Мп2О3. Уравниваем количества атомов слева и справа в порядке МпПНПО. Получаем 2Мп(ОН)3 > ЗН2О +- Мп2О3. оксид марганца-III 13 Д12О? + Мп2О7— ... амфвтерзый *-нелетный По отношению к безусловно кислотному оксиду Мп2О? амфотерный А12О( будет итрать роль основного Реакция закончится образованием алюминиевой соли марганцовой кислоты «Сконструируем» формулу продукта Запишем формулы соответствующих гидратов этих оксидов Ai2O2 -зн2О - А1гО,И6 -2АЦОН)-., Мп2О7 -Мп2О7 Н2О = Мп2О8Н2-2НМпО4. Остается записать реакцию, уравнивая число Н1 и ОН , чтобы Н + ОН - Н2О: А1(ОН)з + ЗНМпО4 -» А1(МпО4)3 43И2О. Искомая формула соли AKMnOrh. А12оо ЗМп2О7 2А)(МпО4)3 перманганат алюминия 1.4 ВаО ч Ai2Oj *... OCMUIIIKIH амфптенныи 11о отношению к безусловно основному оксиду ВаО амфотерный оксид ЛЬО) будег играть роль кислотного Реакция закончится образованием бариевой соли алюминиевом кислоты «Сконструируем» формулу продукта Запишем форму чы соответствующих i идратов этих оксидов- 11,0, ->Л12О3 ЗН2О-А12О6Н6=2А1(ОН)3 2Н3А1О„ ВаО ' « >ВаО Н2О ВаО,Н2 =Ва(ОН)2. Остается записать реакцию, уравнивая число Н и ОН , чтобы Н+ 4 ОН = Н2О. ЗВа(ОН)2 + 2Н3А1О3 — Ва,(АЮ3)2 + 6Н2О. Искомая формула соли Ва3(А1ОуЪ ЗВаО 4 А12О3 -» Ва3(АЮ<)2 алюминат бария J7
1.5 Гидроксид калия + гидроксид свиица-П. КОН +РЬ(ОН)2 основной амфотерный В присутствии безусловно основного КОН амфотерный гидроксид РЬ(ОН)2 будет кислотой Н2РЬО2 Далее - традиционное взаимодействие основания с кислотой 2КОН + Н2РЬО3 К2РЬО2 + 2Н2О. плюмбит калия Если попадется ситуация типа гидроксид натрия < гидроксид кальция, ю 1\аОН + Са(ОН)2 реакции не будет ОСНОВНОЙ основной и не надо переделывать Са(ОН)2 в НтСаСГ Или аналогично- CrO3 + SO2 - реакции не будет, КНСЛОТИЫН КИСЛОТНЫЙ так как оба исходных вещества относятся к кислотным оксидам Поэтому, прежде чем «лепить» формулу продукта реакции, сообразите, будет ли реакция 2. Предложите реакцию получения и запишите структурную формулу: 2.1 Селеновая кислота H2SeO4. Кислоты получают из кислотното оксида и воды Степень окисления селена в кислоie и оксиде одинаковая Определим ее в кислоте H^Se6' Oj н+о2. 6<?о2 т 2^Sc^ 2. н—о О Формула исходного оксида должна быт ь Se‘ О, Реакция полу чения SeO3 + Н2О - II2SeO4 2.2 NaHSOj - гидросульфит натрия. Это кислая соль гидроксида натрия NaOH и сернистой кислоты H2SO3: NaOH + HzSO — NaHSO, + H2O
2 3 (MgOH)NOs - г идрокеониграт магния. Это основная соль гидроксида магния и азотной кислоты Mg(OH). + HNOj ->(MgOH)NO34 Н О 2.4 Дигидрофосфат алюминия - эго кислая соль гидроксида алюминия и фосфорной кислоты. Соображайте примерно гак Al(OfI)3 - —» АГ' катион алюминия J1,P()( -—»(П2РО,) дигидрофосфат- анион 4!;,‘ + 3(Н2РО4) > А1(Н2РО4)3 А1(ОН), г ЗНзРСЬ-» АЦЩРОД гЗН2О +- 3112О 2.5 Дигидрикеос) льфаг алюминия - это основная соль гидроксида алюминия и серной кислоты Повторим прием как в 2 4 А1(ОН)3 »Ai(OH)2+ дигидроксоалюмииий-катион H.SOj — ---»SD2 -сульфат-аниои 2(Al(()H)2r + (SO4f - l-AMffllhbSft
O t! Al^O-H O-H AIM)—H Al^O-H О -H 2AI(OH)3 + H2SO4 -»[A1(OH)2]2(SO4) +2H2O 2.6 Cu(A1O2)2 - это средняя (нормальная) сочь гидроксида меди-11 и метаалюминиевои кислоты НА1О2. А1(ОН)3 = H3AIO3 = Н2О + НА1О2, алюминиевая метаалюминиевая кислота кисло1 а Cu(OH)2 + 2НА1О2-*Си(А1О,),+2Н,О, <Q Н О А1“О „ О А1=О сиГ^==+С —~С< + 2Н>° <)Н lj( -0-AI-0 OAI O 3. Задачи на расчеты по химическим формулам и уравнениям. В любой расчетной ситуации всегда сопоставляйте «наличность» данные условия задачи с уравнением химическою события, или масс} используемою вещества с его молярной массой Расчеты в реакциях с }частием газов необходимо проводить, не забывая о мольном объеме таза V0 = 22,4 л/моль. 3.1 Сколько молекул содержится в образце дит идрофосфата кальция, полученного действием фосфорной кислоты на тидроксид кальции массой 3,7 г? Сначала запишем соответствующее условию задачи уравнение реакции Са(ОН)2 + 2НзРО4 Са(Н2РО4)2 + 2Н2О, 20
уТкГ'/р-) НО' Са^РО^ Jet н Сл''6-Н Из уравнения реакции следует, чю мольное соотношенж соли vM„: v- 1:1, те «из моля моль» Mra|oJJ);"40 1- 2(16 F 1)^74 г/моль, 1 моль -6-1021 молекул (NA== v = —-, 1 де V - количество вещества (моль), ш - масса ж М М молярная масса j roi о вещества (г/моль) „ N И v = — , где М число молекул вещества, чис одном моле вещества ( число Аногадро) Количество получившейся соли равно количеству игра, основания v — v - к, v м -аис w =——.a 1! °t"' М.,/ Л М1К1, А 74)/моль 0,05 0 ((/’молекул 3 10молекул 3.2 Исходя из оксида серы-VI и чего- го еше гидросульфа) железа!!! массой 17,35 I. Рассчитайте (моль) исколыоваино) о оксида. Прежде всею сообразите, что продукт кислая соль железа HI Fe(OH)2 и верной кислоты H>SO4 Серная кисы оксида серы-VI Игак SO., + Н2О -> H2SO4 , H2SO4 - >(HSO4 МОН)3~ -v~-^Fe’+, Fc” 4 3(HSO4) > Fe(HSO4h гидросульфит желсза-Ш 2H2O 2 основания и 6-10?1 моль лцества (г), ло молекул в гходованного молекул моль ? получили количество - гидроксида ла г идрат ,)
F e(OH)3 + 3SO3 + 3JHj6 > Fe(HSO ,)3 t- ЗдД 3hIso4 Fe(OH)3 + 3SO3-* Fe(HSO4)3. Из уравнения видно, что количество расходуемого оксида в три раза больше количеств получившейся соли (3 1) ! Мсо =5 6 ‘ 3 (1+ 3 2 + 4 16) - 347 г/моль 3.3 Исходи из оксида алюминия массой 1,02 т, действием азотной кислоты получили нитрат алюминия. Вычислите количество (моль) А12О3 + 6HNO, -» 2A1(NO3)3 + ЗН2О. Из уравнения реакции видно, чго количество полученной соли в два раза бовьше кочичес!ва расходуемо, о ок, идг V4,™ =2v = 2--Е£- | - 2 —-211 — -QJgjMQftb, М,,к I 102 г/моль М„Кс - 2 27 + 3 16 = 102 г/моль 3.4 Рассчитайте содержание (масс. %) млерода в образце угля, если ври сжи!анин образца массой 10 г обьёмы продуктов ст орания - у!лекислого газа СО2 и утарною таза СО составили соответственно 15,68 л и 1,12 л. Запишем два уравнения, гак как часть углерода ciopaei до СО2, а часть до СО С + О2 -> СО2 и 2С 1 О2 -» 2СО Из уравнений ви(но, что vt = vc() и v( - vv0 Стедовагельно. суммарное количество углерода vc -v( Вспомним, что vr =—ь , v,„. М< - 12 г/моль
Г. w , , , ( 15.68 л 1,12 л 1 „ ОтсюдаШс -М. vc - 12 i/моль-----------+--------— — 9 г 22,4 л/мопь 22,4 л/моль ) Значит ы = • 109% = — 100% - 90%. m 10 г 3.5 Масса гидроксида бария в растворе равна 3,42 г. Через раствор гидроксида бария пропускали газообразный оксид серы-IV до полной нейтрализации раствора и образования гидросульфита бария. Вычислите обьём (л) израсходованного оксида ссры-IV. Ва(ОН)2 + 2SOj -> Ba(HSO3)2 1 моль : 2 моль М(„„он., =137 ! 2(164 1)- 171 г/моль, Vo--22,4 л/моль 1 (о уравнению реакции 1 моль 171 г/моль Ва(ОН)2 - 2 моль 22,4 л/мопь SO2 По условию задачи 3,42 з Ва(ОН)2 - хл SO2 , 3,42 । 2 моль - 22,4 л/моль „ , ------------------= 0,896л 1 моль 171 г/мочь 3.6 К раствору фосфата натрия, в котором масса соли составляла 492 I, прилили раовор хлорида кальция, в котором масса соли составляла 466,2 г. Образовался осадок нерастворимою фосфата кальция. Вычислите массу (i) осадка. 2Na3PO< 4 ЗС аС12 > Са3(РО4)21 + 6NaCl 2 моль : 3 моль : I моль Заметим и вспомним, что любое химическое собьпие записывается в виде уравнения и что коэффициенты перед формулами исходных веществ и продую ов реакции указывают на количества участников мольные соотношения Количество и масса не одно и то же Например, количество ceuiHfa массой 1 с и количество гелия массой 1 г весьма сильно отличаются
v =----—-------~ 0,02 моль « 0,25 моль =——— = vHe 207 г/моль 4 г/моль Поэтому сначала вычислим количества исходных веществ и только ТО1 да примем решение, по какому из них будем рассчитывать массу осадка Продукт всегда считаем по недостатку исходного, тс по тому из двух (Na3PO4 или СаС12), количество которого меньше, - как в жизни, чтобы не ошибиться, планируемые доходы не преувеличивают, а расходы, наоборот, не преуменьшают Чтобы приехать во-время, договариваются на «попозже», но и, соо!ветственно, чтобы не опоздать - выезжают пораньше Игаь, =3 23 + 31 + 4 16 - 164 г/моль, М(а(.,2 -40+2 35,5 = 111 г/моль, Mfaj(FOj! =3 40 4 2(31 1-4 16) - 310 i/моль 492 г , 406,2 1 v4a Р0 ~------------эмоль, vCa,,, =--------4,2моль ' ' 164 г/моль 111 г/моль Обратим внимание, что количество фосфата натрия меньше количества хлорида кальция 3 < 4,2 Но по уравнению реакции для полного взаимодействия с Na3PO4 хлорида Кальция требуется в полтора раза больше, тс 4,5 моль В наличии явно меньше-4,2 моль Остается сделать вывод, что «в недостатке» соль СаСЬ И расчет массы осадка будем вес ги, сопоставляя количества СаС12 и образуют?) ося нерастворимо, о Са3(РО4)2 По уравнению реакции 3 моль СаС12 1 моль Са3(РО4)2 По условию задачи 4,2 моль СаС12 - х моль Са3(РО4)2 4,2 1 х =---моль = 1,4моль = VC рок следовательно, тса,<рощ = vc.,,ro.), Мса,,го.), = Ь4 моль 310 г/моль -- 434 Г- 3.7 Вычислиie массу (г) ванадия - продукта восстановлении оксида ванадия-Ш при условии, что объем израсходованного водорода составил 500 л, а практический выход реакции г) = 89,6%. 24
Уравнение реакция восстановления. V2O5 <- ЗН2 —» 2V ь ЗН2О Молярная масса ванадия Mv "= 51 г/моль Как в< егда «ио уравнению реакции ... по условию задачи >' - 1Ю уравнению реакции 3 моль-22,4 л/моль Н2 2 моль-5I г/моль V по условию задачи 500 в h2 — х г V 500 л 2 моль 51 г/моль i моль 22,4 л'моль Пе забудем, что в любых процессах КПД < 1 В нашем процессе г, - 89 6% По ifому 0,896 500 2 511 rnv-n Х---------- ------ - ОI 3.8 При обработке соляной кислотой образца панической кальцинированной соды /карбонат натрия с примесями) массой 2 г выделился углекислый i а г объёмом 412 мл (и.у.). Вычислите содержание (масс, %) карбонаi а ааерня в образце технической соды. Запишем уравнение реакции испы гания образца Na2COj 1 2 НС1 » 2NaCl + CO2j + Н2О. -2 23 + 12 I 3-16- 106 i/моль, Vo "22,4л/моль I Io уравнению реакции 1 моль 22,4 и/моиьСО> 1 моль 10b г/мо,ть Na3CO3 По условию задачи 0,412 л СО2 х i Na2CO:) 0.412 л I моль •'06 г/моль , гг \~ - - -------“1,95 г маиа «иис)ою» карбоната 1 мо п> 22 4 л/моль натрия, при р < в жедии коюрою действием соляной кт лоты собственно и выделяется углекж лый газ Масса образца исследуемой технической соды 2 ' Следовательно, массовая доля карбоната натрия в образце технической кальцинированной соды составит от,, ’9.5J_ 100% -- 97.5 % 2,00 т 25
3.9 Выведите простейшую формулу гидроксида железа, если известны массовые доли атомов составляющих молекулу этого вещества элементов: железо - 62,2%, кислород - 35,6%, водород — 2,2%. Выберем для расчёта обра зец гидроксида железа массой 100 г Тогда в образце mit= 0,622 100 i = 62,2 г, Mfl_ = 56 г/моль, то = 0,356 1001 =35,6 г, Мо= 16 г/моль, 1Пц -0 022 100 г = 2,2 г, М,, = 1 г/моль Гак как v =~, то количества aiомов химических элементов в образце Получается, что v,.-,.: v(1 vh=1,1 2,2 2,2 = 1 2 2 Следовательно, состав гидроксида железа соответствует формуле FefOzHj = Fe_(OHb. 3.10 Для определения формулы неизвестного оксида мар!анца его образен массой 10 г восстановили водородом до свободного металла, масса которого оказалась равной 4,95 г. Определив формулу оксида ио результатам анализа. Так как масса марганца тМп = 4,95 г, ю остаток в оксиде - это кис юрод Значит, ш0- 10 - 4,95 ~ 5,05 I Молярные массы Мм„ ~ 55 Нмоль, Мо=16 г/моль Дальше - как обычно 4,95 г 5,05 г V., =—-------= 0,090 моль V,. = ------=0,315 моль м" 551/моль 0 16 г/моль vM„ Vo =0,090 0,315 -1 3,5 = 2 7 Таким образом, искомая формула оксида - Мп^О? 26
5.11 Сравните в виде отношения обьёмы бромоводорода, выделившегося при действии концентрированной серной кислоты на образцы бромида на грин я бромида кальции одинаковой массы. Запишем уравнения первой и второй реакции. 2NaBr + H2SO4 2HBr f + Na2SO4 (1) СаВг2 4 H2SO4 2НВг I + CaSO4 (2) MWatk = 23 1-80 ---103 г/моль, Mc= 40 4 2 80 = 200 г/моль По уравнению реакции (1) 2 моль 103 i/моль NaBr - 2 моль 22,4 п/мояь HBi По условию задачи mi NaBr - Х^лНВг У 2 моль-22,4 л/моль mi 1 2 моль 103 г / моль 11о уравнению реакции (2) 1 моль 200 ।/моль СаВгз - 2 моль 22,4 л/моль HBi Но условию задачи mr CaBr2 - V7 л НВт У 2 моль 22,4 л/моль m г 2 1 моль 200 г/моль V, 2 22.4-Ш-2 103 206 , ,, Сравниваем: —±------------------- —а | Ьсз комментариев V, 200 2 22,4 m 200 3.12 Смешали водные растворы гидроксида иатрия и сульфата Mai ния, в которых количества основания и соли составили ио 0,1 моля в каждом ряс пюре. Вычисли ie массы (г) продуктов произошедшей реакции. Здесь вообще-го возможны два исхода 2NaOH + MgSO4 — Na2SO4 + Mg(OH)2! 2:1 : 1 : 1 и 2NaOII 4- 2MgSO4 -> Na2SO4 + (MgOH)2SO4| 2:2 : 1 : 1 27
Условие задачи однозначно указывает на второй вариант Так как мольное соотношение реагирующих веществ 1 1, го образуются сульфат натрия и основная соль - гидроксосульфат магния MNa,so< - 2 23 + 32 + 4 16 = 142 г/моль, =2(24 + 16 + 1) + 32 + 4-16 = 178г/моль По уравнению реакции 2 моля NaOH - 1 мочь 142 г/моль Na2SO4 По у словию задачи 0,1 моль NaOH - х г Na2SO4 0,1 моль 1 моль 142 i/моль _ , ,. __ х =-------------------------= 7J. । Na2SO4 2 моль По уравнению реакции 2 моля MgSO4 1 мопь 178 г/моль (MgOH)2SO4 11о у словию задачи 0,1 моль MgSO4 - у г (MgOH)2SO4 0,1 моть 1 моль 178 г/моль пп ,,я ,.ттч у - —.................... = 8J г (MgOH)2SO, 2 моль 3.13 Установте формулу кристаллогидрата сульфата железа-II, если при прокаливании образца массой 13,4 г дефицит массы составы ч 6,3 г. Мы уже знакомы с шдратами оксидов - основаниями и кислотами, например, Na2OH2O, Р2О5 ЗН2О, СаО Н2О, Д12О3 ЗН2О и пр Также и соли образуют с водой тидрагы различного состава CuSO4 5Н2О, CaSO4 2Н2О, Na2SO4-10H2O и т и Соединения закою типа называются кристаллогидратами При ншревании кристаллогидраты теряю i кристаллизационную воду полностью или часшчно В нашем случае при сильном назревании (прокаливание) вода удаляется полностью Потеря массы образца как раз связана с тем, что кристаллизационная вода улетучивается в виде пара FeSO4 хН2О ' FeSO4 + xH2Of MFcS(^хН,о ~ 26 + 32 + 4 16 +х(2 1 + 16)- 152 + 18х г/моль,Мн о = 18г/моль 28
По уравнению реации 1 моль(152 1- 18-х) г/моль FeSO4xH2O — x моль 18 г/моль Н2О По условию задачи 13,9 г FeSO4 хН2О - 6,3 г Н2О 6,3-(152 + 18-х) 18x13,9; 152 + 18 х = 39,7 х, 21,7 х-152, х =---- 7 21,7 Формула кристаллогидрата FeSO4-7H?O 3.14 Рассчитайте массу (г) кристаллогидрата FeSO4-7H2O, полученного растворением оксида железа—II массой 25,9 г в серной кислоте с последу ющим выпариванием раствора. Уравнение реакции- FeO + H2SO4 + 6Н2О -»FeSO47H2O Muo-56 Мб = 72г/моль, MFcbO<7HjO =56 + 32 М 16 + 7 (2 1+ 16) =278 г/моль По уравнению реакции 1 моль-72 г/моль FeO - 1 моль 278 г/моль IeSO4 7Н2О По условию задачи 25,9 г FeO- х i FeSO4-7Il2O 25,9 г 1 моль-278 г/моль ,лл х =—---------------------= .100 г. 1 моль 72 г/моль 3.15 1) каком из оксидов железа FeO, Fe2O2, Fe4O4 наибольшая массовая доля железа, а в каком - наименьшая? Определимся при Мн ~ 56 i/моль MFtO -56 + 16 = 72 г/моль - mhe-I моль-561/моль-1-56г Mie ц - 2 56 + 3 16 - 160 г/моль гпн - 2 моль 56 i/моль ~ 2-56 г М, 0 =2 56 + 4 16 = 232 г/моль - ш1е = 3моль 56 Нмоль = 3 56 г Отсюда = —— = 0,772 ——-- = 0,724 232 г Ответ, наибольшая доля железа в оксиде FeO, наименьшая - в 1е2Оз 29
Задачи для самостоятельного решения 1 Завершите уравнения реакции и расставьте коэффициенты хлорная кислота —> вода + оксид натрия + оксид марганца-VII гидроксид лития + оксид азота-Ш сульфит кальция +- сернистая кислота -> 2 Завершите уравнения реакций и расставьте коэффициенты гидроксид титана IV -> вода т оксид натрия ч- гидроксид цинка -> гидроксид кальция + оксид фосфора-V -> нитрат хрома-Ш + 1 идроксид натрия (недостаток) -> 3 Предложите реакцию получения и составьте структурную формулу । идрофосфат а железа-111 4 Предложите реакцию получения и составьте структурную формулу 1 идроксофосфата алюминия 5 Порошкообразную смесь угля и серы массой 11 г сожити в кис юроде Масса смеси собранных i азообразных веществ СО? и SO? составила 27 г Вычислите состав (масс %) исходной смеси угля и серы Ответ: <ос = 27,27 %, os = 72,73 % 6 Смешали раствор хлорида меди-И, в котором масса соли равна 13,5 г, и раствор гидроксида калия, в котором масса основания равна 8,9 1 Образовался синий осацок пздроксида меди-11 Вычислше массу (т) осадка Ответ 7,35 г 7 Над порошком оксида ма1 иия массой 8 г пропускали углекислый газ объемом 3,36 л Образовался карбонат ма>ния Вычислите массу (г) образовавшейся соли О1вег 12,61 8 Через раствор хлорида кальция пропустили углекислый газ В результате, как показал анализ, образовался гидрокарбонат кальция массой 8,1 I Вычислите обьём (л) израсходованного углекислого газа Ответ 2,24 л 30
9 Состав вещества отражайся содержанием атомов химических элементов в масс % ас. = 39 69 %, = 17,56 %, со0 = 42,75 % Напишите простейшую формулу этого вещества с учетом, что это натриевая соль хромовой кислоты Ответ. Na2Cr2O7- 10 . Вычислите массу (г) воды, израсходованной в реакции с оксидом кальция, в результате которой количество продукта - гидроксида кальция составило 0,1 моль Ответ: 1,8 г 11 В стакан с соляной кислотой, в которой масса хлороводорода равна 80,3 г, высыпали горсть цинковых гранул общей массой 71,5 г Вычислите, как изменится первоначальная масса (г) содержимого стакана. Ответ увеличится на 69,3 г. 12 В воде растворили оксид натрия массой 12,4 г. Получился раствор гидроксида натрия Вычислите объём (л) израсходованного углекислою газа при нейтрализации раствора щелочи (при условии образования г идрокарбонага натрия) Ответ. 8,96 л 13 Исходя из оксида азота-V и чего-то ещё, получили дигидроксонитрат жслеза-Ш массой 30,4 г Вычислите количество (моль) использование) о оксида Ответ 0,1 моль 14 Действием воды на твердый карбид кальция получают известный газ ацетилен, применяемый в сварочных работах. СаС2 2Ы2О -> Са(ОН)2 + + С2Н2Т Вычислите обьем (м3) ацетилена, если масса обработанною водой карбида составила 160 кг Ответ 56 м3 Строение аз омов химических элементов Атом - электронейтралььая наименьшая частица химическою элемента, входящая в состав молекул простых и сложных веществ. В состав атома входят положительно заряженное ядро и отрицательно заряженные электроны (ё ). Ядро включает в себя протоны (р+) и нейтроны (п°) 31
_ — — — — л — Заряд Масса Частица । Купон (К”) Отн единица нг аем Протон р 1,6 10 19 + 1 1,7 10 27 ' 1 Нейтрон п° । 0 0 1,7 10 27 1 V л Электрон е -1,6 10” 9,1 10 31 1 0,000549 । как видно, масса электрона примерно в две тысячи раз меньше массы прогона, i е пренебрежимо мала, поэтому считается что вся масса атома сосредоточена в его ядре Линейные размеры атома составляют единицы аш стрем (I А = 10 10 м) Размеры ядра ничтожны по сравнению с размерами атома примерно так, как футбольный мяч и высотное здание университета на Воробьёвых горах в Москве Электроны не закреплены, а движутся в пространстве около ядра И не абы как а вполне закономерно Особенность электрона как материального объекта в двойственности его природы это одновременно и частица и волна. Дальше принято говорить «прошло мною лет » Давно известно, что движение электрона в атоме описывается уравнениями особой механики, называемой квантовой Квантовая механика утверждает дискретность сосюяний электрона в атоме Состояние электрона в атоме при ею движении определяется четырьмя физическими величинами - энергией, орбитальным моментом, магнитным моментом и собственным вращательным моментом Математическим аппарат позволяет отразить дискретность этих величин числами, называемыми квантовыми главное п, орбитальное ити побочное /, магнитное Ш| и спин ms Постулаты квантовой механики (постулат Де-Бройля, принцип Паули, правило Гунда и др ) определяют ограниченное множество комбинаций квантовых чисел из-за того, что «в атоме все
электроны разные» (принцип Паули) —разные по состоянию Те в атоме не может быть двух электронов с одинаковым набором всех четырех квантовых чисел Отсюда как следствие, «расположение» электронов в атоме характеризуется энергией атомной орбитали, что включает в себя — энергетический уровень (определяемый значением главного квантового числа п), симметрией (формой) пространства, где с наибольшей вероятностью может находиться электрон (что определяется значением побочною квантовою числа 1), ориентацией атомной орбитали в прост ране 1ве по отношению к создаваемому при движении электронов магнитному полю (чю характеризуется значением магнитного квантовою числа Ш)). Соответственно с учётом собственною момента вращения электрона (ms) на одной орбитали может быть не более двух электронов с противоположными значениями спина ( ) Выполнение всех условий и постулатов определяет строение внешнего вален гною слоя, от него зависит реакционная способность конкретной атомной системы в тех или друз их ситуациях При определении вариантов валентных возможностей атома рассматривают электронную конфигурацию агома в основном и возбужденном состояниях. В основном состоянии электронная конфигурация атома соответствует ею положению в периодической системе элементов, когда его энергия минимальна Атом находится в возбужденном состоянии, когда энергия ею отличается от минимальной, а значит, Е > Emin При пом соответственно будет иная электронная конфшурация внешнего валентно! о слоя. Элекфонная конфигурация записывается арабской цифрой главного квантовою числа, сюящеи перед буквенным обозначением орбитального квантового числа (/-О s-оболочка, I - 1 р-оболочка, / -2 d-оболочка, / ~ 3 f-оболочка ) Число электронов на оболочке записывается цифрой в правом верхнем индексе орбитального квашово! о числа Не забудьте: заряд ядра совпадает с 33
номером элемента и определяет число электронов в атоме, номер слоя опредетяет число оболочек этого слоя, максимальное число электронов в слое равно удвоенному квадрату числа номера слоя - 2п2 Графически электронная конфигурация изображается с помощью «квадратиков» - орбиталей Электрон изображается стрелкой Т (m, ~ +1/2) или 4- (ms = - 1/2) Например Водород Н конфигурация 7 = +1,число электронов 1 1s' ьШ I елий Не 7 --1-2, чис ю электронов - 2 конфигурация ls? 1s Щ Литии Li Z - +3, число электронов - 3 конфитурация ls22s‘ грехи 2s Ш Бериллий Be / +4, число электронов - 4 конфитурация Is 2s 2рСШ 2s LU Is Замечание в основном состоянии неспаренных электронов нет При возбуждении (+Е), один ё с 2s-оболочки переходит на оболочку 2р Вс 2рЕШ 1s22s2 > 15;25‘2р' В гаком возбужденном состоянии атом бериллия проявляет вален1ность И Сера S Z = +16, число электронов - 16 конфигурация 1 s22s22p63s23p4 Это конфигурация атома серы в основном состоянии Распределение электронов по орбиталям Зр-оболочки показывает двухвалентность серы два неспаренных электрона
Зр 3s^ При возбуждении электронная конфигурация атома серы меняется в нескольких вариантах из-за «распаривания» s- и р-электронов третьего слоя S—>S* [ТГ| ГШТЙ [П П I П 3s23p53d' валентность IV ш ниш гжгшо 3s13p33d2 валентность VI Вели потребуется записать конфигурацию ионизированного атома серы, например S2-, то S* —— 1 s22s22p63s^3pj_ 1 s22s22p63s jip6 В другом случае S0-----—8Й‘ ls22s22p63s23p4 ls22s22p'1 Хлор CI Z = I J 7, число электронов 17 конфы урация в основном сост оянии 1 s22s22p63s23p5 « гттт п зр [гЖГЛ 7 г—। Валентность! Возбужденные состояния 3s23p43d' 3s Зр 3d Ей [ПШШ ГТТЛТ 1 —► Ей 1ШЕШ (ШШЕТЙ ----Валентность 1(1 зЛрНс!2 ЕЛЕЛШП ГШТТТЛ ЕЙ ШЛИ Ш1ГШ '-----------------Валентное ть V 3s!3p33d! 3s Зр 3d ЕЙ ГПтТП [ПЛЮЙ —* Ш [ХЕШ.] Ш1Г.ШШ L-—---------------Валенгноыь VII 35
Скандий Sc Z - + 21, число электронов - 21 В данном примере обратите внимание на пустяк уровень энергии 4з-оболочки чу гь-чуть ниже уровня энергии Зё-оболочки Именно поэтому в атомах элементов 19 и 20 заполняется 4з-оболочка - для атома калия 4s1, для кальция 4s2. И только после заполнения 4s-оболочки начинает заполняться Зб-оболочка Это десять первых d-элементов Sc, Ti V, Cr, Мп, Fe, Со, Nr, Си, Zn Помимо суждений о возможных валентных состояниях аг ома в зависимости от комбинаций электронных конфигурации, можно еще представить основные тенденции атома к присоединению или потере электронов, тс предположительные окислительно-восстановительные свойства Особенно надо сопоставить инертность «благородных» г азов и их внешний электронный слои из четырех электронных нар заполненный октет Именно к такой устойчивой конфигурации стремятся все агомные системы образуя связи с другими атомами Например, атом калия К (1 s22s22p63s23p64sl) скорее всею будет проявлять тенденцию «сбросить» электрон и перейти в устойчивое состояние szp6 Ионизация атома (К0 - е —> К ) происходит очень лечко Энергия ионизации калия и других щелочных металлов очень мала Почти рядом стоящий хлор Ci (ls22s22p63s23p5) с валентной конфигурацией 3s23p5, очевидно, будет проявлять тенденцию к присоединению ё (С 1° Т ё —> С1 ), в результате чего получается конфигурация s2p6 Теория и опыт подтверждают, чго энергия сродства атомов галогенов наибольшая
Аюмы инертных газов, у которых, напомним, валентная конфи: урация ns2np6, не проявляют никаких тенденций, у них «безо всякою груда» уже устойчивая конфигурация. Любопытно, чго по конфигурации валентного слоя можно идентифицировать элемент Заметим, что во многих изданиях система элементов представлена в виде разноцветной таблицы: красный цвет - s-элементы, застраивающие s- оболочку (max 2ё), оранжево-жёлтый - p-элементы, застраивающие р-оболочку (max 6ё), синий — d-элементы застраивающие предвнешнюю d-оболочку (max 10ё), чёрный (иногда зелёный) — f-элемснты, застраивающие предпредвнешнюю f-оболочку (max 14ё, это № 58-71, № 90-103) Если, к примеру, требуется определить номер и название элемента с формулой валентного слоя атома 6s25d’, то надо обратить внимание на незаполненную d оболочку 5 слоя С другой сюропы, старшая над пятеркой цифра шесть точно указывает, что это элемент шестою периода. Начало шестого периода - цезий 6s'. За ним следует барий 6s2. За барием лантан № 57, огкрывающий ряд d-элементов шестого периода Его формула 6s25d' Сосед лантана справа - гафний № 72. Потому что после лантана следуют четырнадцать f элементов, застраивающих 4Г оболочку Для них формула валентного слоя 6s25d‘4f1 |4. И только потом продолжается заполнение 5d оболочки Итак, формула гафния 6s25d2 Подошла очередь нашего искомою 6s’5d’ элемент № 73 тантал Пройдитесь глазами дальше по этому ряду справа вольфрам - самый тугоплавкий (1„л = 3500°С), осмий - самый тяжёлый (р = 22,6 г/см3), платина и золото - образцы «бла: ородсгва» Эти металлы - меры денежного обращения Ртуть единственный жидкий в обычных условиях металл, т е самый легкоплавкий (Т„л = -39°С) Итак, если придется «вычислять», атом какого элемента имеет формулу 6s25dl4f14 - ясно, что это последний из f-элементов 6 периода - лютеций Другие 6s25d'° последний из d-элементов шестого периода - ртуть № 80, 6s25p3 - третий из р-элементов 6 периода — висмут № 83 И т п 37
Электронная конфигурация 3S
ai омов химических элементов 39
I 40

Np 100 101 102 103 Rn Fr Ra Fm Md No Период Cm Bk 42

После этих объяснений и с помощью таблицы электронных конфигураций кто из нас не справится с заданием по теме «строение атомов»'1 Не справится только пенек в лесу Примеры для самостоятельного решения 1 В чем проявляется двойственноегь свойств электрона как материальной субстанции9 2 Что означают квантовые числа? Имеют ли квантовые числа физический смысл9 3 Выведите электронную формулу щелочных металлов и галогенов 4 По каким законам движутся электроны в атомном пространстве9 5 Составьте электронную и электронно-графическую (по орбиталям) формулы атома ванадия и возбужденного атома алюминия А1* 6 . Определите порядковые номера и названия элементов, если конфигурация валентного электронно! о слоя их атомов соответствует формулам 7s25f5 6s25d\ 5s’4d\ 4s24p4 7 Составьте электронную и эчектронно-графическую (по орбиталям) формулы ионов Cr6+, S 4\ Р ’ , Н+, И , Мп2+, № , Вг5\ Вт , Se2 8 Обсудите с учетом электронной конфигурации возможные валентные состояния атома азо1а 44
Химическая кинетика Любые процессы про 1 екают с гой или иной скоростью. Химические iipoueccbi - не исключение Определимся, что скорость процесса всегда 01 носитетьная величина, часто векторная, иногда скалярная Относительная величина всегда предполагает отношение числителя к знаменателю Скорость - не «путь, пройденный телом » Скорость - отношение пуш ко времени И т п Независимо о. вида процесса скорость его всегда буде) о)ношением изменения параметра процесса и времени этого изменения В любом случае скорость величина, пропорциональная обратному времени, те V оо t 1 |мсск', град мин ', г час”1, человек год ' и т и ]. Главный параметр, за изменением которого наблюдают в химических процессах, - количество вещества Но количество может «сидеть» в напёрстке, а может и в большом ведре Образец может быть в виде дробины, а может быть и размазан по значительной поверхности Поэтому, наблюдая за изменением химической ситуации во времени, изменение количества сопоставляют с объёмом реактора или поверхностью контакта реагирующих веществ Остановимся па общепринятом на молярной концентрации вещества (моль/л). И в рассуждениях зспомним, что существуют гомогенные системы однофазные и тетеротенные - состоящие из 2-х и более фаз Например, окисление кислородом угарною газа ио уравнению 2СО<1Л1) + О2(га„ -> 2СО2(га) явно гомогенная система, гомогенная реакция Напротив, растворение цинка в соляной кислоте 2п(1И) + SHClfp-pj * ZnCl2(RP) +Н2f является безусловно тегеротениой реакцией, гетерогенной системой Договоримся, Ч1о газ и жидкость - подвижные фазы, твердое - неподвижная фаза. Итак, для гомогенной реакции 45
аА -^ЬВ + ______ тМ f nN + исходные продукты вещества реакции (г0), k At [ле] I де АС -= С-> С| - изменение концентрации одного из реагирующих веществ, At = t2 -1, - промежуток времени, за который произошло изменение концентрации, к = a, b, , т, п, - стехиометрический ко эффициен г перед формулой вещества в уравнении реакции Условие неофицагельности скорости химической реакции заставляет ставить знак '(минус», если скорость рассчитывается ио изменению конценфации исходного вещества, коюрое расходуется и для которою С> Сt и АС = С2 - C| '-0 Знак «.плюс» - для продуктов реакции Предлы аемое выражение определяет среднюю скорость реакции Нетрудно догадаться, что при At - > 0 отношение - производная, At dt определяющая значение скорости в данный момент Это мгновенная скорость Однако пока будем иметь в виду именно среднюю скорость Скорость химической реакции зависит от многих факторов, из которых главные - природа реагирующих веществ, их концентрация (или давление для тазов), температура, присутствие в реакторе особых веществ катализаторов V = f (Nature, С, I, Kat; а) V = f (Nature) - скорее всего агрессивный натрий во многих ситуациях будет резвее пассивною золота б) V = f (С) - даже непосвященный сообразит, что это возрастающая функция чем больше молекул в реакторе, тем больше вероятность их столкновения, а значит, превращения в продукты реакции, т е скорость 46
растёт с концентрацией Конкретно зависимость скорости от концентрации реагирующих веществ для з омогенных систем передаётся основным законом химической кинетики - законом действующих масс: скорость реакции пропорциональна произведению концентраций реагирующих вещее 1 в с учётом стехиометрии Для нашей реакции v-kc; те V = kJJC^, где С, - концентрация вещества (для i eiepof енных систем только концентрации подвижных фаз), X - ко эффициент перед форму ной вещее гва в уравнении, к - константа скорости Константа скорости это важнейшая кинетическая постоянная k xf (С), к = f (Т) При СЛ - Св - ... - 1 к V Константа скорости учитывает долю столкновений молекул реагирующих веществ, приводящих к продукту реакции, и соответствует удельной скорости реакции при единичных концентрациях в) V “ f (Т) трудно предположить иное, кроме возрастания скорости с температурой По правилу Вант Гоффа скорость большинства химических реакций при изменении температуры на 10Р изменяется в 2 - 4 раза Правило записывается в виде =- у 10 , где у -- 2 - 4 - коэффициен г Ванг-Гоффа, Vr - скорость при температуре rs Vfj скорость при температуре Т2 Заметим, что более точно зависимость V - f (Т) передаётся уравнением Аррениуса через зависимость константы скорости от температуры k - Ае RT , зде е - основание натуральных логарифмов (зависимости такого гипа называют экспоненциальными), А - некий коэффициент, R универсальная газовая постоянная, 1 - температура (ВК). Ед - энергия активации- 47
- очень важная величина в оценке кинетической ситуации в системе реагирующих частиц Это некое пороговое значение энер1ии Частицы с энер1ией Ь < ЕЛ будут «холодными» Энергия удара при столкновении недостаточна для разрыва прежних связей, чтобы появились новые с другими частицами Это будут соударения «без химии» Реагировать будут только те молекулы, у которых Е > ЕА Это «юрячие», активные молекулы Для увеличения скорости реакции надо повышать температуру - увеличивать долю молекул с Е > ЕА Либо понижать активационный барьер, вести процесс другим путем - с меньшим значением энергии активации Именно в этом роль и функция катализаторов г) V = f (Kat) в присутствии катализаторов реакция идет по «другому пути», при котором Е\«Ек и, следовательно, гораздо большее число молекул в состоянии «перепрыгнуть» через барьер Е\, т е прореагировать Скорости некоторых процессов в присутствии катализаторов возрастают настолько, что без них создается впечатление, будто реакция вообще не идет, хотя расчеты показывают что реакция возможна и должна идти Она идет, но настолько медленно что реальные количества образовавшихся продуктов просто незаметны В этих ситуациях говорят, что реакция кинетически затруднена Выход только один - искать подходящий катализатор. Найти эффективный кагализатор для какой-нибудь трудной реакции, например, при переработке нефт и - очень выгодное дело Переоценить роль катализаторов в современных многотоннажных синтезах невозможно Химическое равновесие Даже небольшой жизненный опыт подсказывает нам, что любой процесс кшда-нибудь заканчивается Особенность химических процессов их цвустороннос ть наряду с прямой реакцией ( -> ) образования продуктов часто идет и обратный процесс ( <- ) их разложения (превращения в ) на 48
исходные вещества Ещё одно подтверждение тому, что коэффициент полезного действия любого процесса ц < 1. Такова реальность В принципе практически все химические процессы обратимы. Особенно в закрытых системах, в которых отсутствует обмен веществом с окружающей средой Понятно, что в открытой системе - печь в доме, работающий двигатель автомобиля, цинковая горошина в стакане с кислотой - процесс заканчивается часто исчерпанием одного из исходных веществ. Когда продукт не выводится из сферы реакции, процесс таканчивается установлением химического равновесия С точки зрения кинетики для реакции аА + ЬВ +... mM + nN + ... <.---------j v.,.p, ----v------э исходные вещества продукты летко представить ситуацию, при которой в некоторый момент времени t = tp,BM нас гупает равенство скоростей прямой и обратной реакций Vnp = Vo6p Простая матемагическвя операция с этим равенством позволяет получить выражение величины, характеризующей глубину превращения исходных веществ в продукты величину константы равновесия. t С- с; П<- —~~ —, ь = * f(C) > — - константа равновесия. к0вр С’ СЯ Кстати - в момент t ~ 1(( концентрации веществ в системе считаются начальными В момент t = tpaul, и после него концентрации веществ уже не изменяются, их называют равновесными Именно эти концентрации подставляются в числитель и знаменатель при расчете константы равновесия. Меняющиеся в течение реакции концентрации встцесгв до момента наступления равновесия текущие концентрации При изменении внешних условий состояние системы изменяется - система переходит из одного состояния (равновесия) в другое, но «неохотно» Нам известно свойство любой системы «сохранять состояние 49
покоя >, называемое инерцией Инерционны и химические системы Отклик системы на внешнее воздействие сформулировал Ле-Шателье если на систему, находящуюся в равновесии, воздействовать извне, то равновесие нарушится, в системе возникнут процессы, направленные против этого воздействия. Отсюда следуец что при изменении внешних условий положение равновесия смещается в сторону процесса ( -> или <— ), уменьшающего это воздействие мы на1реваем - система охлаждает, мы надуваем - система стравливает, мы добавляем что-го - система это съедает, мы отнимаем что-то - система эго восполняет Очередь за упражнениями Упражнения 1. Как изменится скорость взаимодействия газов А и В, реагирующих по уравнению 1/3 А + 2В -» D, если против прежних значений концентрация вещества А уменьшилась в 8 раз, концентрация вещества В увеличилась в 4 раза, а температура опыта понизилась на 30"С (у-2)9 В решении представим исходные данные в виде С4,Св,Т,, а при изменении условий С'А,СВ,Т2 Решение будем искать в виде отношения скоростей при тех значениях параметров, которые сформулированы в условии k * f (С), С'д—Сд, С'В = 4СВ,
V2 к(С'А)'/з (Св)2 (8СлИ (4<?в)2 |Г г V2 1 __.3_ = .Л-ВС- =_8-----------= з ±-42 = g, = ? =’ =2 10 = - V, к(Сд/(Св)2 (САИ-(СВ)2 V8 V2. 8 Следовательно, - скорость взаимодействия газов А и В ме^ймишаа- 2. Изменится ли положение равновесия в реакции синтеза аммиака N2 + ЗН2 <=> 2NH3 (АН < 0), если увеличить давление в реакторе, повысить температуру реакции, понизить концентрацию аммиака? Заметим, что неравенство АН < 0 говорит о том, что реакция экзотермическая- Q > 0 (логично- эшальпия системы уменьшается, часть её «выливается» в окружающую среду в виде теплоты Наоборот, если бы было АН > 0, то Q 0 - реакция была бы эндотермической энергия системы увеличивается за счет поглощения тепла извне) Pf: положение равновесия сместится вправо - в сторону меньшего числа частиц в газовой фазе. Т | положение равновесия сместит ся влево, т.к. реакция N2 +ЗН2 —> 2NH; + Q экзотермическая, а обратная ей реакция разложения 2NH3 -> N2 +ЗН2 Q будсг эндотермической Именно усилением процесса разложения ( <- ) наша система скомпенсирует внешнее воздействие - нагревание. См | реакция системы на убыль аммиака совершенно очевидна - новые порции азота и водорода соединятся в молекулы Nllt, чтобы восстановить прежнее число молекул продукта синтеза в реакторе Положение равновесия сместится вправо 3. Изменится лн положение равновесия при повышении давления в предлагаемых равновесных системах? а) 2СО;,,,) + О2 (ГЯз) о 2СО2 (1аз) б) Fe2Oi (ТО; + СО(,а1) о 2FeO(TBj + СО2 (|М) в) 2С(ТВ) + О2(,„) <я> 2СО(ГЯ1)
Повышение давления смещает положение равновесия в сторону меньшего числа частиц в газовой фазе Конкретно а) «вправо», так как в правой чаои уравнения число частиц в газовой фазе меньше б) не сместится, так как число частиц в газовой фазе в левой и правой частях уравнения одно и то же (Ре2Оз и FeO - твердые вещества) в) «влево», так как углерод - твердое вещество и меньшее число частиц в газовой фазе оказывается в левой части уравнения 4. Выразите через концентрации скорости прямой и обратной реакции и константу равновесия для системы Н2(„„ + 12 (г„, « 2Н1(га>) ЛН>0. Как изменится положение равновесия, если а) понизить темпе- ра ivpy, б) понизить давление, в) увеличить концентрацию HI? В соответствии с законом действующих масс Vllp = klipCH; , V„Sp=kwpC2Hl В момент наступления равновесия Vnp = Vo6p , а) TJ , так как ДН "> О, Q < 0 - эндотермическая реакция Понижение температуры смещает положение равновесия в сторону экзотермической реакции - это как раз реакция разложения 21II -> Н2 + Ь + Q б) 1*| положение равновесия не сместится, так как в реакции не происходит изменения числа частиц в тазовой фазе в; f’ai t так KdK в соответствии с принципом Ле-Шателье увели тснис концентрации продукта реакции смещает положение равновесие в сторону образования исходных веществ только усилением интенсивности разложения HI на водород и йод система может уменьшить внешнее воздействие 52
5. Выразите через концентрации скорости прямой и обратной реакций и константу равновесия для системы Na2CO3(TB) + Н2О(ГВЗ) + СО2(га1) <> 2NaHCO3(n>, АН < 0. Условие АН < 0 означает Q -> 0 - экзотермическая реакция И еще одно обстоятельство - в выражение закона действующих масс, определяющего зависимость скорости от конщ нтрации, подставляются концентрации только подвижных фаз (1аз, жидкость), для твёрдой фазы понятие концентрации не имеет физического смысла Yip ~ ^рСц о • С, q , В момент наступления равновесия Vnp = V^p , k14>C„ о • С( 0> =- k(rfip, k,„ 1 knOf. Как изменится положение равновесия в предложенной системе, если а) повысить температуру, б) понизить давление, в) повысить концентрацию Г О2? a) Tf <- в сторону разложения гидрокарбоната натрия, т.е в сторону эндотермической реакции, б)Р| <- в сторону большего числа частиц в Iазовой фазе, в) С(о f > , так как увеличение концентрации исходною вещества смещает положение равновесия в сторону продукта 6. Вырашге через концентрации скорости прямой и обратной реакций и коне гати у равновесия для сиоемы Fe3O4(1B) + 4Н2(1<к) о 3Fe(TB) + 4H3O(laj) ЛИ -0 Как итменится положение равновесия в предложенной системе при а) повышении температуры, б) понижении давления, в) повышении копнен грации Н2? Чр= kn1)rH,>Voc„ ’ киврСн,о в момент наступления равновесия Vp = Vo6|) , 53
значит, к„рС{1: = к^С^, » К - Коб|> 4ц а) Т| ,ак как именно реакция восстановления оксида железа до свободного железа является эндотермической (ДН > О, Q < 0), б) В этом случае положение равновесия не изменится, так как в реакции число частиц в газовой фазе не изменяется, в) Сп f , так как увеличение концентрации исходного вещества смещает положение равновесия в сторону образования продукта 7. Выразите через концентрации скорости прямой и обратной реакций и константу равновесия для системы 2H2S(ra3| + SO2(ral) «• 38(ж„дк) + 2Н2О(„„ ДН > 0. Как изменится положение равновесия предложенной системы, если а) лонизизь температуру, б) понизить давление, в) увеличить концентрацию SO2? Обратим внимание, что система зетерогениая, но все фазы подвижные Прямая реакция образования серы эндотермическая (ЛИ > 0, Q < 0) Наоборот, обратная реакция взаимодействия серы с водяным паром будет экзотермической Y.P = k,lpC’ii,s ’ CSO! ’ ЧбР = ’Си,о’ В момент наступления равновесия а) Т| так как охлаждение усиливает экзотермический процесс б) Р| гак как понижение давления смещает положение равновесия в сторону большего числа частиц в тазовой фазе в) Cs0 | , так как при увеличении концентрации исходных веществ положение равновесия смещается в сторону образования продуктов
8. При некоторой температуре реакции A>K заканчивается через 135 с. За какое время закончится реакция, если повысить температуру в реакторе иа 20°С (у = 3)? Вспомним, что скорость любого процесса - величина, пропорциональная обратному времени с± По правилу В ант-Гофф а ~ - у 10 . VT т Ъ.-Ь Если V2 = V, ,V, = V, , ю ~- = у 10 = —.отсюда т2=т,:у 10 = = 135:3'° ==135:9= 15 с 9. Во сколько раз следует изменить концентрацию вещества А в юмогенной системе А + ЗВ -► D, чтобы при увеличении концентрации вещества В в три раза скорость реакции ие изменилась? v = kc. cJB, V' = kc; -(зс„)3, с'д = qc., = MqCjpCg)- = t 27 = г Л “ ' в А 4 л V кСл -С’ 27 чтобы выполнить условие задачи, необходимо уменьшить концентрацию вещества А в 27jpg3. 10. Вычислите константу равновесия в гомогенной системе N2O4 <> 2NO2 , если начальная концентрация N2O4 составляет 1 моль/л, а к моменту наступления равновесия количество прореагировавшего N2O4 составило 20% от исходного. В формулу константы равновесия для зтой системы необходимо ., {'*01 подставил, равновесные концентрации компонентов. К =---. {'«Л В такою рода ситуациях рекомендуем составить небольшую табличку концентрации исходных веществ и продуктов реакции, соответствующих начальному моменту (исходные), моменту равновесия (равновесные) и
изменения (Д) концентраций всех компонентов между началом реакции и ее окончанием В эту табличку занесем известные из условия задания величины. 11. При некоторой температуре две реакции протекают с одинаковой скоростью. Температурный коэффициент скорости (коэффициент Вант-Гоффа) для первой реакции yi = 4, для второй - у2 = 2. Как будут отличаться величины скоростей обеих реакций, если понизить температуру обоих процессов на 30°С? Решение несложное и похоже на «поднять монету с пола>/ Запишем правило Вант-Гоффа и затем вычислим отношение Ответ при понижении 1емпературы скорость второй реакции окажется в 8 раз больше, чем первой 12. В реактор объёмом 2 л помеоили водород и азот в количестве 3 моль каждою. При некоторой юмпературе к моменту равновесия концентрация аммиака в реакторе стала равной 0,4 моль/л. Вычислите константу равновесия данной системы. В реакторе происходит синтез аммиака N2 + ЗН2 о 2NH3. Примем во внимание, что нам даны исходные количества и объем реактора Простым делением определяем исходные концентрации реаюнтов
и заносим их в табличку конценфаций Величины Л и значения равновесных концентраций вычислим, воспользовавшись уравнением реакции 0,4г 1,3-0,93 0,16___ 1,34),”729 0,16 0,95 41.17. 13. Газы Л и В реагируют при пенхлором темперагуре с образованием газа D по уравнению А + ЗВ » 2D. Константа скорости реакции равна 0,6. Исходные концентрации (моль/л): СА = 0,9 и Св ~ 1,5. Вычислите начальную скорость реакции и скорость этой реакци через некоторое время, koi да концентрация газа D станет равной 0,6 моль/л. В начальным момен! V-kC. С’-0,6-0,9 1,5’ =1,82 моль/л-с. Для ответа па второй вопрос составим табличку, в коюрую запишем известное и вычисленное <. учётом уравнения этой реакции некоторой температуре константа равновесия равна 2. Начальная концентрация СО 0,5 моть/л, СО2 - 0,7 моль/л. Вычислите равновес- ные концентрации зазов. Составим табличку, в которой изменение конценфации СО во время реакции обозначим буквой ,<х» I лядя на уравнение реакции, можно сказать, 57
что на столько же увеличилась концентрация СО2 Следовательно, к моменту равновесия концентрация угарного 1 аза СО окаже!ся равной (0,5 - х) моль/т, а концентрация углекислого газа COZ станет равной (0,7 + х) моль/л | концентрации СО СО? | Г исходные 0,5 0,7 1 Д х х । равновесные 0,5-х 0,74 х { х (о 0,0 - X 0,7 + х = 2-0,5 - 2х Зх = 0,3 х = 0,1 Oiaei равновесные концентрации Cto = 0,4 молъ/л, С(О - 0,8 моль/л 15. Температурный коэффнциен! скорости некоей реакции равен 2. При 50°С реакция заканчиваема за 2 мин. За какое время (с) закончится эта реакция, если проводить ее при 80°С, в другом случае - при 30°С‘> Проще некуда V, 1/г т а) -— = 2 10 =--?= J-; т, = г. :23 = 120:8= 15 с \ 1/т, т2 2 ' б) Xk = 2Tr=T-L; т2=т, : 2~2-= 120:-~- = 48.0 с 16. Оцените, во сколько раз изменится начальная скорость гомо! енпой реакции 2N’O + О2 <=> 2NO2 , если а) уменьшить началь- ную концентрацию NO в 2 раза, б) повысить давление в реакторе в 2 раза, в) увеличить объём реактора в 3 раза. Сравнение лучше всею выполнить в виде отношения величин скоростей реакции в грех вариантах изменения условий эксперимента V ^ЦС^о) ’(Со,) j а) ”- = —т—г --------- т - УЖИЫЦится вДВЙЗа- v, kC\o СО; 4 б) если вспомнить закон Аво1адро и вообще газовые законы, то можно догадаться, чго изменение давления газа равносильно изменению его концентрации 58
v2 k(2CN„r (2CO1) V е" ьг2 г— 2 2 = 8 ХРелинится g Адад ’1 "'-NO '*-"0, в) при Г - const pV = const, следовательно, увеличение объема в 3 раза означает уменьшение давления и, соответственно, начальных концентраций в 3 раза 17. При некоторой температуре гомогенная реакция окисления азота кислородом заканчивается за 20 секунд установлением равно- весия 2N2 + О2 <=> 2N2O при концентрациях: Сл =0,72 моль/л, С\ о = 0,84 моль/л. Конс1анта равновесия равна 1,21. а) Определите равновесную и исходную концентрации кислорода в системе; б) Что изменится (или ничего), если при тех же условиях ввести катализатор в реактор? в) Как скажется увеличение давления в реакторе при неизменной 1емпературе? г) За какое время закончится реакция, если температуру в системе понизить на 20°С (у - 3)? д) Почему скорость реакции зависит от температуры? е) Сформулируйте поня1ие энергии активации. а) Сос>авим табличку конченграций Данные - «пишем, недостающее - сообразим и вычислим, гак как величина константы равновесия известна 59
б) Катализатор ускоряет прямую и обратную реакции, сокращая время наступления равновесия Если ввести катализатор в реактор, то равновесие наступит, го есть реакция закончится гораздо быстрее, чем за 20 секунд в) Так как данная реакция окисления азота идет с уменьшением числа (п) частиц в газовой фазе. (2 + 1) п > 2 п, ' Y ‘ коэф-ты перед формулами газов в уравнении реакции то повышение давления в реакторе увеличит выход продукта, сдвинет положение равновесия вправо ( -> ) г) т?=г .1 т -у" =20:3 10 =20:- = lJ£c. V, 1/т, т2 ' I VTI 9 д) и е) - скорость реакции зависит от температуры потому, что при повышении температуры мы увстичиваем долю активных молекул, энергии которых достаточно для преодоления определенного энергетичсског о порога, порога активации Энергия активации - дополнительная энергия, которую надо сообщить молекуле, чтобы она прореагировала - была в состоянии «перепрыгнуть» через порог высотой h - ЕА. Здесь надо представлять, что в любой реакционной смеси есть «горячие» молекулы, энергии которых вполне достаточно для «прыжка», и они энергично соударяются и превращаются в молекулы продуктов Но есть и «холодные», которые нуждаются в «подогреве» - активации, чтобы реакция прошла Естественно, что мы судим об энергии системы, о температуре процесса по среднему значению между «горячо» и «холодно» 18. В двухлитровой колбе смешали газы А и В в количестве по 8 моль каждый. Нагрели смесь до требуемой температуры, ввели катализатор и запустили реакцию, которая закончилась через 50 секунд образованием газа D в соогветствии с уравнением А + 2В <=> 3D. Приборы - анализаторы показали, что к моменту равновесия 60
концентрация вещества В составила 2 моль/л. Вычислите константу равновесия и количество (моль) продукта D в равновесной смеси. Какова будет средняя скорость реакции, если температуру в системе повысить на 30°С (у ~ 2)? К чему приведёт «забывчивость» лаборанта, который при повторении опыта не ввёл катализатор в систему? Обратим внимание, что в условии задачи нам дан объем реактора и количества реатетпов Учтём это обстоятельство ври заполнении данных в габпичке концентраций концентрации К- 2,25 исходные равновесные КЗ-4) моль/л - л-----------_ о 02 моль/л с 1 СП .. 1 (3 0) моль/л - - - -------- 0,02 моль 'л с 3 50 с zI >3e 0,02 2' Если забыть внес,и катализатор в систему, ю продукт иной раз нс получим и спустя неделю, а не то чго через 50 секунд 19. При некоторой температуре в сосуде находи тся смесь трёх тазов с исходными концентрациями, равными: СА = 2,6 моль/л, Св - 4,2 моль/л, Со = 0,4 моль/л. Через 10 секуяд после запуска реакции в системе установилось равновесие ЗА 1 В о 2D, причём концентрации таза А в условиях эксперимента изменилась на 0,6 моль/л. Вычислите константу равновесии и среднюю скорость реакции. За какое время закончится реакция, если температуру в реакторе понизить на 30°С (у = 2)? 61
К чему приведёт увеличение концентрации веществ А и В в исходной смеси при неизменной <емпературе? Изменится ли прн этом величина коне।анты равновесия? Задача простая - даже неинтересно Однако запишем, как всегда, известное а табличку, а недостающее - вычислим независимо ог того, по изменению концентрации какого вещества рассчитывали, получили одни и ге же значения И правильно Увеличение исходных концентраций А и В приведет к большей концентрации продукта D в равновесной смеси Но константа равновесия не изменится К Ф t (С) Надо понимать, что чем больше продукта D в равновесной смеси, тем больше остаток исходных веществ в этой смеси Больше числитель, но и знаменатель больше Отношение остается прежним 20. При некоторой температуре гомогенная реакция между веществами А и В с одинаковыми исходными концентрациями, равными 4 моль/л, закончилась через 20 секунд образованием продукта 62
D в соответствии с уравнением 2А + -Во 2D. Измерения показали, что каждые 5 секунд концентрация вещества А убывала наполовину. Вычислите константу равновесия. Какова будет средняя скорость реакции, если повысить температуру эксперимента на 40°С (у 2)? Всё как всегда Вычисляем равновесные концентрации, пользуясь уравнением реакции и простыми логическими соображениями концентрации А 'в D" Через 5с после начала синтеза исходные 4 4 0 СА = 2 Ъщё через 5с СА 1, . - — — еще через 5с СЛ 0/ и наконец Л ] 5/4 15/24 15/4 ещё через 5с к момент у равновесия Сл = 0,25 = * моль/л равновесные 1'4 4-15/24= =81/24 15/4 Ут.40 .. w v _ _ 1 4 4 J15 моль V,. У ’ 2 20 160 л с ’ V 15 ,t4“ 160 160 - л с
Задачи для самостоятельного решения 1 Концентрации веществ в реакции 2NO + О2 <=> 2NO2 к моменту наступления равновесия составили CNO =0,56 моль/л, Со =0,28 моль/л, С^о =0,44 мопь/л Вычислите константу равновесия и исходные концентрации оксида азота-П и кислорода Ответ К - 2,2, С\о = 1 моть'л, Со =0,5 моль/л 2 Напишите, как надо изменить параметры (Т? или Tl, Р? или Р1 и г д ), определяющие положение равновесия в системах а) СО2(1аз) + С(тв) о 2СО(1а, АН < 0 б) Fe2O3 f3B) + SH2 (lal) о 2Fe(TB) + 3H2O(ral> AH < 0 в) H2(rB3) + S(lklUK) « HjS(, аз) AH > 0, чюбы максимально увеличить выход продукта реакции 1 Отметьте знаком (*) в какой из указанных систем уменьшение объема реактора приведёт к смещению положения равновесия в том же направлении, что и понижение температуры a) N2(,„) + O2(I„) 2NO(M3> АН > О б) 2СО(газ) + О2(газ) 2СО2(газ1 АН < 0 в) С(ЗВ) + Н2О(ГЯЗ) <=> CO(rat) + Н2(ги> АН > О 4 Оцените, как изменится начальная скорость! омогенной реакции СО + С12 СОС12, если а) уменьшить давление, и системе в 2 раза; б) уменьшить объём реактора в 2 раза, в) уменьшить концентрацию СО в 2 раза 5 Вычислите, во сколько раз необходимо увеличить концентрации) вещества А2 в гомогенной системе 2А2 + В2 -» 2А2В, чтобы при уменьшении конценфации вещества В2 в 2 раза начальная скорость реакции не изменилась Ответ 1,4)4 6 Две реакции в реакторах равного объема развивались с такой скоростью, что за одинаковый промежуток времени в первом реакторе 64
образовался газ сероводород массой 5 г, во втором - газ йодоводород массой 10 1 Какая из этих двух реакции протекала с большей средней скоростью и во сколько раз9 Отвс i: Vu s = 2 VHI 9 При повышении температуры на 10° С скорость некоторой реакции увеличилась л два раза. При 20° С средняя скорость этой реакции равна 0,04 моль/л с Сообразите, какова будет средняя скорость этой реакции при а) 10° С б) 4О0” С Ответ 0,02 моль/л-с, 0,16 моль/л с 8 Обратимая гомогенная реакция описывается уравнением А ШоС t D. В реакторе смешали вещества А, В, С, D ь количестве 1 моль каждого После установления равновесия количество вещества С в реакторе составило 1,5 моль Рассчитайте константу равновесия. Ответ К =-9 9 При некоторой температуре равновесие в реакции синтеза аммиака N2 + ЗП2 <"> 2NH3 установилось при концентрациях Г -0,01 моль/л, Сн -=2,00 моль/л, См, =-0,40 моль/л Вычислите константу равновесия и исходные концентрации азота и водорода Ответ К 2, С. (ии) =0,21 моль/л, Си о = 2 60 моль/л 10 При некоторой температуре константа равновесия реакции СО + Н2О О со2 + н2 равна 1 Рассчитайте равновесные концентрации веществ в реакторе, если исходные концентрации в одном из экспериментов при той же температуре составляли. Сс0 =0,10 моль/л, С,, 0 =0 32 моль/л Ответ Ссо(р) =0,02 моль/л, С1|О(р) =0,32 моль/л, С(.ОДр) =0,08 моль/л, Сн ( -0,08 моль/л. 11 При некоторой температуре константа равновесия реакции FeO + СО о Fe + СО2 равна 0,5 Рассчитайте равновесные концентрации СО и СО?, если начальные концентрации этих встцестз составляли Ссо =0,10 моль/л, С,.О1 =0,01 моль/л. Ответ С(()(р) =0,04 моль/л, CtO (p) =0,02 моль/л 6 т
12 К моменту наступления равновесия концентрации азота, водорода и аммиака в реакции синтеза аммиака N2 + ЗН2 о 2Г\Н3 оказались равными С\ =3 моль/л, Сн = 9 моль/л, CSH =4 моль/л Каковы были исходные концентрации азога и водорода в этом эксперименте9 Ответ C\s (исх) =5 моль/л, Сн х) = 15 моль/л 13 При некоторой температуре раз южение водяного пара на водород и кислород в соответствии с уравнением 2Н3О <=> 2Н2 + О2 достигает 10% от исходного количества Вычистите константу равновесия этой обратимой реакции, если исходная концентрация водяного пара была 1 моль/л Ответ К-6210" 14 При некоторой температуре равновесие в гомогенной системе Н2 + 12 <=> 2HI устанавливается при следующих концентрациях. Сп =0,32 моль'л, С, =0,32 моль/л, Сн| =0,40 моль/л Вычислите константу равновесия и исходные концентрации водорода и йода в реакторе Ответ К= 1,56, С,1?11ск) = С1(1,1Х) =0,52 моль/л 15 При некоторой температуре реактор затру шли водородом и бромом в количествах 5 моль и 1 моль соответственно и запустили реакцию Н2(гя1) + Br2(iaj) о 2НВг(гач) Вычислите состав (объёмы %) равновесной смеси с учётом, что константа равновесия К = 1,5 Ответ 112 - 71,7 об %, Вг2 - 5 об %, НВт - 23,3 об % 16 Рассчитайте величину константы равновесия iомогеннойреакции 2Г\О2 <s> N2O4 , если начальная концентрация NO2 в реакторе была 0,12 моль/л, а к моменту наступления равновесия расход NO2 составил треть от исходного количества Ответ. К = 3,125 17 При некоторой температуре с катализатором в процессе синтеза аммиака N2 + ЗН2 <=> 2NH3 за 4 5 мин установилось равновесие при концентрациях С„ =1,0 моль/л, С\н =0,2 моль/л Константа равновесия равна 0,1 Вычислите исходную и равновесную концентрации азота (аммиака в исходной смеси не было) Рассчитайте, за какое время закончится реакция 66
азо га с водородом, если температуру в системе повысит. на 20° С (у Изменится ли выход аммиака и величина константы равновесия, если при прежней температуре повысить давление в реакционном сссуде° Какие последствия будет иметь вывод катализатора из реактора? Ответ СЛ2(нсх) *-0,5 моль/л, CNj(p>BB) =0,4 моль/л, т ~ 30 с 1 8 13 двухлитровом реакторе при высокой температуре провели синтез йодистого водорода Исходные количества веществ" Н? - 0,1 моль, К 0,05 моль Равновесие в системе Н2 + 12 <* 2III установилось за 10 ., а масса йода в равновесной смеси оказалась равной 7,62 I. В условиях опыта система юмогенна Вычислите константу равновесия и среднюю скорость реакции За какое время закончится реакция, если понизить температур} в системе на 20° С (у “ 2)9 Увеличится ли выход продукта, изменится ли величина константы равновесия, если при прежней температуре повысить давление в системе9 Ответ К ~ 0,333, V = 10 3 моль/л с, г ~ 40 с 19 .При некоторой температуре исходные концентрации (моль/л; газов Л, В и С в реакторе равны: А - 4,0; В - 8,0; С - 4,5 Реакция закончилась через 15 с образованием газа D в соответствии с уравнением А + 2В + С о D, причём, как показали измерения, концентрация вещества А каждые 5 секунд убывала наполовину. Рассчитайте константу равновесия Как быстро установится равновесие в системе, если понизить температуру в реакторе на 30° С (у - 2)9 Изменится ли кон<такта равновесия ес ли в систему ввести катализатор9 Какова роль катализатора9 Ответ К = 7,т-120 с 20 Исходные концентрации (моль/л) метана и утлекислото таза в реакгоре составили соответственно 10 и 12 При высокой температуре реакция между ними закончилась за 10 с установлением равновесия СН4 + СО2 « 2СО + 2П2 - Q (реакция эндотермическая) Концентрация метана в равновесной смеси оказалась равной 8 моль/л Вычислите константу равновесия и среднюю скорость реакции За какое время
установится равновесие в системе, если понизить температуру в реакторе на 30° С (у - З)9 При этом изменится положение равновесия - как именно9 Что необходимо предпринять для увеличения выхода водорода и оксида yi лерода-П9 Ответ К ~ 3,2, V -- 0,2 моль/л с, т - 270 с Растворы Речь идё'г о термодинамически устойчивых гомогенных системах переменною состава, т с однородных системах, в которых среди молекул растворителя равномерно распределены молекулы растворённого вещества и молекулы или ионы их возможного взаимодействия Эго истинные (молекулярные) растворы Надо сказать, что бывают и не истинные, лсевдорастворы - коллоидные растворы (или золи) Растворы бывают твёрдые (сгаль, чугун), жидкие (морская вода), газовые (воздух) Свойство вещества растворяться в чем-то называется растворимостью Растворимость зависит от природы растворителя и растворяющегося вещества, от температуры и давления. Растворы с предетьным при данных условиях содержанием вещества называют насыщенными Другие растворы этого вещества с меньшим его содержанием будут соответственно ненасыщенными Однако ненасыщенный раствор можег быть весьма крепким, концентрированным, если вещество хорошо растворяется И наоборот вещество плохо растворяется маковое зернышко его растворилось в ведре воды. И все - больше ни ползернышка Раствор явно насыщенный, но весьма разбавленный Во многих случаях вещество реагирует будучи в растворенном состоянии Чтобы рассчитать количество, массу или объем вещества в растворе, необходимо знать крепость раствора Традиционно под этим 68
подразумевают концентрацию раствора (что не совсем правильно) Существует немало способов для выражения концентрации Вот некоторые из них 1 . через плотность раствора - это отношение массы раствора к объему раствора - ш , , р = —- [кг/м или г/мл, кг/л, т/м] Специально калиброванные приборы (ареометры), типа поплавка, при погружении в раствор немедленно информируют о крепости раствора Это удобно, например, при проверке плотности электролита автомобильного аккумулятора (H2SO4 + Н2О) Знание плотности раствора необходимо во многих расчетах с растворами 2 через отношение числа молекул (N) компонента к объему раствора - это концентрация молекул компонента (или ею ионов, или иных частиц компонента) - N . з ь в = —- [м , л , мл ], через отношение массы компонента к объёму раствора - это массовая концентрация - Похоже на плотность, но это не плотность раствора, это массовая концентрация компонента в растворе, через отношение количества (моль) вещества компонента к общему раствора - это молярная концентрация компонента - С = — [моль/м3 или моль/л] 69
Подчеркнем, что предыдущие отношения определяю! концентрацию компонента неправильно говорить о концентрации раствора кислоты. Правильно юворить о концентрации кислоты в растворе. Все перечисленные отношения применимы и для однокомпонентных систем, ге к индивидуальным вещее 1вам В таких случаях понятно, что массовая концентрация совпадает с плотностью вещества Или совсем не бессмысленно юворить о концентрации (моль/л) «воды в воде» это важная величина, необходимая для расчетов процессов, протекающих в водной среде 3 в долях - сношение массы компонента к массе раствора —массовая доля (Щ- масса ^Щесгва(х10()%) масса раствора отношение объема вещества к объему раствора - объемная доля объём вещества „„„,, = --------------(х!(Ю%), объём раствора - отношение количества вещества к сумме количеств веществ в растворе молярная (мольная) доля количество вещества , X- ------------------------------- (х10()%). сумма количеств веществ в растворе Как и в случаях, описанных в пункте 2, выражение содержания компонента в системе в массовых, объемных или молярных доиях применимо н для индивидуальною соединения именно таким образом вычисляют массовую долю элемента в сложном соединении. Не на мною сложнее вычислив молярную долю элемента в сложном веществе Доля величина безразмерная Разумеется, количественные характеристики содержания вещества в растворе можно выражать и друюми способами и дру I ими физическими величинами Но нам и это1 о довольно
Упражнения 1. В образце исследуемого раствора объёмом 5 мл масса соли равна 1,8 г, а массовая доля соли в растворе - 30%. Вычислите плотность (i/мл) исследуемого раствора. Р = ^- ш = ^х100%, m ра =^,р = —^«- = -44*—= 1Дг/мл. Vp-p. тр-ра ы “ ' Vp-pa 0,3 5 МЛ 2. В стакане с водой объёмом 250 мл растворили сульфат магния массой 30 г. Вычислите массовую долю соли в растворе, плотность раствора (i/мл), молярную концентрацию соли. Т«т(х100%), р но-=1г/мл, р„_ра ---PJi, mp р1-шНг0+тс0|„ mp р» ’р-р» с = vм^"'’ MmsS0< = 120г/моль’ ______30 г______ 120 г/моль 0,25 л = 1.0 моль/л. 3. Вычислите количество (моль) гидроксида калия в растворе обьёмом 6 л, в котором массовая доля основания равна 11,2%. Плотость раствора 1,15 i/мл. , -КЫ1 .., Гр р, v , р Р> г-р pj 'р р> (1) = —УМ, ШкоН — (0 тр ра,- П1КОН = ю Pp-pa‘Vp ра, трр» m'Pp-p-Vp р. _ 0,112 1.15 г/мл-6000 мл =13^м0 МК011 56 г/моль
4. Вычислию количество (моль) кристаллогидрата MgCi2 6112О, коюрый смешали с ведой (100 моль) и получили раствор MgCl2 с массовой долей соли, равной 16,9%. В данном случае необходимо понимать, что растворяем кристалле!идраг, а массовая доля рассчитана на безводную соль. Учтём, что V4ECI, “ VMp<T1 6Н.О гамеС!, 6Н,0 ~ V fll,O’ ~ V M,I(.n 6I( 0 =24 r2-35,5~f6 18=203 i/моль, M4R(1 “-95 г/моль, M|10=T8 i/моль ‘"n.o “ vh,o Mn,0= 100 моль-18 i/моль = 180(11. 0,169 1890 + 0,169 v 203 = v 95. 304,2 + 34,3v = 95v, 60,7v = 304,2 у_=5^моль. 5. Вычислите массовую долю гидроксида натрия в растворе (плотность р - 1,2) с извеспюй молярной копнен грацией основания, равной 5 моль/л. Возьмем банку с раствором, к примеру, объемом 1 л Tot да, если 1'=- io v CV : 5 моль/л Зл ~ 15 моль MNaOH ' 40 I/моль m - vM 15 моль 40 г/моль = 600г - гакова масса NaOH в растворе Масса раствора при и шее гной длогносш. трастмр. Р v = 1,2 i/мл 3000 мл - 3600 г т^он . 100% = 600 г 100% = 16// % шр ра 3600 « 6. Вычислите молярную коиценграцию серной кислоты в растворе, получившемся при смешении крепкою раствора кислоты (V = 44 мл, ю- 49%, р ~ 1,137) с водой. Объем разбавленного рас тора 2,5 л. П
Определим количество серной кислоты воспользовавшись параметрами крепкого раствора траствора = р V = 1,137 г/мл 44 мл = 50 г Следовательно, mK = сошр ра = 0,40 50 = 24,5 г При Мн ь0> = 98 г/моль получаем ——=0,25 моль 98 г/моль М С учетом, что С = —Ый± (моль/л), 0,25 моль получаем С =-----------= 0J моль/л 2,5 л 7. Вычислите объём (л) раствора сульфата хрома-Ш, в котором масса соли равна 58,8 г, а молярная концентрация соли в растворе 0,3 моль/л. ML . =392 г/моль, количество соли v, г —= 0,15 моль СГ;,М1-Л <.г,<ьоаЬ 392 г/моль V v 0,15 моль I ак как С = - , то V = - =------ 0,5 л V С 0,3 моль/л 8. Вычислите массовую долю гидроксида калия в растворе, если молярная концентрация основания составляет 2 моль/л (плотность раствора р - 1,12). ш, m Возьмем образец раствора объемом 1 л 1 000 мл Вспомним определение молярной концентрации С = Количество вещества v = - — V М Тогда ткон - Укон Мкон> Укон - С V р.)1а (О = М- 100о/о = 2 моль/л 1л-56 г<Моль.10()о/о^10% ря 1,12 i/мл 1000 мл 9. Вычислите объём (л) раствора соли с молярной концентрацией 3 моль/л, необходимого для приютовления разбавленного раствора этой соли объёмом 5 л и коицен грацией соли 0,3 моль/л. 73
Сообразим Ч1О w разбавленном растворе количество соли должно составля1ь 5 л 0,3 моль/л - 1,5 моль v 5,5 моль С 3 моль/л 10. Вычислите молярную кондеи»рацию серпом кислоты в растворе (плотность р 1.336), сети массовая доля кислотыв в ном растворе составляе» 44%. Возьмем образец раствора массой 100 г В этом образце масса кислоты 44 », чю соответствует v = = •• 4-- = 0,45 моль Объем образца М, 98«/моль ,, <00 г „ „ 0,45 моль V - ....... - /4,8бмл Отсюда С ~-------------6 моль/л ' 1,336»/мл 74,85-10’3л 11. Вычислите массу (г) раствора серной кисло и.» (массовая доля кислоты 80%), коюрыи необходимо смешан, с другим рас»вором серной кислоты массой 0,7 к» (массовая доля кисло»ы 10%) для получения рас»вора с ма»совой долей кисло/ы 30%. Сконструируем резулыа» (масса кислоты в р-рс 80%) + (масса кислоты в р-ре 10%) 30%= ------- ------------------------- - -------- -100%, (масса р ра 80%) » (масса р-ра 10%) ,п«« ±’8.! 700_:.0’1 о,3, O,8mso -+ 70 - 03ms() + 210; 0,5 mw = 140; »n81i - 280 » inM + 700 12. Вычислите объём (мл) рас» вора, в ко юром растворили сульфа» меди—II массой 16 », а молярная концентрация солн равна 0,5 моль/л. М,,„, -160 г/моль, v = ---— =-0,1 моль, С--, nrto‘ 160 г/моль V V 0,1 моль „ _ V - ...- - ---- = 0,2 л = 200 мл С 0,5 моль/л
13. К раствору тидроксида кальция объёмом 200 мл и молярной концентрацией основания 0,4 моль/л прилили соляную кислоту до полной нейтрализации. Объём израсходованной кислоты 800 мл. Вычислите массовую долю хлорида кальция в получившемся растворе (р = 1) и молярную концентрацию солн. Уравнение реакции Са(ОН)2 + 2HCI • СаС12 + 2Н2О. Количество Са(ОН)э в исходном растворе V = С -V - 0,4 мо'1ь/л 0,2 л = 0,08 моть Судя по уравнению реакции, столько же при полной нейтрализации должно образоваться хлорида кальция, т.е. 0,08 моль Объём раствора после окончания реакции 200 мл + 800 мл = 1 000 мл = 1 л Следовательно, С 0,08 моль ---------0JJ8 моль/л М<лГи = 111з/моль п»СяС1 =0,08 моль 111 г/моль = 8,88 г 0,888 % 14. Через раствор гидроксида кальция объёмом Зле массовой долей основания 0,074% (плотность раствора р = 1) пропускали газ хлористый водород до полной нейтрализации раствора. Вычислите объём (л) израсходованною газа и молярную концентрацию получившейся в растворе соли. Уравнение реакции Са(ОН)2 + 2НС1 СаС12 <- 2Н2О. Из условия задачи легко определить, что т< «(он,, = ш п,р р. = 0,00074 3000 мл • 1 i /мл - 2,22 г , асучетом М.,пи, =74г/моль V = ™ -— = 0,03 моль ,<0 ’ М 74 г/моль По уравнению реакции количество пропущенного через раствор газа должно быть вдвое больше vHci - 2 0,03 моль = 0,06 моль
Вспомним, что молярный объём i аза Vo = 22,4 л/моль и v « — % ОIсюда V - v«n V# 0,06 моль 22,4 л/моль- 1,344 л Количество образовавшейся в реакции соли равно количеству основания । е 0,03 моль Объём раствора ио условию задачи 3 ч v 0,03 моля f Золучастся, ч го С - — =----— = 0.01 моль/л V 3 л 15. Вычисли/е объём (мл) раствора серной кислоты (со -19.6%: р - 1,13(f), предполагаемый для приготовления менее крепкого раствора объемом 500 мл. в котором молярная концентрации кислозы равна 0,( моль/л (плотность р1) В разбавленном par своре количество кислоты составляет кит лоты (М - 98 г'моль) т™ О) --- _ 22 М11 iff - р 0,196 • 1,136 г/мл -и,1 мольон),.-)Л o.u'> мот.ь, а масса пт" ' 0,05 могть-98 г/моль - 4,9 т р - П1^“ , V П1'-- р-” m V p. " P 4,9. Задачи для самостоятельного решения 1 Какова будет массовая доля хлорида натрия, с<ли щепотку этой соли массой 10 г растворить в стакане воды обьемом 200 мч7 Ответ 4,76%
2 Сколько (i) поваренной соли NaCl надо растворить в воде для приготовления физиологическо! о раствора объемом 5 л, в котором массовая доля соли равна 0,85% (р = 1)? Ответ- 42,5 г 3 Порцию раствора (плотность р = 1,125) сульфата магния с массовой долей соли, равной 20%, разбавили водой (20 мл), доведя объем раствора до о гметки 100 мл Вычислите молярную концентрацию соли в разбавленном растворе Ответ- 1,5 моль/л 4 Смешали два раствора серной кислоты Один - V - 150 мл, о = 30%, плотность р=1,2 Друюй - V - 250 мл, со = 45%, плотность р - 1,4 Вычислите массовую долю и молярную концентрацию кислоты в растворе, получившемся после смешения тех двух. 01 Bei со - 39,9%, С = 5,4 моль/л 5 Дня поглощения аммиака в технической воздушной смеси струю воздуха пропустили через склянку с водой Взвешивание показало, что масса содержимого склянки увеличилась на 5,1 г и стала равной 300 г Вычислите объем (л) по! лощенного водой газа, массовую долю и молярную концентрацию аммиака в получившемся растворе (р = 1) Ответ 6,72 л, 1,7%, 1 моть/л 6 Вычислите массу (i) раствора поваренной соли (<л = 25%), который необходимо смешать с водой (40 мл) для получения раствора с массовой долей соли 5% Ответ 10 г 7 Вычислите массовую долю воды в кристаллогидратах- Na2SO4 10Н2О, CuSO45H2O, CaSO4 2Н2О Ответ 56%, 36%, 21% 8 В ешкане с водой объемом 225 мл растворили медный купорос CuSO4 5Н2О массой 25 г. Вычислите массовую долю сульфата меди CuSO4 в получившемся растворе Ответ 6,4%. 77
О Вычислите массу (т) карбоната натрия в растворе соли объемом 600 мл и молярной концентрацией соли, равной 0,3 моль/л. Ответ 19,1 т 10 . Вычислите объём (мл) раствора карбоната натрия с молярной концентрацией соли 0,2 моль/п, в котором масса соли равна 15,9 г О1вет /50 мл 11 Молярная концентрация гидроксида натрия в растворе (р = 1,2) равна 9 моль/л Вычисли) е массовую долю основания в растворе Ответ 30% 12 Вычислите объем (мл) раствора серной кислоты (о = 40%, р ~ 1,307). который необходимо запасти для приготовления другого её раствора объёмом 1 л и молярной концентрацией кислоты, равной 1,2 моль/л OiBei 225 мл 13 Вычислите объём (мл) образца раствора сульфата хрома Ш, в котором масса соли равна 23,52 г, а ее молярная концентрация составляет 1,2 моль/л Ответ 50 мл 14 Вычислите количество (моль) гидроксида натрия в баллоне с раствором объёмом 5 л (плотность р 12) Массовая доля основания в растворе 10% Ответ. 15 моль 15 Вычислите плотность раствора соли (кт/м ), в образце которою объемом 5 мл масса соли равна 0,6 i Массовая доля сопи в раст воре 10% О1вет 1200 кг/м3 16 Черет склянку с соляной кислотой (объём 100 мл, от ' 25%, р - 1,12) по газоотводной трубке пропустили хлористый водород объёмом 15,68 и и разбавили водой, доведя объем раствора до отметки 1,2 л. Вычислите молярную концентрацию хлористого водорода в получившемся растворе Ответ 2,5 моль/л
17 Через раствор гидроксида бария объёмом 1,3 л (плотность р - 1) с массовой долей основания, равной 1,71%, пропускали хлористый водород до полной нейтрализации. Вычислите объём (л) израсходованного газа и массовую долю соли в получившемся растворе Ответ. 5,824л, 2,06% 18 К раствору гидроксида кальция прилили соляную кислоту с молярной концентрацией хлороводорода 0,2 моль/л до полной нейтрализации. Масса образовавшейся соли 4,44 г Вычислите объем (мл) израсходованной кислоты Получившийся раствор разбавили водой, доведя объем раствора до отметки 500 мл Какова массовая доля соли в этом растворе (р = I)7 Ответ. 400 мл, 0,89% Элек i ролиты. Сила электролита. Ионные уравнения Чистая вода, без примесей - «пустая» вода не проводит электрический ток Вода с примесями вполне токопроводна Электропроводность «нечистой» воды и водных растворов объясняет теория электролитической диссоциации Электролитами называются вещества, водные растворы или расплавы которых проводят электрический ток Согласно теории электролитической диссоциации молекулы электролитов под действием молекул воды (или друюго растворителя) и в результате столкновений из-за броуновского движения обратимо распадаются (диссоциирую!) на положительные ионы (катионы) и отрицательные ионы (анионы) KtAn о Kt* + Ап~ Свойство молекул электролита диссоциировать на ионы определяет силу электролита Мера силы - степень диссоциации и константа диссоциации 7о
Степень диссоциации определяет долю продиссоциировавших молекул от исходно! о их числа в рас пюре N' С' а=- - f (х100%), где N’, С' количество и концентрация распавшихся молекул N, С исходное количес1во и концентрация электролита Степень диссоциации зависит от природы вещества электролита, увеличивается при разбавлении, растет при нагревании На всякий случай обратим внимание па перечень некоторых электролитов по мере изменения шецени диссоциации сильные (а > ОД) MCI, НВг, Ш, HNO3, HCIO4, II2SO4. Ва(ОН)г, Са(ОН)2, NaOH, КОН, LiOH, Sr(OH)2, почти все рас1воримыс соли; средней сипы (а - 0,3 0,1) Н3РО4, H7SO., Hl, Mg(OH)2, НСООН, слабые (а < 0.1) HNO2, Н2СО3, H2S, HC.N, HCIO, Н3ВО3; СН3СООН, NH4OH, AgOH, H2SiO„ Al(OH),, Zn(OH)2, H2O, ионы H2PO4 . HPO42 , Для оценки силы слабых электролитов чаще пользуются величиной копсташы диссоциации Константа диссоциации констан 1 а равновесия обратимого процесса диссоциации: Положение равновесия обратимого процесса подвижно и может быть смещено при изменении внешних условий в соответствии с принципом Ле-Шателье Мы знаем, что а - f(C), Кд f(C) Для разбавленных растворов слабых электролитов справедливо соотношение Оствальда При ступенчатой диссоциации молекул электролит а-кислоты в растворе появляются только катионы 1Г и соответствующие анионы 80
HNO3 H2SO4 о w : HSO4 hso; <->H'+so2 al a2<a, При ступенчатой диссоциации молекул электролитов средней силы и слабых степень диссоциации последующих стадий во много рал (на несколько порядков) меньше степени диссоциации первой стадии Н3РО4 <=> Н’ + Н2РО4" а, = 2,6 10“', К, = Сн ГО Н2РО4 Н+ + НРО? с с , а, » а2 = 1,5 ПГ4 , К2 = lil'°4- =610* Н2РО42’ <> Н+ + РО43 а2»а3=5 10’7, К, = Сн-—Ср0-'--^4 10 й Сцго/ При ступенчатой диссоциации молекул электролита-основания в растворе появляются только анионы ОН и соответствующие катионы NaOH ОН' + Na+ Ва(ОН)2 & ОН + (ВаОН)+ а, (ВаОН)+ <=> ОН’ + Ва2+ а2<а, NH4OH <:> ОН" + NH4+ а=1,3-10’2, Кд= —-^^ = 1,8 10 s. С'МЦОН Амфотерные электролиты диссоциируют двояко как кислоты и, одновременно, как основания. Например
...<=> Н + Н2Д1Оз о Н3АЮ3 - А1(ОН)з о ОНГ + [АКОНЬГ «• ... 2Н + ZnO,2 О ... H2ZnOj - Zn(OH)2 « ... 2ОН + Zn2+ Соли, по определению, - электролиты их водные растворы вполне электронроводны. Однако в кристаллах солей молекул, как таковых, нет В узлах кристаллической решётки - ионы Поэтому будем считать, что в водных растворах солей ионы появляются в результате растворения, разрушения кристаллической решетки Это условно можно изобразить в виде- NH4NO3 -- NH/+ NO3, К<РО4 > ЗК + РО43 , A12(SO4), > 2А11* + 3SO42". Проблемы записи диссоциации основных и кислых солей зипа (CaOH)2SO4 или КН2РО4 легко разрешимы: (CaOH)2SO, » 2(СаОН)+ + SO42 2(CaOHf о 2ОН 4 2Са2' или КН2РО4 -> К+ +Н2РО4" Н2РО4 <=> Н+ +НРО42 НРО42 <> 1Г +РО43 Реакции в растворах электролитов протекают с участием ионов. Это отображается в виде ионных уравнений Различают традиционную запись химических реакций в молекулярной форме от полной и сокращенной ионной форм В последних случаях сильные электролиты записывают в виде ионов Электролиты средней силы и слабые, летучие вещества (тазы), плохорас творимые вещества (осадки) записывают в виде молекул 82
Упражнения 1.З апишите уравнения реакций в молекулярной,полной ионной и сокращенной иоииои формах: 1.1 Ва(ОН)2 + HNO3 -*... Молекулярная форма Ва(ОН)2 + 2HNO3 -* Ba(NO3)2 *- 2Н2О сильн. сильн. сильн. слаб. Полная ионная форма Ва2’’ + 2ОН‘ + 2Н + 2N0? 2J03“ + 2Н2О Сокращённая ионная форма ОН + Н -> Н2О 1.2 Са(ОН)2 + Н3РО4 >... Молекулярная форма. ЗСа(ОН)2 + 2НзРО4 — Са3(РО4)2| + 6Н2О сильн. ср. силы слаб. Полная ионная форма, в которой ничего «не сокращается» ЗСа2 + 6ОН + 2НзРО4 -> Са3(РО4)2| + 6Н2О 1.3 Си(ОН)2 4- H2SO4 -н.... Молекулярная форма Cu(OH)2 + H2SO4 -> CuSO4 + 2Н2О нерасти. сильн. сильн. слаб. Потная ионная форма Си(ОН)2 + 2Н++//О42" -> Си2+ +^642 + 2Н2О Сокращенная ионная форма Си(ОН)2 -4 2Н+ -» Сн2+ + 2Н2О 1.4 NaCl + H2SO4 -> Мо 1еку лярная форма 2NaCl + H2SO4 ‘ Na2SO4 + 2HCI сильн. сильн. сильн. сильн. Полная ионная форма 2^/ + 2уГ + 2/Г + S0^2- > 2Fjta+ + ^642' + 2^t + 2J?f Здесь все «сокращается», те в растворе смесь ионов осталась без изменений Про такие реакции говорят, чго они в растворах не осуществимы
1.5 Ba(OH)2fNa2SO4 *... Ba(OH)2 + Na2SO4 -> BaSO4 + 2NaOH cwibft. сильн. сильн. Ba’4 I 20;/ + ь SO42 -» BaSO4J -i ^fa4 + 2pdff Ba21 + SO? - BaSOJ 1.6 Na2CO3 + HC1 Na2CO3 + 2HCI ->2NaCl f CO2f +• H2O С11ЛЫ1. сильн. сильн. слаб. 2^ + CO? 4 2H+ + 2p/ > 2iya+ + /С1 + CO2f <• H2O CO? + 2Н+ ->• CO2f + Н2О 1.7 А1(ОН)3 + HCI ->... А1(ОН)3 + ЗНС1 * AICI3 F ЗН2О нераета. сильн. сильн. <лаб. А1(ОН)3 + ЗИЛ - AI3' + з/г -i ЗН2О АЦОН), *• ЗН+ - А13+ ЗН2О 1.8 NaOH ь А1(ОН)з *... 3NaOH 4 Al(Oll)3 Na3AIO3 +• ЗН2О сильн. нерасгпвор. сильн. слаб. Кстати алюмина! натрия рас1ворим в воде 3N4T+3OH + А1(ОН)3 > 3^а' +- А1О?- t ЗН2О ЗОН + А1(ОН)3 > А1О? + ЗН2О
1.9 A12(SO4)3 4- H2O «... A12(SO4)3 + 2H2O « 2(A1OH)SO4 + H2SO4 сильн. слаб. сильн. сильн. 2АГ + 3£бЛ + 2Н2О « 2(А1ОН)2+ + 2$642” + 2Н + ^42” А13+ + Н2О « (АЮН)2+ + Н+ 1.10 (NH4)2SO4+ н2о «... (NH4)jSO4 + 2Н2О « 2NH4OH + H2SO4 сильн. слаб. слаб. сильн. 2NH4h4-S^2” + 2Н2О « 2NH4OH + 2ВГ 4-S^42” NH? + Н2О « NH4OH + Н+ 1.11 М2СО, + Н2О «... Na2CO3 + Н2О « NaHCO3 + NaOH сильн. слаб. сильн сильн. 2JXa' + СО?” Н2О « + НСО3 + ^ + ОН” СО? + н2о « нсо3 + он 1.12 Си + HNO3 ЗСи + 8HNO3-> 3Cu(NO3)2 + 2NOf + 4Н2О те. сильн. сильн. слаб. 2 ЗСи + 8НЧ^О3’-> ЗСи2'yNOr + 2NO? + 4Н2О ЗСи + 81Г + 2NO3 ' ЗСи2+ + 2NOt + 4Н2О 1.13 Zn + H2SO4 -»... 4Zn 4 5H2SO4 — 4ZnSO4 + H2Sf + 4H2O me. сильн. сильн. слаб. 4Zn 4- ЮИ +ЯЪО42 > 4Zn2t t- 430? + H2Sf4-4H2O 4Zn + 10H+4- SO42”-> 4Zn2+4- H2Sf + 4H2O 85
1.14 Na2CO3+ H2COj Na2CO3 + H2CO3 ->2NaIlCO3 сильи. слаб. сильн. 2^+ + СО/ + H2CO3 -* 2^+ + 2НСО3~ СО/ + Н2СОз -» 2НСО, 1.15 А1(ОН)3 + HNO3 -... избыток недостаток А1(ОН)3 + HNO3 [Al(OH)2]NO3 + Н2О нераств. сильн. сильн. слаб. Практически все соли азотной кислоты растворимы в воде А1(ОН)3 4 1Г+ N/3 - [А1(ОН)2]* + j/O3 1 П2О AI(OH)3 Н ' [А1(ОН)2]+ + Н2О Кроме умения записать реакцию в водном растворе электролитов в ионной форме, иной раз надобится реакцию между ионами воспроизвести в молекулярной форме - как это сделано в следующих примерах 2. Запишите в молекулярной форме три различные реакции, которые могут быть о i обряжены одним сокращённым ионным уравнением: 2.1. 1Г + ОН >Н2О. Обратимся к таблице растворимости и выберем растворимые кислоты и основания: НСН NaOH-»NaCIHfeO ] HNOj ) КОН -> KNOj + 1ФО I И‘ + ои нз° H2SO41 2L1OH -» LijSQ, з 2H>O 2.2. Zn2J +S2 -ZnSj. Обратимся к таблице растворимости и выберем по три растворимые соли цинка и сероводородной кислоты. 86
Zn(NO,j:, + (NHtbS -> ZnSi + 2NH;NO3 ZnCl, - K2S -> ZnSJ- + 2KC1 I ZiV i- S2 —» ZnS4- ZnSO4 + Na,S -> ZnSi + Na2SO4 2.3. H+ + CH3COO -* CH3COOH. Обратимся к таблице растворимости и сообразим, какие реагенты выбрать для правильно! о ответа (О - КСН3СОО -> СН3СООН к КС1 HNOj ь NaCHjCOO -> СН3СООН - NaNO, Г Н* +- СН3СОО‘ -> СН3СООН H2SO4 г 2п(СНзСОО)2 -» 2СН3СООН + ZnSO4 J 3. Напишите уравнения диссоциации молекул электролитов в водных растворах: НСЮ4, Pb(OH)2, (NH4)HCO3, КН2РО4, H2S, К4Р2О7, [AI(OH)2]2SO4. Проще нс бывает НСЮ4 О Н'т С1О4" РЬ(ОН)2 <=> ОН" + (РЬОН)+, (РЬОН)+ ОН + РЬ2+ (Mijhco, > mV + (НСОзГ, (нсо3) <> н’ + со32 КН2РО4 К+ + (Н2РО4)“, (Н2РО4)’ Н’ + (НРО4)2", (НРО4)2" о Н+ + 1’0.,' H2S <> Н+ + (HS), (HS)~ « Н+ + S2" К4Р2О7 -4K+(P2OV |AI(OH)2|2SO4 - 2[А1(ОН)2]+ 4- (SO4)2" [AI(OH)2f ОН 4 (А1ОН)2+, (А1ОН)2+ о ОН 4 aV 4. Подействуйте на нерастворимый в воде амфотерный гидроксид хрома-Ш кислотой и, в другом случае, раствором щелочи. Запишите уравнения обеих реакций в молекулярной, полной ионной и сокращённой ионной формах. Гидроксид хрома - амфотерный, значи г. Ст(ОН)3 = Н3ОО3 87
В обоих случаях i идроксид растворяется, образуя со is и воду. Сг(ОН)3 1- 3HCI СгС13 + ЗН2О Cr(UH), + ЗВГ + 30^^ Сг3' + ЗСГ + ЗН7О Сг(ОН)3 + ЗН+ -> Сг3++ ЗН2О 3NaOH + НзСгОз -> NajCrOj + ЗН2О । ЗОН ь HjCrO, ^а4 + СгО3и + ЗН2О HjCrOj + ЗОН С г О< I ЗН2О 5. Мысленно добавьте к pact вору гидроксида аммонии (это слабое основание): а) несколько капель раствора щёлочи, б) несколько капель кислоты, в) несколько крупинок хлорида аммония. Изменится ли степень диссоциации в каждом из этих случаев? Как именно? Ответ мотивируйте. Молекулы слабою основания незначительно диссоциируют на ионы nh4oh<=>oh +nh;. При добавлении раствора щелочи (NaOH о <ЯГ + Na") мы фактически увеличиваем концентрацию одного из продуктов диссоциации гидроксида аммония - ионов ОН Равновесие нарушается и в соответствии с принципом Jle-Illaiejibc ею положение смещается влево Диссоциация подавляется. Степень диссоциации уменьшается При добавлении кислоты (HCI <> Н++ С1) ионы 1Г связывают продукт реакции диссоциации ионы ОРГ в молекулу слабою эпещролита ОН' + Н+ <=> Н7О Полому концентрация продукта - иона ОН уменьшается из-за воздействия извне Равновесие нарушается В соответствии с принципом Пе-Шателье его положение смещается вправо Диссоциация усиливается, степень диссоциации увеличивается При добавлении порции твердой аммонийной соли (из-за растворения NH4C1 —» NH/ + СГ) в растворе увеличивается концентрация ионов NH/ - 88
продукта диссоциации гидроксида аммония Положение равновесия смещается влево Диссоциация подавляется, степень диссоциации уменьшается 6. В растворе уксусной кислоты объёмом 500 мл степень диссоциации равна 0,1. Вычислите степень диссоциации кислоты, если раствор разбавить, долив водой до отметки 1 л. Элементарно Из соотношения Оствальда а = ПРИ условии Кд = const * f(C) следует v а?С, = К=• а2С., С. = —- моль/л С7 = — моль/л, ~ к = — = 2 ' ‘ 4 2 2 1 0,5 2 1 aj С2 v 1,0 Заметим v - коли чес i во кислоты в растворе - не изменяется, так как мы доливаем только воду a2 = 2aj, a2 =0,72 = 0,1 1.41 = 0,141, Диссоциация воды. Водородный показатель Вода - очень слабый амфотерный электролит и едва-едва диссоциирует на ионы Н2О « н+ + он Кд=£г^Ьм_=118.1о 16 ^Н,0 Ничтожность величины Кд позволяет считать, что практически Си о - const, так как число продиссоциировавших молекул воды очень невелико 89
1000! = 1ШВШЬ - 5S.S молъ/л Концентрация воды в воде составляет С„ о С ледова гелыю, Сн С’он = СН?5 К,-55,5 1,8 10 u= 10 11 у 0 Если произведение «е разно нулю, го ни один из сомножителей не обращается в нуль. С'и С()Н О Отсюда следует вывод в любой «мокрой» системе 1 е там. где есть вод.х, всегда сосуществуют ионы Н и ОН, а их концентрации связаны жёстким условием ло ионное произведение воды, полезное во мнотик практических приложениях Очень многие животные, растительные и технолотические объекты в процессе деятельности выделяют в окружающую среду кислотные оксиды и другие продукты кислотною характера (COZ SO2, SO3, оксиды азота, H2S, ) Внутренняя среда живых орт анизмов имеет некоторую кислотность. Нередко требуется знание концентрации ионов водорода (или конов ОН ) Выражение С(| 10 громоздко и неудобно Придумали другое ионное произведение воды прологарифмировали и все умножили на ( 1) (-^Сн) + ( lgCo„) 14 pH рОН Отрицательный десятичный логарифм концентрации водородных ионов водородный показатель pH Отрицательный десятичный лотарифм концентрации т идроксильных ионов - гидроксильный показатель рОН pH + рОН - 14 Итак, в иоде < |( - С()Н -107- не кислотно v не щелочно нейтрально Водородный показатель pH - 7 90
= 10- Среда кистая Cir>CM Например, Сн, =10“5 Тогда С()Н Водородный показатель pH = 5 < 7 Среда щелочная Сон > Сн, Например, Сон =10-4 Тогда Сн. «10'° Водородный показатель pH = 10 >7 Таким образом, pH = (0 - 14), соответственно, рОН = (14-0) Изменение pH от меньших значений к большим означает уменьшение кислотности и увеличение щелочности Наоборот, изменение pH от больших значений к меньшим означает увеличение кислотности Упражнения 1. Вычислите pH раствора серной кислоты, в котором концентрация кислоты равна 0,005 моль/л, при условии полной диссоциации кислоты по обеим ступеням. Условие позволяет записать H2SO4 2Н+ + SO42 , откуда следует с„. =2Ch,so. ~ 2 0,005 моль/л = 10 2 моль/л. pH = -lg Сн. = -lg 10 2 = 1. 2. Вычислите значение pH раствора уксусной кисло!ы с концентрацией 0,01 мольСт при условии, что степень диссоциации кислоты равна 4 %. СН3СООН О 1Г + СН3СОО концентрация продиссоциировавших молекул 1ППО. _С' исходная концентрация С И । уравнения диссоциации видно, что число продиссоциировавших молекул равно числу появившихся в растворе ионов водорода, т е С' = Следовательно, « =——, С „ =а-С =4 10 2 10 2=4 10"4 моль/л. С 11 pH =-lgCf]t = -lg22 IO'4 =-(21g2-4) =-(2-0,3-4)= 4- 0,6= ЗА 91
3. Вычислите молярную концентрацию (моль/л) азотистом кислоты (Кд - 4-Ю-4), в растворе которой pH - 2. pH -- 2, -— - 0-25 моль/л. 1 10 4. Вычислите значение pH в растворе тидрокскда аммония (К - 1,8 10 s), в котором концентрация гидроксида аммония составляет 0,5 моль/л. nh4ohooh tNh; По определению а Отсюда Сон = Х/С Кл, атак как Сн. Сон -10 ,4. то 10‘4 10 м 10^ 10» 1 Jc К„ /о,5 1,8 10 ' То,9’10'' рН= -lgC„---(IgV I lgio")‘ о,5: 11 -1JJ, 5. Во сколько раз необходимо изменить молярную концентрацию (моль/л) ионов водорода в растворе, чтобы значение pH в злом растворе увеличилось на i ри единицы? Вспомним, что увеличение значения водородного показа геля связано г уменьшением кислотности Значит, концентрация ионов водорода должна уменьшаться Если, например, (pH)] - 1, Си 10 4,то (рН)2 т 6, С", - 10 6 * * С'н : С", =• 10 3. 10 * 1000 : 1. Следовательно, С’ < С'(1. в 1000 раз От вет- концентрация ионов водорода должна уменьшиться в 1000 раз 92
6. Во сколько раз необходимо изменить молярную концентрацию (моль/л) гидроксильных ионов в растворе, чтобы значение pH в этом растворе уменьшилось на три единицы? Уменьшение значения водородного показателя связано с увеличением кислотности, а значит - с уменьшением щёлочности раствора, т.е с уменьшением концентрации гидроксильных ионов Если, например, (pH)) =- 5, С'и = 10”5, С')н = 10“9, то (рН)2 = 2, с; - 1о~2> с;„ =1012 сон ч>н = 1о~910,2=1оо° 1 Следовательно, С"ж < С')(| в 1 000 раз Ответ концентрация гидроксильных ионов должна уменьшиться в 1000 раз 7. Вычислите молирпую концентрацию (моль/л) водородных ионов в растворе, в котором значение водородного показателя на четыре единицы больше значения гидроксильного показателя. Вспомним, что pH + рОН = 14 Пусть рОН = х Тогда pH = х + 4 и х + 4 + х = 14, 2х=10, х = 5 Следовательно, pH = 5 + 4 = 9, С = 10~9 моль/л 8 Вычислите молярную концентрацию (моль/л) i идроксильных ионов в растворе, в котором значение водородного показателя в три раза больше показателя гидроксильное о. По условию pH = ЗрОН Подставим конкретное в общее pH + рОН - 14, ЗрОН + рОН = 14, рОН = — 4 2 Сон = 10 = з/10~7 = 710 6 10 ' = 10 3x/l(F = = 3,16 10 ' монь/л
9. В бочку с чистой водой объемом 200 л вылили стакан раствора (200 мл), в котором значение pH = 1. Каким стало шачение водородною показатели содержимого бочки? В чистом воде ни кисло, ни щелочно - нейтрально, т.е. pH = 7, Сн. = Сон 10' моль/л С учетом объёма воды количество (моль) ионов водорода в воде в бочке = Сн. - V - 10 7 моль/л • 200 л - 2-10 5 моль В растворе в стакане значение pH ~ 1, Сн. = 10~' моль/л и с учётом объема раствора в стакане количество (моль) ионов водорода VH- " Св* V 10 ’моль/л-0,2 л = 2 10 2 моль Зак как 2 10 s « 2 10 2, можно считать, что после опорожнения стакана концепт рация ионов водорода в воде в бочке теперь станет равной 2 10"’ моль , < , „ , С„,-------------=10 моль/л и pH—1е<-_,=4 " 200 л И “ "= 10. Вычислите константу диссоциации уксусной кислоты CHjCOOH, в растворе которой значение водородцо! о показатели pH = 3, а массовая доля кислоты составляет 0,3% (нлогность р = 1). Запишем CHjCOOH о Н' + СН3СОО MCHiC0(JH = 60 т /моль Если взять образец раствора объёмом 1 л, тс при р 1 |/миио) 0,003 легко вычислить массу кисло)ы в образце раствора и ее количество (>1= ,!1-, тк 0,003 ЮООг - З । и v=—=-----------= 0,05 моль тр М 60 г/моль По условию задачи pH - 3, Сн, - 10 3 моль/л. Из соотношения 0,05 моль , Оствальда а = К,=аС, где С =------------=0,05 моль/л V С л 1л 94
Задачи для самостоятельного решения 1 К раствору карбоната калия добавили раствор серной кислоты Запишите у равнение произошедшей реакции в молекулярной, полной ионной и сокращенной ионной формах 2 Па осадок амфотерного гидроксида цинка подействовали раствором гидроксида калия, а в другом случае - раствором азо гной кислоты. Запишите уравнения произошедших реакций в том и другом случаях в молекулярной, полной ионной и сокращенной ионной формах 3 Запишите в молекулярной форме уравнения трех различных реакций, которые moi у г быть о i обряжены одним сокращенным ионным уравнением Cu2F + S2” -» CuS| 4 Сколько (мл) воды надо добзви'ь к раствору уксусной кислоты объемом 200 мл, чтобы степень диссоциации кислоты утроилась9 От вет 1600 мл 5 Сколько (мл) воды надо добавить к раствору гидроксида аммония объемом 300 мт, чтобы степень диссоциации основания удвоилась9 Ответ 900 мч 6 В растворе, в котором молярная концентрация H->S равна 0,03 моль/л, степень диссоциации молекул H->S по первой ступени составляет 0,2 % Вычислите величину первой коне [анты диссоциации Ответ 1,2 10 7 7 Во сколько раз надо изменить молярную концентрацию гидроксильных ионов в рас,воре, чтобы величина pH в этом растворе увеличилась на две единицы9 Ответ увеличить в 100 раз 8 Во сколько раз надо изменить молярную концентрацию ионов водорода в растворе, чтобы величина рОН в этом растворе уменьшилась на две единицы9 Ответ уменьшить в 100 раз 9 Вычислите pH в растворе угольной кислоты, в котором молярная концентрация кислоты равна 0,2 моль/л Константа диссоциации кислоты по 95
первой ступени К, - 4,5 10 1. Диссоциацией кислоты но второй ступени можно пренебречь Ответ- pH - 3,5. 10 . Степень диссоциации муравьиной кислоты НСООН в водном растворе равна 2 % Константа диссоциации Кд ~ 1,8 104 Вычислите pH в этом растворе Ответ. pH - 2. 11 Мысленно добавьте к раствору уксусной кислоты - это слабая кислота - а) несколько капель раствора щелочи, б) несколько капель раствора хлороводорода в) несколько крупинок уксуснокислого натрия. Изменится ли степень диссоциации кислоты в каждом из этих случаев"? Как именно"? Ответ мотивируйте. 12 Вычислите концентрацию (моль/л) тдроксида аммония в растворе, в котором степень диссоциации этого основания равна 1,342% Константа диссоциации гидроксида аммония Кд - 1,8 10 5 Ответ 0,1 моль/л. 13 Вычислите конценфацию (моль/л) водородных ионов в растворе, в котором величина водородного показателя в 1,8 раз больше показателя гидроксильного Ответ 10 9 моль/л. 14 Вычислите концентрацию (моль/ тт) гидроксильных ионов в растворе, в котором величина водородного показателя на восемь единиц больше показателя гидроксильного Ответ 10 моль/л 15 В бочку с чистой водой объёмом 200 л вылили стакан раствора (200 мл), в котором значение pH - 13 Каким стало значение водородпот о показателя содержимою бочки7 Ответ pH ’ 10 16 Вычислите молярную концентрацию (моль/л) iидроксильных ионов в растворе серной кислоты, в котором концентрация кислоты равна 0,0005 моль/л (при условии полной диссоциации кислоты по обеим ступеням) Ответ. 10 " моль/л 17 Вычислите pH в растворе гидроксида кальция, в котором концентрация основания равна 0,0005 моль/л (при условии полной диссоциации основания ио обеим ступеням). Ответ pH - 11 96
18 Определите молярную концентрацию (моль/л) гидроксильных ионов в растворе синильной кислоты HCN, в котором концентрация кислоты равна 0,04 моль/л, а степень диссоциации составляет 5 % Ответ: 5-10 12 моль/л 19 . Вычислите pH в растворе уксусной кислоты СН3СООН, в котором концентрация кислоты равна 0,1 моль/л, а степень диссоциации составляет 1,41 % (1,41 = V2 =21/2, lg2 = 0,3) Ответ. pH = 2,85. 20 Вычислите рОН в водном растворе сероводорода H2S, в котором концентрация H?S равна 0,1 моль/л, а степень диссоциации сероводородной кислоты по первой ступени составляет 0,08% (диссоциацией по второй ступени можно пренебречь) Ответ рОН = 9,9 Гидролиз солей Мы уже отмечали, что во mhoihx случаях растворяющееся вещество и растворитель (сольвент) химически взаимодействуют Это сольволиз. Ьсли растворитель - вода, то этот процесс называют гидролизом. Вот некоторые примеры химическою взаимодействия растворяющеюся вещества с водой СаО +Н2О - Са(ОН)2 SO3 +Н2О > H2SO4 2Na +2Н2О -> 2NaOH + H2f Cl2 +Н2О НС1 + нею CuSO4 + 5Н2О > CuSO4 5Н2О - это практически необратимые реакции И не о них речь Гидролиз солей - обратимый ступенчатый процесс взаимодействия ионов соли с ионами воды. Причем в противоположность диссоциации гидролиз солеи - ассоциативный процесс. Известно много способов получения солей, но независимо от способа природу соли определяют её ((.родители» - основание и кислота Сила солеобразующих электролитов - основания и кислоты - прямо влияет на гидролизуемость соли Рассмотрим четыре основных варианта 97
1 - Соль сильного основания и сильной кислоты Пусть это будет хлорид натрия NaCl. До растворения соли в стакане с чистой водой мною молекул воды и чуть-чуть ионов Н‘ и ОН-, так как Н2О Н+ + О1Г, С1Г=СОН. Растворим в воде щепотку поваренной соли NaCl В растворе появились ионы Na+ и СГ , но никакого химического события после растворения поваренной соли не произошло, так как весьма маловероятны процессы ассоциации ионов згой соли с ионами воды с образованием молекул сильных электролитов Na+ + ОН /* NaOH, Н+ + СГ HCI. Поэтому равенство С)Г = Сон не нарушается Если воду выпарить, то соль останется прежней и в том же количестве. На этом примере мы выяснили, что соли сильных оснований и сильных кислот не гидролизуются. 2 Соль слабого основания и сильной кислоты. I lyci ь это будет хлорид аммония КН4С1 До растворения соли в стакане с водой находятся молекулы воды и немного в равных количествах ионы Н и ОН-, так как Н2О о II 4 ОН, С,г = СЩ1 После рашворения соли в воде появились ионы NH4+ и СГ По- прежнему Н‘ + Cl HCI. HanpoiHB, ассоциация ионов NH4+ с «водяными» гидроксилами, хотя и обратимо, реализуется в заметной мере NH/ I ОН- о NH4OH Равенство Сп, = СОН обращав 1ся в неравен- ство С > С()н , так как часть иоиов ОН- связываются теперь в молекулы слабого основания NH4OH. Количество соли NH4C1, как таковой, уменьшилось часть сё из-за гидролиза превратилась в другое вещество NH4OH Раствор в стакане имеет «кислую реакцию»- Сн, > Сон , pH < 7
Способность ионов соли обратимо ассоциироваться с ионами воды составляет суть [идролиза Рассказанное здесь и в последующем кратко можно изобразить в виде схемы Н2О н он NHjCI -> СГ + NH/ гпг НС1 nh4oh Сама реакция взаимодействия соли с водой может быть записана в молекулярной, полной ионной и сокращенной ионной формах NH4C1 + Н2О « NH4OH + НС1 NH/ -Cl pfCO NH4OH +ИГ + ^SJ' Ml.,' + 110/11 о NH4OH -Н рН<7 Количественной мерой глубины обратимого превращения со щ в продукты гидролиза является степень гидролиза количественная доля сопи, подвер! шейся i идролизу Ь»^-(х100%), 1 де С' копцен грация (моль/л) соли, подвер! шейся гидролизу, С - исходная концентрация (моль/л) соли в растворе Степень 1идролиза зависит от природы соли, концентрации соли, (емпературы Чем слабее основание или кислота, образующие соль, тем полнее 1идротиз Степень гидролиза увеличивайся при разбавлении и/или при нагревании Очень часто для характеристики глубины 1идролиза вмесю h = f(C) пользуются величиной константы гидролиза К, * f(C) Ьсгь еще один важный фактор, от которого зависит величина степени гидролиза Это изменение кислотности раствора В нашем случае (для соли NH4C1) при подщелачивании раствора (+ОН-) положение равновесия (см выше) смесится вправо, гидролиз усилится, степень ! идролиза возрасте г, так как Н+ + ОН Н2О. в растворе извне 99
Продукт гидролиза - ионы Н+ выводятся из сферы реакции, из-за чего новые порции соли i идролизуются, чтобы скомпенсировать внешнее воздействие Если, наоборот, наш раствор с солью подкислить (+Н+), то положение равновесия сдвинется влево, степень гидролиза уменьшится Все это объясняет принцип Ле-Шателье Маленькое добавление. Продукт гидролиза - гидроксид аммония - нестойкое соединение и обратимо в некоторой степени разлагается на аммиак И ВОДУ NH4OH О NHj (раствор) + Н?О Образующийся летучий аммиак естественно появляется над жидкой фатой и явно ощущается по запаху NH3(pacIBOp) о 11оэтому все соли аммония имеют характерную аммиачную отдушку Описанное обстоятельство позволяет предположить, что усиление )идролиза может привести практически к полному разложению соли катион NH4+ просто постепенно улетучится в виде остро пахнущею аммиака NH3 И1ак3 если соль образована слабым основанием и сильной кислотой, го гидролизуется казион соли, среда в растворе кислая (рН<7) 3 Соль сильного основания и слабой кислоты Пусзь это будет ацетат натрия NaCH3COO ( уксуснокислый натрий) До растворения соли в стакане с водой находятся молекулы воды и немного в равных количествах ионы Н и ОН , так как И2О о н* + он, с,г ~сон После растворения соли в воде появились ионы Na+ и СН3СОО“ Очевидно, что Na+ + О1Г NaOH ассоциация катионов натрия из соли и «водяных» ионов О1Г в молекулы NaOH - маловероятное событие, так как гидроксид натрия - сильное основание Наоборот, вполне реальна обратимая ассоциация ацетат-ионов с «водяными» водородами Н+ + СНзСОО’ о СНзСООН. Опять равенство Сн, =-CQH обращается в неравенство- С|г < Сон , так как часть ионов И* связались в молекулы слабой уксусной кислоты 100
СНзСОО + н. СН3СООН. Раствор в стакане имеет щелочную реакцию Сон > Сн., pH >7 Эти рассуждения можно изобразить в виде схемы. А потом несложно описать соответствующими уравнениями в молекулярной и ионной формах Н2О « н+ + он NaCH.COO -> СНзСОО" + Na’ It CHjCOOH NaOH NaCH3COO +Н2О СН3СООН + NaOH Na+ + СНзСОО +Н2О о СНзСООН + 'iW + ОН ОН <> СНзСООН + ОН~ рН>7 Относительно смещения положения равновесия можно уверенно сказать, что 1идролиз ацетата натрия усилится <—>), если раствор разбавить, naipeib и и ж подкислить Гидролиз будет подавлен (<—), если повысить концентрацию раствора, раствор соли подщелочи!Ь (+ОГГ) и/или поставить в холодильник Итак, если соль образована сильным основанием и слабой кислотой, то i идролизуется анион соли среда в растворе щелочная (pH > 7) 4 Соль слабою основания и слабой кислоты. Пусть это будет ацетат аммония NH|CH3COO Нам уже известно, что в данном случае и катион и анион соли буду! 1 идролизоваться Это уже настораживает и пожалуй, тучше держать эту соль в сухом состоянии В водном рас 1 воре (NH/ HQ- Н NH4OH +Н+ ОН « СНзСООН + ОНГ Гидролиз катиона аммония усилится при подщелачивании (+ОН ) Образующийся гидроксид аммония при подщелачивании начинает заметно 101
разлагаться с выделением газообразного аммиака Усиливающие гидролиз ионы ОН являются продуктом гидролиза аниона СН(СОО . Но и гидролиз последнего также усилится в присутствии ионов Н+, которые, в свою очередь, являются продуктом гидролиза катиона NH4+. Наши опасения за сохранность соли в водном растворе не напрасны- продукты гидролиза и катиона, и аниона взаимно усиливают гидролиз друг друг а. По этой причине соли такого типа просто не сохраняются в воде разлагаются. Остаётся сформулировать простое правило (для запоминания с пониманием) гидролизуется «слабое», а «сильное» дает среду Упражнения 1. Что произойдёт при сливании водных растворов сульфата аммония и сульфида натрия? Сульфат аммония соль слабого летучего основания гидроксида аммония и сильной серной кислоты - гидролизуется Среда в растворе - кис лая (NH4)2SO4 + 2Н2О О 2NH4OH + H2SO4 2NH4 з S^42 -• 2H2O <> 2NH4OH + 2H + ^Q42 (^NH/ThO^H <> NH4OH +1Г pH<7 Заметим, что при подщелачивании (+ОН“) гидролиз сульфата аммония усилится ( >) и неизбежно NH4OH о №Нз(ра<.,в„р) -4 Н2О, NH3(pacrBop) о NH3аз) - запах1 Сульфид натрия соль сильною основания и слабой летучей сероводородной кислоты гидролизуется. Среда в растворе - щелочная- Na2S + Н2О « NaHS + NaOH 2^< +-S2 । Н2О + HS +W + ОН (S2"" + ^F)OH HS + ОН рН>7 102
Заметим, что при подкислении (+FT) гидролиз сульфида натрия усилится ( ->) и станет заметной вторая ступень гидролиза 4!S - iPOH о H2S(paCTBop) + ОН". И конечно, H2S(pacrb0p) <=> H2Sf(ra3) - запах1 После сливания растворов ионы Н4, образующиеся в растворе сульфата аммония, будут усиливать гидролиз Na2S. А ионы О1Г, образующиеся в растворе сульфида натрия, будут усиливать гидролиз (NH4)2SO4 Вывод очевиден пои сливании растворов этих солей произойдёт взаимное усиление; гидролиза. Летучие соединения - аммиак и сероводород - образуют очень вонючую смесь (NH4)2SO4 + Na2S —--^->2NH3t + H2Sf + Na2SO4 2. Напишиie молекулярные и ионные уравнения гидролиза хлорида железа-11 и цианида натрия. Как можно усилить (ослабить) Iидролнз этих солен? Хлорид железа II FeCI2 - соль слабого нерастворимого в воде основания Fe(OH)2 и сильной хлороводородной кислоты НС1 В этом случае, вспоминаем, i пдролизуется катион Fe24, а среда в растворе соли - кислая (Fe24 + НО)Н « (FeOH)4 + Н4 рИ<7 - эго сокращенное ионное уравнение первой стадии (ступени) гидролиза Для написания полного ионного уравнения впишем в левую и правую части сокращенного ионного уравнения пе гидролизующиеся ионы С1 ’ Fe2+ + 2СГ + Н2О о (FeOH)4 F Н4 + 2С1 Чтобы получить молекулярную форму, объединим положительные и отрицательные ионы в молекулы FeCl2 + Н2О « (FeOH)CI + HCI. I идролиз этой соли усилится при подщелачивании, при разбавлении и/или при назревании раствора И наоборот, гидролиз будет подавлен, если 103
повысить концентрацию соли (добавить еще сухой соли), подкислить и/или охладить раствор. Цианид натрия NaCN - соль сильною основания NaOH и слабой кислоты HCN Г идролизуется анион CN , среда в растворе - щелочная: (CN^TjiyOH о HCN + ОН рН>7 Аналогично для написания полного ионною уравнения добавляем в левую и правую части сокращённого ионного уравнения не гидролизующиеся ионы Na+ Na+ + CN з Н2О <=> HCN + Na’ + ОН И в молекулярной форме NaCN + Н2О <> HCN + NaOH Гидролиз этой соли усилится при подкислении, разбавлении и/или при нагревании раствора И наоборот, гидролиз будет подавлен, если повысить концентрацию соли (добавить еще сухой соли), подщелочить и/или охладить раст вор 3. В стакане воды растворили щепотку сульфита натрия. Перечислите час i и цы в образовавшейся системе, подтвердив появление каждой соответствующим уравнением. Как изменится степень гидролиза этой соли при подкислении раствора? Сульфит натрия Na2SO3 соль сильного основания NaOH и слабой сернистой кислоты H2SO3 В стакане с водой - молекулы воды 1ЦО При их диссоциации образуются ионы Н2О Н + ОН После растворения соли появляются катионы натрия и сульфит- анионы Na2SO3 -> 2Na* + SQj2’ Из-за гидролиза появляются з идросульфит-анионы: CsjV + Ц он Hsoc + он Это ззервая стадия (ступень) гидролиза В крайне малой с зелени реализуется вторая стадия (hso3 фон <> H,SO, + ОН-. 104
Образующиеся молекулы обратимо разлагаются по уравнению. H2SO3 <=> SO, + 1ЬО Так как среда в растворе этой соли щелочная, то при подкислении гидролиз усилится, степень гидролиза возрастет. Таким образом, в системе будет множество молекул Н2О, крайне малое количество молекул Н28Оз и SO2, а также ионы Na+, SO32 \ ОН-, Н+ и HSO3- 4. Приведите два примера солей меди—II, в водных расiворах которых pH < 7 и pH - 7. Медные соли соли слабого нерастворимого в воде основания Си(ОН), и какой-нибудь кислоты Например. СнС12 - медная соль сильной хлороводородной кислоты В растворе соли pH < 7 ^С^+НО^Н <» (СиОН)+ +Н+, pH <7 Си2 + 2СГ +5i2O <> (СиОН)4 + Н' + 2CI , СиС]2+ Н2О (СиОН)С] + НО В другом случае надо взять медную соль, содержащую анион слабой кислоты например, уксусной Си(СНзСОО)2 В этом случае гидролизуются и катион и анион I о (СиОН)4 +Н+ pH <7, ОН о СН3СООН + ОН pH >7 Происходит взаимная компенсация щелочною (pH > 7) и кислотною (pH < 7) И в результате - не кисло и не щелочно - нейтрально pH <=7 5. Расставьте пробирки с растворами иодида бария, карбоната калия и нитрата аммония в порядке уменьшения в них значения pH. Ответ мотивируйте соответствующими уравнениями. Первая пробирка. Ва12 - соль сильного основания и сильной кислоты Не гидролизуется В растворе pH = 7. 105
Вторая пробирка К2СО3 - соль сильного основания и слабой кислоты. Гидроли туется анион соли , в растворе pH > 7: (СО? ^ НХ)Н « НС о, + он Третья пробирка NH4NO5 — соль слабого основания и сильной кислоты Гидролизуется катион соли, в растворе pH 7 с УН411!Ол11 « NH4OH + Н Поэтому пробирки в порядке уменьшения значения pH содержащихся в них растворов должны быть расположены так. 2-ая, Сая, 3cSL Задачи для самостоятельного решения 1 Чю произойдёт при сливании растворов нитрата цинка и карбоната натрия'’ Ответ мотивируйте соответствующими уравнениями 2 Напишите молекулярные и ионные уравнения гидролиза бромида цинка и карбоната лития Как можно усилить (ослабить) тидролиз этих coneи’ 3 В стакане воды растворили немного хлорида марганца II Перечислите частицы в образовавшейся системе, подтвердив появление каждой соответствующим уравнением. Как изменится степень гидролиза этой соли, если раствор подщелочить9 4 Приведите два примера солей сернистой кислоты, в водных растворах которых pH > 7 и pH ~ 7 5 . Расставьте пробирки г растворами нитрата кальция, сульфата алюминия и ацетата рубидия в порядке увеличения в них pH Решение мотивируйте соответствующими уравнениями. Дисперсное состояние. Дисперсные тела. Дисперсные системы. Коллоидные растворы Кот да-го товорили о возможных в зависимости от условии состояниях вещества или какого-то предмета Да хоть та же вода - то снежком хрустит под нотами (твёрдое), то ручейком журчит (жидкость), а то бесшумно тучкой 106
в небе плывет (газ) Это различные агрегатные состояния вещества - Т, Ж, Г Вещество может быть в индивидуальном состоянии (чистое или почти чистое), а может быть в растворе - в растворенном состоянии, когда молекулы ьещества равномерно распределены среди молекул растворителя - это однородные, г е гомогенные системы Растворимость - способность вещества распределяться в среде другого - свойство вещества Растворение - физико-химический процесс. И мы уже убедились, что во многих случаях вещество в растворенном состоянии заметно теряет свою индивидуальность Эго действительно особое состояние вещества Ecib еше одно (а может, и не одно) состояние большей или меньшей дисперсии, т е измельченности Поднимем с дороги булыжник И поработаем над ним Молотом разобьем булыжник на камушки - щебень Сразу обратим внимание на то, чю суммарная поверхношь вещества булыжника заметно увеличилась Еще потрудимся превратим щебень в крошку Пропустим крошку через вальцы и вот уже песок Нелегко, но разотрем песок в порошок На специальной мельнице распушим порошок до пудры и - поприжмем жернова - превратим пудру в почти пыль Эта каменная пыль - наш бедный булыжник в дисперсном состоянии Переход от булыжника к пыли измельчение, диспср1ированис Пылинки - дисперсные тела Дунем на них воздух станет пыльным Пыльный воздух - дисперсная система, в которой среди молекул азота, кислорода и некоторых других газов, составляющих воздух (эго 1ак называемая дисперсионная среда), равномерно распредетсны тонкие частицы - пылинки вещества булыжника (пылинки - это так называемая дисперсная фаза) Похоже на расiворы, но принципиально не го Истинные растворы - юмтенные системы («молекулы среди молекул») Дисперсные системы - гетерогенные системы («пылинки среди молекул»)' пылинки хоть и малы, но позволяют еще считать их за отдельную фазу Можно спросить дисперсные системы - это только пыльный воздух, или есть еще какие-нибудь? С уверенностью можно ответить, что все 107
окружающее нас и мы сами эго дисперсные сищемы, дисперсные тела гуман, дым, пена, кровь, молоко, волосы и кожа, ворсинки ковра, цементный порошок, мутная вода в реке. Но вернемся к нашему камню. Измельчая булыжник, мы совершаем работу - сообщаем системе энергию, которая частично безвозвратно теряется на неизбежное нагревание камня и осколков из него. Но большая часть израсходованной нами энергии пошла на увеличение поверхности тела булыжник вполне можно завернуть в носовой пла; ок, а пылью из него можно укрыть все квартиры немаленького дома. Огромное увеличение поверхности при диспергировании приводит к резкому увеличению поверхностной шер, ии тела, гак как теперь практически вся масса тела находится в поверхностных слоях Посмотрите на рисунок молекула в объёме (внутри) фазы находится в симметричном силовом поле, со всех сторон на неё одинаково воздействуют такие же, как она У молекулы на поверхности, т е на границе раздела фаз, вертикальная составляющая нс скомпенсирована Эта молекула более активна, более энергична Именно такие молекулы способны оторваться ол «подруг», улететь, испариться. Поэтому особенность дисперсною состояния в том, что в таком состоянии тело становится поверхностно акжвным, обретает способное!ь сорбировать, притягиваю к себе другие частицы Или «прилипать» к другим поверхностям пылинки не только сорбируют имеющиеся в воздухе ионы («1-» или «-»), но и сами прилипают к деревянным или иным поверхностям Сорбция, сорбенты - явление и вещества или материалы, связанные с понятием «поверхностная энергия тела» И уж, конечно, сорбируются не только нейтральные частицы, но и заряженные Значит, это явление и строение дисперсных частиц обязательно будут связаны с электричеством или его проявлениями Граница раздела 108
Дисперсные системы отличаются агрегатным состоянием частиц дисперсной фазы и дисперсионной среды- мельчайшие капельки воды в воздухе образуют туман, а множество частиц углерода в воздухе - это дым По размерам частиц дисперсной фазы различают грубо-, средне- и гонкодисперсные системы (размер частиц дисперсной фазы в тонкодисперсных системах от 100 до 1 нм — 10 9 м) Тонкодисперсные системы называют коллоидными растворами или золями (аэрозоли, гидрозоли, алкозоли, . - слышали, конечно) Коллоидные растворы - микрогетерогенные системы (не гомогенные'), в которых среди молекул вещества дисперсионной среды равномерно распределены коллоидные частицы - сгустки молекул ( или даже отдельные молекулы высокомолекулярных соединений полимеров) другого вещества - микрочастицы дисперсной фазы Последние настолько малы, что не видны даже при весьма сильном увеличении Это делает коллоидные растворы прам ически неотличимыми от истинных, молекулярных растворов Обратим свое внимание еще на одно обстоятельство Если в стакан с водой опустить мерку сахарной пудры и, как обычно, помешать ложечкой - сахар моментально растворится И мы чу-т. пи не явно представляем происходящее - как полчища молекул воды атакуют мелкие частицы сахара Под действием молекул воды кристаллики сахара быстро разрушаются, измельчаясь до размеров молекул Твердая фаза (кристаллики сахара) исчезает, система становится гомогенной - «молекулы среди молекул» это истинный раствор И совсем другое дело, если в воду опустить ту же мерку каменной пыли Перемешаем ложечкой - Тщетно ни мы, ни молекулы водь, не в состоянии измельчить пылинки до размеров молекул Система остаётся гетерогенной камень в воде не растворяется Про себя отмегим, что вода в стакане долго была мутной, фазы долго не разделялись, пылинки долго оставались «на плаву» И только к утру мы увидели воду в стакане прозрачной, а на дне - осадок слипшейся пыли Можно представить, что если найти способ измельчения нерастворимых в воде каменных пылинок до 109
размеров 100 1 нм, ю получится вполне устойчивая, внешне однородная система Это и будет «растьор нерастворимого» колчоивный раствор, гидрозоль или просто золь Существует много способов получения золей Это и физические, и химические способы Химические способы химические реакции, идущие с образованием новой фазы, как правило, твёрдой основания, соли, кислоты, металлы, неметаллы В простых случаях реакцию проводят при сливании избытка некрепкою раствора одною вешссгва с разбавленным раствором друз ого при интенсивном перемешивании, чтобы скорость роста кристаллов была мною меньше скорости роста их числа Другими словами, стараются получить множество мельчайших частиц нерастворимого в данной среде вещества и предупредить образование крупных видимых кристаллов т.е явного осадка Например, AgNO1(llj6) + NaCl > AgCl(„e(lal:1B вида)+NaNO3 Нерастворимый в воде хлорид серебра не выпадав! и осадок- образуется коллоидный рас!вор золь хлорида серебра. Хлорид серебра «держится» в воде ь виде мелких частиц 1ак называемых мицелл Система вполне устойчива Фазы не разделяются, так как небольшие размеры и масса часгип позволяет им перемещайся под ударами молекул воды по всему объему дисперсионной среды Зло кинетическая устойчивость Есть ещё одна причина того, почему коллоидные частицы че скипаются в большие агрегаты, не образуют осадка раствор прозрачный, как будто это раствор сахара Но мы то знаем, что среди молекул воды не молекулы, не ионы соли, а гораздо более крупные часгицы Как они устроены9 Вспомним, что тела в тонкодисперсном состоянии поверхностно активны, способны сорбировать, притягивать к себе другие частицы из окружающей среды И в первую очередь сорбируются ионы, входящие в состав молекул зольобразующего вещества Какие из них9 - те, конечно, которые находятся в избытке Уже можно сказать, что коллоидная частица сфероиодобна В центре - ядро - га самая микрофаза, состоящая, конкретно в нашем случае, из множества НО
часгиц состава (AgCl)m Ядро окружено адсорбционным слоем из ионов Ag+ — их много, так как по условию у нас избыток AgNO3 Ионы серебра Ag+ неминуемо «прихватят» в адсорбционный слой ионы противоположною знака NO, - их тоже много Всё это вместе - ядро с адсорбционным слоем составляет гранулу мицеллы Г т (n-p)+ tCAgClVnAg^pNOrJ- ядро адсороционныи Как видим, гранула оказывается положительно заряженной частицей Именно это наличие заряда одною и того же знака заставляет частицы отталкиваться друг от друга, препятствуя их слипанию в aipeiaibi Эю агрегат ив нал уст ойчивость Опьп подсказываем что не бывает плюса без минуса Так и в нашем случае каждая г ранула окружена подвижным размытым по форме диффузионным слоем, состоящим из противоионов Эю дополнение завершает постройку целою - мицеллы положительного золя хлорида серебра (n-p)NO3 ядро адсорбционный гранула диффузионный слой Если в той же паре реагентов взять в избытке раствор поваренной соли и разбавленный раствор нитрата серебра AgNO3 + NaCl(„16 > > AgCl(„c pacTS „ воде) + NaNO3, то золь поменяет знак - с1анет отрицательным
.. (л р>- (AgC!)m nd' - pNaJ- (п-р)Ма1' ядро адсорбционный сдои '<___________-.......................—-J гранула диффузионный »..-к»й Мы догадываемся, что вопросов, решений, при полоний, касающихся дисперсных систем, очень много Менделеев в своё время сказал, что «коллоидная химия это химия реальных гел^ что подчёркивает прикладной характер решаемых ею ниобием Рассмазриваемое строение коллоидных частиц яонюшег не только озветнть на вопрос об в» устройстве, но и подсказать, как разрушить золь, если ззонадобигся. Для этого достаточно добавить раствор электролиза нейтрализующею заряд > ранулы исчезнет отталкивание, частицы начнут слиназься в крупные азрегагы Это коагуляция (агрегация) Добавляемый элекзродит коагулянт. А мозуз озагь и стабилизаторы, препятствующие разрушению адсорбционною слоя и юля в зюлом Иной раз появившийся в результате кошуляззии осадок вдруг нечезаез полностью или частично Эго связано с дезагрегацией Процесс дезагрегации, противоположный кош уляции, - пептизации И т.д и i п Упражнения 1. Иаззизззизе езроение мицелл двух золей, полученных при смешивании разбавленных расгворов хлорида медзз 11 и нитрата свиннаН при избытке первою везцеезва в одном случае, а в другом - ззри избытке второю вещества. В результате обменной реакции образуется нерастворимый в воде хлорид свинца И. Но осадка мп не увидим я том и другом случаях образуются золзз различных знаков
а) СиС12(из6) + Pb(NO3)2 -» PbCI2(„epacTB 8 80ae) + Cu(NO3)2, гранула отрицательного золя 6) CuCl2+ Pb(NO3)2 (из6, > РЬС12 (ве раств , водс) + Cu(NO3)2 , (2п—р)+ nPb2+ pNO3~ !- (2n-p)NO3~ адсорбционный 2. Предложите метод получения и напишите строение мицелл двух золей карбоната кальция с положительным и отрицательным зарядом гранул. Как мы уже говорили, золи получают сбиванием разбавленных водных растворов В нашем случае в одном из растворов должны содержаться катионы ка тьция, а в друюм карбонаинтионы Са2+ + СО32 -» СаСО3 Катионы кальция содержатся в растворе любой растворимой кальциевой соли Пусть это будет СаС12 То же можно сказать относительно карбонат анионов Пусть содержащей их растворимой солью будет Na2CO3 а ) Очевидно, положительный золь образуется при избытке положительных ионов Са2+ (СаС12) СаС12(иЭб) + Na2CO3 СаСО3 (1|е раств „ 8оде) + 2NaCl ИЗ
{(CaCO3)M nCa2* pCT|' ₽> (2n--p)Cl б ) Отрицательный золь получим в той же реакции при избытке анионов CO,2 (NajCOj). CaCh т Na2CO3 {„,fi > -• С aCO3 (н, ри „ в„де) + 2ftaCl. г -Л2»-р) -j(CaCOj)m пСО,2' pNaJf- (2n-p)Na+ диффузионный слои Задачи для самостоятельного решения I Напишите строение мицелл двух золей, полученных при сливании разбавленных растворов фторида серебра и сульфата калия при избытке первою вещества в одном случае, а в цруюм при избытке второго вещества 2 Напишите строение мицелл двух золей, полученных при сливании разбавленных paci воров сульфата меди-II и силиката натрия при избытке первого вещества в одном случае, а в друюм при избытке второю вещее гва 3 Предложите реакцию получения положительного зовя иодида серебра и напишите строение мицеллы этого золя 4 Предложите реакцию получения отрицательного золя сульфата бария и напишите строение мицеллы .этого золя. 114
5 Чем отличается комковая сера ог коллоидной серы''1 Различают твёрдое, жидкое, газообразное состояния вещества Но вещество может быть еще в коллоидном состоянии В чём особенность этого состояния9 6 Для защиты атмосферного воздуха от загрязнений и пыли на промышленных предприятиях применяют электрофильтры На чём основано изобретение и конструкция этого устройства9
Приложения Основные и дополнительные единицы Международной системы I Единица Наименова Обозначение Наимснова Рак Определение Рус- Между народ Оспенные единицы Диина > мегр Метр П/ нс и раыл )яним> пре холи- ому с нечем в вакууме за 5/299792458 долю секунды м m — . .. — _— —— Масса м килограмм Килограмм равен массе международного прототипа килограмма кг Секунда раина 9'92(>_>!770 периодам Время 1 4екунда излучения. соответсгвующего переходу МСЖД} двумя СВСрХЮипИМИ уровнями основного состояния атома цезия 1эЗ __ s Тсрмодина- кельвин папен l/z.73.16 части мическая в Кслгвин термодинамическом температуры тронной К К чем перату ра ТОЧКИ воды _ Моль равен количеству вешесиа системы, с одержащеи столько же структурных элементов, сколько содсожичсч атомов в [углероде-!/ массой 0.012 кг При применении вещества |м in 1пчму|И1 ♦ к а и’н должны быть. । специфицированы и могу» быть атомами, ; молекулам»! ионами, электронами и другими I частицами или специфицированными . моль Сила элек - -- ' ' |?руппами_частиц Ампер ранен силе неизмсняющегося тока, который при прохождении по двум параллельным прямил инейным проводникам бесконечной длины и ничтожно малой трического ампер площади Kpyi овогч) поперечного сечения, расположенным в вакууме на расстоянии 1 м один ог другого, вызвал бы на каждом участке проводника длиной 1 м силу 1 - - взаимодействия, ранную 2 • 10 Н Кандела равна силе скега в заданном направлении источника исоускаюшегс ___ 1 I Сила спета J кандел*. монохроматическое излучение частотой 540 ИО 12 Гц, сила излучения которого в этом ад cd - — ... направлении составляет 1/683 Вт/ср Плоский радиан Радиан равен углу между двумя радиусами окружности, длина дуги между которыми рад rad - Г ' равна^радмусу __ __ Стерадиан равен телесному углу *- вершиной в — Телесный | стерадиан 1 центре сферы вырезающему на поверхности сферы площадь. равную площади квадрата со сторонок равной радиусу сферы ) L. sr 116
Приставки для обозначения кратных и дольных единиц Наименование приставки Отношение к I павной единице Сокращённое обозначение приставки русское международное Атто 10-18 а а Фемто Ю-'5 ф f Пико 1 о12 п р Нано 10~9 н N Микро 10” _ Мк Е Милли 10 3 м П1 Санти иг2 с Деци _10j д d Дега _ 2q_ _ _ да da Гекто ’ 102_ 2 Г Jh Кило 103 К Мега IO6 м _ _м_ Гига 109_ ~ Г Z G z Гера W!? т т Пета 1015 п Экса_ | J018 э Некоторые фундаментальные физические константы । Масса покоя протона ' Масса покоя нейтрона ' Масса покоя электрона I Масса атома водорода I Заряд элекфона и протона ' Заряд протона удельный I Заряд электрона удельный 1 Постоянная Лвогадро ! Молярный объем идеальною газа(н i I аювая универсальная постоянная 1 Постоянная Фарадея । Скорость света в вакууме | Скорость звука в воздухе (сух ) ; m,, 1L67!6!8 5 J ° JlKr_ m„ - L6749543J (Г^ кг _ mc = 9,109534 10 31 кг ___ т„ = 1,67339-10 27 кг__ qe = qp= 1,6021892 10 19 Кл __ч£тР = 9,5787585 10 7-Кл/к1_ qe/пц ,75880471°_2_|<^кг ___N\ = 6,0220943 10 23 моль 1 у П V» = 22Л1383 10 3 м3/моль _ 8,31441 Дж-моль 1 К"1 F = 9,648456404 Кл/моль~ с~ 2,99792458_ 1 (Р м/с с = 331,36 м/с 117
Температурные шкалы । градус ........ _ _ „ I ^уСЛЬСИЯ Теипораор-т шычщя вит | 100 IcMiiepai »ч, р,|<-вл( чии >ь о J °R j °F .-радуг | гргдус К градус гельвин 373,2 273.2 H\j ь н'м in Фар "i. j‘<i -J7 8 -14,2 I 0 255,4 .... Ц L_____________________ .... ______ -27-12 ! .’18,56 j -09,76 j О при нормальном атмосферном давлении Соотношения между > радусами различных шкал 1°С 0.8" R - 1,8°F 1"К 1.2 5° С --- 2,25° 1- ]°Р - 0,556°< OAls‘‘R. 1,25 К и/56 К Фиксированные (реперные) точки шкалы leMiiepaiyp Точка плавления льда Гонка кипения воды Точка кипения кислорода Точка кипения серы Точка плавления < еребра Точка плавления юлота 0°С, 273,16 К 100° С 182,97° С 444,60° С 960,80 ’С 1063,0° С Изменение объёмов вешеечв при их плавлении (в ыблицг -указан объём жидкосч и УЖ:, образующейся при плавлении твердых тел Вещество I V», , см’1 Вещесшо Алюминий | 1066 j Ртуть Висмут 1 967 | Свинец Золото । 1052 I Сереогю Кремний | 900 I Сурьма Большинство вещее в г । \ к р объём. Исключение ос t чи i icm ’ | Вещество Г “лёд ~ ~ Цинк Олово i Чугун j 3£“Л в жидкое увеличивают свои \ . вещества 1069 988 994 118
Русский алфавит 1 Печатные ' Рукописные Название буквы 1 Печатные буквы Рукописные Название буквы буквы буквы буквы ] 1 А а а гл. 1 1 эр J Б б ЛГЛ бэ г 2 ~ Тс !__л вэ _Т_т_ зэ Г г 22 гэ X3L. У 1Д д 2)S дэ |Ф ф эф Е е Ze е X х ха ,Ё ё . ё Ц ц цэ Ж ж L 22 жэ Чч че 1 3_з_ _ Л/„__ зэ Шш 2/ги. ша И и и ,Щ.щ щя Й й гг-£ и краткое ъ ъ твёрдый знак К к 22 ка bl ъс ы Л л 2л эль ь ъ мягкий знак М м ..лх эм Гэ э" э Н н 22 эн (Юю ю Ой (2 о- _ 0 Я я - -- 1 Я I [п п 222 ПЭ
Латинский алфавит Печатные буквы Рукописные Название . г„. —. „ Печатные । Рукописные Название 1 буквы буквы буквы буквы буквы А а a Nn q/F n Ш В b 5э О о 0 IC с ЦЭ 1> р Ufl ПЭ )D d 3)d дэ Q q ж кю, ку |е е ’ R г эр F f .7/ ' эф S s <J< эс G g ^9 re, жэ IT t тэ Н h ХГ ха, аш U °u« У I j :di и V v Tv вэ , J J jr йёг, жи Ww дабль вэ К k ка X х X икс L I эль Ivy ъ игрэк M m o/Km эм [z z_d зээ 120
Греческий алфавит Печатные | Рукописные Название буквы Печатные буквы Рукописные буквы Название буквы буквы буквы А а Т а альфа N у <зГ V НЮ 1 d в р Т)в бэта 1'1 ifn 1 КСИ 1 Гу гамма Оо О о_ омикрон А 5 \.Д д дэльта П л СТС л ПИ 1 Е s \Ее эпсилон Рр СРр ро _ — — — IZ 1 С зэта S су I С । сигма j ! Нт]_ 1л_ эта ,Тт Т т -J) тау ' 0S9 6-&0 гэ га •г и Ур ипсилон 7 i йёта 1 Ф^ср Фер фи |к_х каппа ; ЦТ Хх хи 1 I AZ Л Л лямбда ) Т Т ЧГФ I пси ) |м.р_ л С MIO | Q со Q(i) омега |
Сведении но математике Решение квадратного уравнения ах2 । Ьх + с U, х •• - Л- 2а he Корги уравнения Xi и х2 \ + х2 -—, х,-х2-=-- Пропорции ,, ас Если ."о b d Логарифмирование Если 1' - N, то b-logaN, где л-основание ис|арифма Основание десятичных логарифмов 10 Вместо logiS N пишут lg N Основание натуральных логарифмов е : 2,718282 В лом случае пишут In N. Соотношение между десятичными и натуральными лоирифмами In N -- 2,302591gN; lg N 0,434291nN In 10- 2,10259, Ige 0,43429, lg 1 0, lg0~—oo, Iguo^a). lg’0~=l, lnc; 1 lg (PM) - lg P1 lg M; lg MT‘ - m IgM, Ig ~ = lg M - lg P; Ig^M - - ig M P m Действия co степенями и корнями Mm Mm Q"' -(M Q)m, Ум Q - Ум Уо ; M° UccimM/O), (Mm)4=M'"4, M УМ ; Q '</М - "Ум Qm , Q УО v Ум Ум<м-, УУм . "№1, Ум7--^ГЧ 122
Старинные меры (на всякий случай) «Без меры и лаптя не сплетешь» (народи ) Меры длины Миля русская (Петр I, 1724 г) = 7 верстам Верст а = 500 саженям ~ 1500 аршинам ® 1,0668 км Сажень = 3 аршинам = 7 футам я 2,1336 м Зршин ~ 4 четвертям = 16 вершкам = 28 дюймам » 71,12 см Четверть " 4 вершкам ~ 17,77 см Вершок - 4,445 см Фут - 12 дюймам = 30,48 см Дюйм = 10 линиям = 2,54 см Линия = 10 точкам = 2,54 мм Маховая сажень - для измерения обхвата ствола дерева - расстояние межд> концами пальцев рук, вытянутых в противоположных направлениях Косая сажень - для измерения высот - расстояние от каблука правой (левой) ноги до кончиков пальцев вытянутой вверх левой (правой) руки 11ядь - расстояние между концами раздвинутых пальцев руки (большого и указательного) Локоть ® 45 см Ноготь ® 1,25 см Ярд - 3 футам - 36 дюймам = 914,4 мм Митя английская ~ 1,609 км Миля морская - 1,852 км Кабельтов _ 185,2 м Узе f - скорость морского судна- морская миля/час, т е 1,852 км/час»0,51 м/с Парсек (пк) - расстояние, с которою радиус орбиты Земли виден под углом, равным одной секунде 1 нк - 3,086-1016 м Астрономическая единица длины (ас) среднее расстояние от Земли до Солнца - 1, 496 10* км Световой 1сд (св. год, лег) - расстояние, проходимое лучом света в вакууме та гол-9,460 1012 км Меры объёма жидких тел Ьочка - 40 ведрам ~ 491,96 л Ведро = 10 штофам » 12, 299 т Штоф = 2 бутылкам = 1,2299 л Бутылка - 2 сороковкам ® 0,61495 л Сороковка - 2,5 чарки ® 0,3075 л Чарка - 2 шкаликам ® 0,123 л Шкалик ® 0,0615 л = 61,5 мл Баррель (нефтяной) - 158,76 л Объём капли воды = 0,03- 0,05 мл Меры массы (веса) Берковец = 10 пудам Пуд = 40 фунтам ® 16,36 кг® 16 ki Фунт 96 золотникам = 409,512 г ~ 400 г Золотник = 96 долям » 4,266 г~ 4г Доля ~ 44,4 мг Фунг = 32 лотам Лот ® 12,8 i Унция ® 28,35 г Карат = 0,2 г = 200 мт Гран ® 64,8 мг 123
Линейные размеры Длины, расстояния Диаметр молекул? I кислорода, 1!М 0,3 Средняя ширина Красной площади в Москве, м 130 Среднее расстояние, проходи- мое молекулами кислорода между поспсдоаагельвыми со ударениями, при температ уре 20°С, нм Длина фильтрующегося вируса табачной мозаики, им 62 300 11р<>тяжённость Красной площади в Москве, м Расстояние да. Полярной тветды, ев.лет 695 460 Длина волны оранжевой линии в спектре газа криптона 86, нм 603,8 Расстояние от Земяь до блм жавшей seeytM (не <читая Солнца) а. 4(ентавра, св лет 4 2 Длина 1ИПИЧНОИ бактериальной клетки, мкм 3 Ширина железнодорожной кслси, см ) 52,4 Средний диаметр красных кро- вяных телец (эритроцитов), мкм 7,5 Длина железнодорожной шпалы, м 2 75 Диаметр белых кровяных телец (лейкоцитов), мкм 8 - 20 Длина цельномсталлическо- 1 о пассажирского вагона, м Длина инфузории, мкм 300 Ширина хоытейных ворот, м 1,8 Ширина спичечной коробки мм 37 Ширина футбольных ворот, м Длина спичечной коробки, мм 50 Ширина футбольного поля, м 64 /5 Длина четырехосного грузового вагона, м 13,5 Длина футбольного шшя, м mo- no Расстояние между теле, раф ними столбами, м Неровности поверхности окон- ного стекла, мкм Хоккейные ворсиа, м 60 Диаметр футбольною мяча, см Высоты Але тралийски е эвкалипт ы 0 2 0 6 (сам1ле высокие в мире ’ деревья), м 1,2 Телеграфный столб, м до 150 6 Футбольные ворота м 2,4 С граус м до 1,1 Железнодорожный вагон м 3,5 Жираф, м ДО 6 Падающая башня ч Пизе (И талия), м 54,5 Пирамида Хсоша (в настоя- щее время), м 1 ‘7 Искатели жемчуга при ныря- нии, м 1 'дубины Водолаз в мят ком до 30 скафандре, м до 180 Рекорд йотру жения батискафа в море, м 10919 Водолаз в жестком скафандре, м до 250 Наибольшая т дубина океана (Марианская впадина. Тихий океан), м 11022 I лубочайшая пропасть мира (Берже, французские Альпы) м 1128 Г лубочайшая шахта (золотой рудник Колдр в Индии), м 3500 _ 124
Массы некоторых тел, кг Атом углерода-12 1,992" И)26 Критическая масса чистого урана-235 48 Молекула воды 3,0 10"2" Первый искусственный спутник Земли 83,6 Молекула пенициллина 5,0 10"17 Луноход-1 756 Красное кровяное тельце Г 10 13 «Запорожец-966 В» 740 Бактериальная клетка 5- Ю"12 Волга ГАЗ-3110 1450 Типо1 рафская точка I 10 11 Слон до 4500 Крылышко мухи 5 10"8 Трактор К-700 11000 Колибри (наименьшая из 1,7-10 3 Ж/д грузовой вагон 22600 Монета 2 коп (СССР) 2-Ю3 Цельнометаллический пассажирский вагон 54000 Мячик для нас гольного тенниса 2,5 10 3 Самый большой из добытых китов 150 103 Випот радина 3 10 3 Электровоз ВЛ 10 184 103 Монета 3 коп (СССР) 3 10"’ Пизанская башня 14,2 106 Монета 5 коп (СССР) 5 10"3 Останкинская телебашня 55 106 ГТ V ! Пуля автомата Калашникова 79 10 ’ Высотное здание МГУ 5 Ю8 1 | Хоккейная шайба 0,16-0,17 Атмосфера Земли 5,1 10 8 I Футбольный мяч 0 4 I идросфера Земли 1 4 1021 । Диск спортивный (мужском) 2,0 Луна 7,4 10й Молот спор (явный 7,25 Земля 6,0 ю’4 Ядро спортивное (мужское) 7,26 Солнце 2,0-10’° Автомат Калашникова 3,6 Наша Галактика 2,2 МО41 125
Распространённость злементов в земной коре и мировом оксане массовых процентах О '+7,2 H 0,15 F Si 2/,6 Q 0,1 Zr Al 8,80 Mn 0,09 Cr Fe 5.10 s 0,09 V Ca 3,6 p 0.08 N Na 2,64 Ba 0,05 Cu К 2,60 Cl 0,045 Li Mg 2,10 Sr 0,004 Zn Ti 0,6 Rb 0,031 Ce Cs 10 * 11 3 10 4 Bi Ge 7 10 1 la 2- 104 Ag Be 6 10 4 Br 1,6 10 4 Hfe Sc 6 10 ’ W 1 104 Os As 5 10 4 Se 6 10 5 Pd В 3 10 4 Cd 5 10 ’ Те Mo 3 10 4 Sb 4 10 ' Ru u i 10 4 1 3 10 5 Au в ночных процентах 0.027 Sn 0,004 0,02 Со 0,003 0 02 V 0,0028 0,15 Nd 0,0025 0,01 La 0,0018 0,01 Pb 0,0016 0,0065 Ga 0,0015 0,005 Nb 0,001 0,0045 Gd 0,001 2 IO1 1 10 4 7 106 5 10 6 1 10* 1 106 5 10 7 5 10 7 Pt Re Rh Ra Ac Po Rii 5 10 1 10"7 1 10 7 О 58,0 Si 20,0 Al 6,6 H 3,0 Na 2,4 Fe 2,0 Ca 2,0 Mg К Ti p Mn s 2,0 1,4 0,25 0,15 0,05 0,032 0,032 F 0,028 Ba 0 006 Cl 0,026 Zr 0.004 N 0,025 Ni 0,0032 Sr 0,010 Cu 0,0036 Cr 0,008 Zn 0,0015 Rb 0,007 Co 0,0015 V 0 006 Be 0,0012 126
Названия некоторых кислот и их кислотных остатков Кислота Название кислоты Кислотный остаток i Название ; кислотное о остаз ка НА1О2 Метаалюминиевая АЮ2- Метаалюминат H3AsO4 Ортомышьяковая AsO43- Ортоарсенат Н3ВО3 Ортоборная ВО3’ Ортоборат Н2В4О7 Тетраборная В4ОЛ Тетраборат НВг Бромоводородная Вт Бромид НВгОз Бромноватая ВгО3~ _ Бромат НСООН Муравьиная НСОО Формиат СН3СООН Уксусная СН3СОО Ацетат HCN Циановодородная CN Цианид Н2СО3 Угольная СОз2~ Карбонат Н2С2О4 Щавелевая ’ С2О? А Оксалат НС! Хлороводородная ст Хлорид нею Хлорнова гистая С1 о __ Г ипохлорит _ НС1О2 Хлористая сю? Хлорит НСЛОз Хлорноватая ClOf Хлорат нсю4 Хлорная С164 Перхлорат н,сю4 Хромовая ~СгОЛ Хромат I!_(. г,О Двухромовая СгЮ? Дихромат ] Н!_ j Йодоводородная j Иодид । ПМпО, Марганцовая МпОл Перманганат 1 Н,МпО, Марганцовистая j МпО/ Манганат ! I1NO2 ! Азотистая no2 Нитрит j нмо, Азотная nto3_ Нитраг । 1ЬРО4 1 Оргофосфорная ро? Ортофосфат ! Дву фосфорная р,о<! Дифосфат (пирофосфорная) „(пирофосфат)_ i _ HoS J Сероводородная ’ s‘\ Сульфид 1 1 HSCN 1 Родановодородная scn~ Роданид | r Tlso j Сернистая soA Сульфш j i H2SO£ J Серная sd42' _ Сульфат i USA , Тиосерная §Юз2 Тиосульфат j [ H2SeO4 Селеновая _ SeO„2 ~ Селенат t HSiOj ] Кремниевая j sioA Силикат j
Растворимость в воде некоторых веществ (предельное содержание (i) сухого вещества в воде объёмом 100 на) Вещество Химическая формула Расгво[ 15° C ЖМ()С1Ь 100° c Нитрат аммония NHtNOi 173 1010 Сульфа 1 аммония (NK^O, 75,4 103.3 Хлорид аммония NH4C1 37,5 /7,3 Борная кислота HjBOj 4.3 40 Гидроксид натрия NaOH 109 347 Гидроксид калия KOH 11? 178 Железный купорос FeSO4 7H2O 23.5 37,3(90°) Нитрат калия KNO, 31,7 246 Бихром t а 1 in K2Cr2O7 9 102 Иолид калия KI 140 208 Пермашанат калия KMnO, 5,4 22,2(60°) Хлорид калия KC1 32,5 56,7 АЛЮМОК Mill) В II A12(SO4)3 K2SO4 24H2O 5,0 109(90°) Медный куиооос CuSOi 5H2(> 19,0 7°,4 I идрокароон 1 И! р> я (питьевая сода) ХАНСА «,9 J 6,4(60°) Сульфа! нлрия Ma2SO. 1011,0 13.1 42 Тиосульфа! натрия Na2S2Oj 5H2O 05,5 266 Карбонат натрия (кристаллическая сода) Na2CO, 10H2O 17 45 Хлорид naipHH NaCl 35.9 39,8 Сахар С;2Н22Ои 197 487 Нитрат свинца Pb(NO3)2 52,4 1 -H J 138,8 Нитрат серебра AgNO3 196 910 Сульфат цинка ZnSO4- 7H2O 50,7 J 663,6 128
Температура плавления различных веществ (при нормальном атмосферном давлении) Вещество Тпл °C Вещество тпл °C Алмаз >3500 Масло сливочное 28-33 Бензин <-60 Нафталин 80 Вазелин 37-52 Нефть = -60 Вода Н2О 0,00 Парафин 38-56 Вода тяжёлая D2O 3,82 Соль поваренная 770 Воздух -213 Скипидар -10 Воск пчелиный 61-64 Спирт этиловый С2Н5ОН -114,2 Глицерин -18 Стеарин 72 Керосин <-50 Эфир медицинский CHjOCHj -116,0 Температура кипения различных веществ (при нормальном атмосферном давлении) Вещество тки„ °C Вещество Ткип°с Бензин автомобильный 70-205 Керосин 150-300 Вода Н2О 100,00 Хлорид натрия 1467 Вода тяжелая D2O 101,43 Нафталин 217,9 Водный раствор NaCI (насыщенный) 108,8 Парафин 350-450 Воздух = -193 Скипидар 161 Глицерин 290 Спирт этиловый С2Н5ОН 78,3 Г рафит 4200 Эфир медицинский СН3ОСН3 34,6 129
Плотность жидкостей Жидкость р, кг/м3 Жидкость 1 р, кг/м3 Азот жидкий 850 ~ ~ Киеюрод жидкий _ W Алюминий расплав 2400 Кровь 1050 _ _Бензин noT’so, ОДёд 1345 ~ Вода пресная _ 1000 Молоко цельное 1030 _ В°Д3 морская 1010 1050 Масло касторовое 960 Вола тяжёлая пор Масло машинное 900-920 ' Водород жидкий 70 Масло_подсо;шече11ое 925 Воздух жидкий 960 Нефть 730-940 1 елий жидкий J 1 1S0 Ртуть жидкая i J3550 _ Iлицерин _ [ ' 1260 Свинец расплав 10500 Золото расплав 1 17240 Сливки _ _ 960 ’ _ Керосин | 790-820 1 Спирт Т1ИЛОВЫЙ 790 IllIOl ПОСТЕ твёрды! 1Л-Л Материал р, кг/м3 Материал р, кт/м’ Алмаз 3500 Пробка 220-26(Г Бетон 1800 2800 J Резина _910-1500 Бумага “/01М200 _ Сгеаршт_ 970-1000 Воск пчелиный ’ 960-980 Стекло оконное 2400-2700 Канифоль 1070“ Соль поваренная _ 2200 Лсд 880-920 7 Фарфор_ 2200-2500 •— . » - — — — . . . . >. — — — Мел 1800 2600 Шифер _280° Парафин '870-920 L_ Янтарь ПОЮ _ Плотность сплавов Сплав р, кг/м’ Сплав р, кг/м3 Бабби г 730О-10НЮ _ Нейзильбер 8й(упро Бронза 8700^890077 Никелин 8500 -Дюралюминий 7 270052900 Нихром- 81(10-^8400 Константан 8900 _ 11латино_ирндвер1.1и 21500 Латунь _ _ _ 830O-8W 1 Сталь 7700-7900 Манганин ' 8400-8500 | - Чугун 7000-7800 но
Плотность различных пород дерева Древесная порода р, кг/м3 Древесная порода р, кг/м3 Бакаут (железное дерево) 1100-1400 Красное дерево 600-800 Бальза 100-120 Липа сухая 450 _ Бамбук 400 Липа сырая 790 _ Берёза сухая 650 Сосна сухая 520 _ Берёза сырая 880 Сосна сырая 860 Дуб сухой _ 760 Тополь сухой 480 Дуб сырой , 1020 Тополь сырой 750 _ Ель сухая J 450 Черное дерево 1100-1300 Ель сырая ; 1 Ж» Ясень сухой 750 Клёнсухой ] J 750 Ясень сырой 920 “ Клён сырой J 1 960 1 . Средняя насыпная плотность некоторых материалов и продуктов । Материал Р Вага _ Гравий р, кг/м3 Материал р, кг/м3 80 Картофель 670 1500-1700 Мука 400-500 |_ Древесные опилки 150-200 Пшеница 760 1 _ Земля влажная 1900-2000 _ Рожь 720 [ Земля сухая 1400-1600 __ Свёкла, морковь 650 | Каменный уголь 800-850 Сено сухое 50 Мох 130 Сено слежавшееся __ 100 1 Песок сухой _ _ 1200-1650 _ Снег свежий __ 80-190 [ Песок сырой 2000-2200 Снег сырой 200-800 1 Сахарный песок 1600 Солома 40-100 Г Горох, кукуруза 700 Соль поваренная 700-800 Плотность некоторых пластмасс Пластмасса ! р, кг/м3 Пластмасса р, кг/м3 Г етипакс 1300-1400 Органическое стекло 1200 Найлон (капрон) 1100-1200 Полиэтилен 900-980 Лавсан _ । 1300-1400 Стеклотекстолит 1700-1800 Пенопласт _ | 40-220 Текстолит 1300-1600 Полистирол _ 1 1000-1100 Тефлон 2100-2300 Поливинилхлорид | 1200-1800 Эбонит 1200-1400 131
содержание Введение Неорганические вещества Упражнения и юдачч для самостоятельного решения Строение атомов химических элементов Промеры дня самостоятельного решения Химическая кияетока Химическое равновесие Упражнения и задачи для самостоятельного решения Рас гворы Упражнения и задачи для самостоятельного решения Электролиты. Сила, электролита. Ионные уравнения Упражнения и задачи дчч самостоятельного решения Диссоциация вода i Водородный показатель Упраэк нения и задачи дня самоспюяте итого решения Гидролиз < опей Упражнения и задачи для самостоятельного решения Дисперсное i ос гояние Дисперсные тела Дисперсные с истемы Коллоидные растворы Упражнения и задачи для самостоятельного решения Приложения (таблицы и справочные материалы) 5G 91 102 106 132
РАСТВОРИМОСТЬ СОЛЕЙ И ГИДРОКСИДОВ В ВОДЕ (при комнатной температуре) АНИОНЫ КАТИОНЫ н* Li* К* Na* NHa* Ва2* Са2+ Mg2* Sr2* А13* Сг3* Fe2* Fe3* Ni2* Со2* Мп2* Zn2* Ag* Hg2* РЬ2* Sn2* Си2* ОНГ р Р Р Р Р Р м н м н н н н н н н н — — н н н F р Р Р Р Р М н н м р н н н р р м р р м н р р СГ р Р Р Р Р Р р р р р р р р р р р р н р м р р Вг~ р Р Р Р Р Р р р р р р р р р р р р н м м р р Г р Р Р Р Р Р р р р р ? р ? р р р р н н н м р S2- р Р Р Р Р Р м н р — — н — н н н н н н н н н so,2 р Р Р Р Р М м м н ? — м ? н н ? м н н н ? ? SO?' р Р Р Р Р Н м р н р р р р р р р р м — н р р NO3- р Р Р Р Р Р р р р р р р р р р р р р р р — р NO, р Р Р Р Р Р р р р ? ? ? ? р м ? ? м ? ? ? ? РО43- р Н Р Р — Н н н н н н н н н н н н н н н н н СОз2- р Р Р Р Р Н н н н ? ? н ? н н н н н ? н ? н СНзСОО- р Р Р Р F р р р р — р р — р р р р р р р — р SiO,2 н Р Р Р ? н н н н ? ? н ? ? ? н н ? ? н ? ? “Р” - растворяется (>1 г наЮО г Н2О), “М” - мало растворяется (от 0,1 г до 1 г на 100 г Н2О), “—” - разлагается в воде, “Н” - не растворяется (<0,1 г на 100 г Н2О), “?” - нет достоверных сведений о существовании соединения.