«МОСКВА ИЗДАТЕЛЬСТВО МАШИНОСТРОЕНИЕ-1 2002 М.И. Лебедева, И.А. Анкудимова СБОРНИК ЗАДАЧ И УПРАЖНЕНИЙ ПО ХИМИИ С РЕШЕНИЕМ ТИПОВЫХ И УСЛОЖНЕННЫХ ЗАДАЧ МОСКВА ИЗДАТЕЛЬСТВО МАШИНОСТРОЕНИЕ-1 2002 УДК 54 (076.1) ББК Г1я73-1 ...»

М. И. Лебедева, И. А. Анкудимова

СБОРНИК ЗАДАЧ И

УПРАЖНЕНИЙ ПО ХИМИИ

С РЕШЕНИЕМ ТИПОВЫХ И

УСЛОЖНЕННЫХ ЗАДАЧ

МОСКВА

"ИЗДАТЕЛЬСТВО МАШИНОСТРОЕНИЕ-1"

2002

М.И. Лебедева, И.А. Анкудимова

СБОРНИК ЗАДАЧ И

УПРАЖНЕНИЙ ПО ХИМИИ

С РЕШЕНИЕМ ТИПОВЫХ И

УСЛОЖНЕННЫХ ЗАДАЧ

МОСКВА

"ИЗДАТЕЛЬСТВО МАШИНОСТРОЕНИЕ-1"

УДК 54 (076.1) ББК Г1я73- Л Рецензент Доцент кафедры неорганической и физической химии ТГУ им. Г. Р. Державина А. И. Рягузов Лебедева М. И., Анкудимова И. А.

Л Сборник задач и упражнений по химии с решением типовых и усложненных задач: Практикум.

Москва: "Изд-во Машиностроение-1", 2002. 166 с.

ISBN 5-94275-24565- Учебное пособие содержит большое число задач и вопросов по основным разделам курса общей и неорганической химии. Оно составлено по учебной программе курса "Химия". Эти задания необходимы преподавателю, студенту, ученику и абитуриенту для лучшего усвоения основных положений химии и закономерностей химических процессов.

Предназначено для студентов 1 курса нехимических вузов, учащихся средних школ, колледжей и преподавателей.

УДК 54 (076.1) ББК Г1я73- ISBN 5-94275-24565-4 © "Издательство Машиностроение-1", © Лебедева М. И., Анкудимова И. А., Учебное издание ЛЕБЕДЕВА Мария Ивановна АНКУДИМОВА Ирина Александровна

СБОРНИК ЗАДАЧ И УПРАЖНЕНИЙ

ПО ХИМИИ С РЕШЕНИЕМ ТИПОВЫХ И

УСЛОЖНЕННЫХ ЗАДАЧ

Практикум Редактор и технический редактор М. А. Евсейчева Компьютерное макетирование М. Н. Рыжковой Подписано к печати 04.10.2002.

Формат 60 84/18. Бумага офсетная. Печать офсетная.

Объем: 9,76 усл.печ.л.; 11,17 уч.изд.л.

Тираж 200 экз. С. 625М "Издательство Машиностроение-1", 107076, Москва, Стромынский пер., Подготовлено к печати и отпечатано в издательско-полиграфическом центре Тамбовского государственного технического университета, 392000, Тамбов, Советская, 106, к.

ПЕРИОДИЧЕСКАЯ СИСТЕМА

ЭЛЕМЕНТОВ Д. И. МЕНДЕЛЕЕВА

ОТ АВТОРОВ

Предлагаемый вниманию читателя сборник предназначен для студентов I - II курсов, изучающих курс "Химия", а также для учащихся средних учебных заведений, которые готовятся к олимпиадам и конкурсным вступительным экзаменам по химии в вузы.

Специфика пособия отражена уже в самом названии. В нем представлено большое число задач и вопросов, имеющих усложненный характер и которые необходимы преподавателю, студенту, абитуриенту и ученику. Приведены решения типовых и усложненных задач (последние в тексте помечены знаком *) представляется возможным использование этих задач при организации индивидуальной и самостоятельной работы студентов, что позволит им более глубоко усвоить основные положения химии и закономерности химических процессов.

Учебное пособие составлено с учетом многолетнего научно-педаго-гического опыта авторов в области организации и проведения учебного процесса по курсу "Химия" в Тамбовском государственном техническом университете. Сборник состоит из 9 глав, в каждой из которых выделены наиболее важные теоретические темы с методическими указаниями, и отражающими последовательность изложения материала в лекционных и лабораторных курсах. Изучение каждого раздела мы рекомендуем начинать с обязательного анализа решений типовых задач и только потом приступать к самостоятельному решению.

Предлагаемое пособие представляет собой переработанный сборник задач и упражнений по химии, составленный этими же авторами в 1993 г. В настоящем издании признано целесообразным: давать решения типовых и усложненных задач в начале каждой главы, которые наглядно демонстрируют наиболее общие приемы решений; включить таблицы наиболее важных физико-химических величин в тексте; расширить методические указания к каждой главе в связи с малым количеством учебников по курсу и т.д.

Замечания и предложения читателей направленные на улучшение качества учебного пособия будут приняты с благодарностью.

1 ОСНОВНЫЕ ЗАКОНЫ И ПОНЯТИЯ ХИМИИ

С 1961 г. в нашей стране введена Международная система единиц измерения (СИ). За единицу количества вещества принят моль.

Моль - количество вещества системы, содержащее столько молекул, атомов, ионов, электронов или других структурных единиц, сколько их содержится в 0,012 кг изотопа углерода С. Число структурных единиц, содержащихся в 1 моле вещества NА (число Авогадро), определено с большой точностью; в практических расчетах его принимают равным 6,02•1023 молекул (моль-1).

Нетрудно показать, что масса 1 моля вещества (мольная масса), выраженная в граммах, численно равна относительной молекулярной массе этого вещества, выражаемой в атомных единицах массы (а.е.м.). Например, относительная молекулярная масса кислорода (Мr) - 32 а.е.м., а мольная масса (М) г/моль.

Согласно закону Авогадро, в равных объемах любых газов, взятых при одной и той же температуре и одинаковом давлении, содержится одинаковое число молекул. Иными словами, одно и то же число молекул любого газа занимает при одинаковых условиях один и тот же объем. Вместе с тем, 1 моль любого газа содержит одинаковое число молекул. Следовательно, при одинаковых условиях 1 моль любого газа занимает один и тот же объем. Этот объем называется мольным объемом газа (V0) и при нормальных условиях (0 °С = 273 К, давлении 101,325 кПа = 760 мм рт. ст. = 1 атм) равен 22,4 дм3.

Объем, занимаемый газом при этих условиях, принято обозначать через V0, а давление - через Р0.

Согласно закону Бойля-Мариотта, при постоянной температуре давление, производимое данной массой газа, обратно пропорционально объему газа:

По закону Гей-Люссака при постоянном давлении объем газа изменяется прямо пропорционально абсолютной температуре (Т):

Зависимость между объемом газа, давлением и температурой можно выразить общим уравнением, объединяющим законы Бойля-Мариотта и Гей-Люссака:

где Р и V - давление и объем газа при данной температуре Т; P0 и V0 - давление и объем газа при нормальных условиях (н.у.).

Приведенное уравнение позволяет находить любую из указанных величин, если известны остальные.

П р и м е р 1 При 25 °С и давлении 99,3 кПа (745 мм рт.ст ) некоторый газ занимает объем см. Найдите, какой объем займет этот же газ при 0 °С и давлении 101,33 кПа?

Решение Подставляя данные задачи в уравнение (1.1.1) получим:

П р и м е р 2 Выразите в граммах массу одной молекулы СО2.

Решение Молекулярная масса СО2 равна 44,0 а.е.м. Следовательно, мольная масса СО2 равна 44, г/моль. В 1 моле СО2 содержится 6,02•1023 мо-лекул. Отсюда находим массу одной молекулы:

П р и м е р 3 Определите объем, который займет азот массой 5,25 г при 26 °С и давлении 98,9 кПа (742 мм рт.ст.).

Решение Определяем количество N2, содержащееся в 5,25 г:

Затем приводим полученный объем к указанным в задаче условиям:

1 Какова мольная масса следующих веществ: HNO3, Al(OH)3, Cr2O3, FeSO4, K2SO4, Na3PO4, NaCl, K2CO3? Определите число молей, содержащихся в 200 г каждого вещества.

2 Выразите в молях: а) 6,02•1024 молекул метана; б) 1,8•1028 атомов хлора; в) 3,01•1023 молекул диоксида углерода; г) 30,1•1025 молекул фосфина; д) 19,6 г серной кислоты.

3 Сравните число молекул аммиака и диоксида углерода, содержащихся в каждом из этих веществ, взятых массой по 2 г.

4 Сколько молекул содержит водород объемом 2 см3 (н.у.)?

5 Сколько молей диоксида углерода находится в воздухе объемом 100 м3 (н.у.), если объемная доля диоксида углерода в воздухе составляет 0,03%?

6 Определите объем (н.у.), который займут водород, метан, оксид углерода(II), оксид азота(II) и кислород, взятых массой по 1,0 г.

7 Сколько молей содержит любой газ объемом 1 м3 (н.у.)?

8 Какой объем (н.у.) займут газы: азот, кислород, оксид углерода(IY), оксид углерода(II), массы которых соответственно равны 56, 640, 110, 70 г?

9 Вычислите объем газа (н.у.), если при 91 °С и давлении 98642 Па газ занимает объем 608 см3.

10 При 25 °С и давлении 85312 Па газ занимает объем 820 см3. Вычислите объем газа (н.у.).

11 Вычислите объем газа (н.у.), если при 15 °С и давлении 95976 Па газ занимает объем 912 см3.

12 При 91 °С и давлении 98,7 кПа некоторый газ занимает объем 0,4 дм3. Вычислите объем газа (н.у.).

13 При 27 °С и давлении 720 мм рт.ст. объем газа равен 5 дм3. Какой объем займет этот газ при °С и давлении 104 кПа?

14 При 7 °С давление газа в закрытом сосуде равно 96,0 кПа. Каким станет давление, если охладить сосуд до -33 °С?

15 Какой объем займет воздух при 0 °С и давлении 93,3 кПа, если при н.у. он занимает объем Чтобы определить молекулярную массу вещества (а.е.м.), обычно находят численно равную ей мольную массу вещества (г/моль).

А Определение молекулярной массы по плотности газа П р и м е р 4 Плотность газа по воздуху равна 1,17. Определите молекулярную массу газа.

Решение Из закона Авогадро следует, что при одном и том же давлении и одинаковых температурах массы (m) равных объемов газов относятся как их мольные массы (М):

где D - относительная плотность первого газа по второму.

Следовательно, по условию задачи:

Средняя мольная масса воздуха М2 равна 29,0 г/моль. Тогда:

что соответствует молекулярной массе, равной 33,9 а.е.м.

П р и м е р 5 Найдите плотность по азоту воздуха, имеющего следующий объемный состав: 20, % О2; 79,0 % N2; 1,0 % Ar.

Решение Поскольку объемы газов пропорциональны их количествам (закон Авогадро), то среднюю мольную массу смеси можно выразить не только через моли, но и через объемы:

Возьмем 100 дм3 смеси, тогда V(O2) = 20 дм3, V(N2) = 79 дм3, V(Ar) = = 1 дм3. Подставляя эти значения в формулу (1.2.2) получим:

Плотность по азоту получается делением средней мольной массы смеси на мольную массу азота:

Б Определение молекулярной массы газа по мольному объему П р и м е р 6 Определите молекулярную массу газа, если при нормальных условиях газ массой 0,824 г занимает объем 0,260 дм3.

Решение При нормальных условиях 1 моль любого газа занимает объем 22,4 дм3, газа = 0,26/22,4 = 0,0116 моль, а мольная масса равна 0,824/0,0116 = = 71 г/моль.

Следовательно, мольная масса газа равна 71,0 г/моль, а его молекулярная масса 71,0 а.е.м.

В Определение молекулярной массы по уравнению Менделеева-Клапейрона Уравнение Менделеева-Клапейрона (уравнение состояния идеального газа) устанавливает соотношение массы (m, кг), температуры (Т, К), давления (Р, Па) и объема (V, м3) газа с его мольной массой (М, кг/моль):

где R - универсальная газовая постоянная, равная 8,314 Дж/(моль•К). Пользуясь этим уравнением, можно вычислить любую из входящих в него величин, если известны остальные.

П р и м е р 7 Вычислите молекулярную массу бензола, зная, что масса 600 см3 его паров при °С и давлении 83,2 кПа равна 1,30 г.

Решение Выразив данные задачи в единицах СИ (Р = 8,32•104 Па; V = = 6•10-4 м3 ; m = 1,30•10-3кг;

Т = 360 К) и, подставив их в уравнение (1.2.3), найдем:

Молекулярная масса бензола равна 78,0 а.е.м.

Задачи 16 Вычислите молекулярную массу газа, если относительная плотность его по воздуху равна 1,45.

17 Вычислите молекулярные массы газов, если: а) плотность газа по кислороду равна 0,50; б) плотность газа по азоту равна 0,93.

18 Какие газы тяжелее, а какие легче воздуха и во сколько раз: CO2, NO2, CO, Cl2, NH3?

19 Определите плотность газовой смеси по водороду, если смесь состоит из кислорода и азота объемами 56 дм3 и 28 дм3 (н.у.) соответственно.

20 Чему равна плотность по водороду светильного газа, имеющего следующий объемный состав:

21 Для паров одноосновной органической кислоты предельного ряда D(возд) = 4. Найдите мольную массу кислоты и напишите ее формулу.

22 При некоторой температуре плотность по воздуху паров серы равна 6,62, а паров фосфора- 4,28.

Из скольких атомов состоят молекулы серы и фосфора при этих условиях?

23 Масса газа объемом 0,001 м3 (н.у.) равна 0,0021 кг. Определите мольную массу газа и его плотность по воздуху.

24 Плотность этилена по кислороду равна 0,875. Определите молекулярную массу этилена.

25 Дана смесь диоксида углерода и кислорода объемом 11,2 дм3. Плотность смеси по водороду равна 8,25. Определите объемный состав смеси.

26 Определите плотность по водороду смеси гелия и кислорода объемами 300 дм3 и 100 дм3 (н.у.) соответственно.

27 Найдите состав смеси кислорода и озона в массовых долях, если плотность по водороду этой смеси равна 17,6.

28 Определите плотность по водороду газовой смеси, в которой массовая доля диоксида серы составляет 60%, а диоксида углерода - 40%.

29 Вычислите массу: а) 2 дм3 Н2 при 15 °С и давлении 100,7 кПа (755 мм рт. ст.); б) 1 м3 N2 при °С и давлении 102,9 кПа (772 мм рт. ст.); в) 0,5м3 С12 при 20 °С и давлении 99,9 кПа (749,3 мм рт. ст.).

30 Определите объем, который займет N2 массой 0,07 кг при 21 °С и давлении 142 кПа (1065 мм рт. ст.).

31. Вычислите мольную массу ацетона, если масса его паров объемом 500 см3 при 87 °С и давлении 96 кПа (720 мм рт.ст) равна 0,93 г.

32 Масса газа объемом 624 см 3 при 17 °С и давлении 104 кПа (780 мм рт. ст.) равна 1,56 г. Вычислите молекулярную массу газа.

33 Какой объем займет воздух массой 1 кг при 17 °С и давлении 101325 Па?

34 Газометр вместимостью 20 дм3 наполнен газом под давлением 103,3 кПа (774,8 мм рт.ст.) при °С. Плотность этого газа по воздуху равна 0,4. Вычислите массу газа, находящегося в газометре.

35 Вычислите молекулярную массу хлора, если масса хлора объемом 250 см3 при 0 °С и давлении 101325 Па равна 0,7924 г.

36 Масса колбы вместимостью 750 см3, наполненной при 27 °С кислородом, равна 83,3 г. Масса пустой колбы составляет 82,1 г. Определите давление кислорода в колбе.

37 Вычислите массу воздуха объемом 1 м3 при 17 °С и давлении 83,2 кПа (624 мм рт. ст.).

38 Вычислите при каком давлении азот массой 5 кг займет объем 50 дм3,если температура равна 500 °С.

39 В баллоне емкостью 40 м3 при давлении 106640 Па находится диоксид углерода массой 77 кг.

Вычислите температуру газа.

40 Баллон емкостью 20 м3 содержит кислород массой 30 кг при температуре 20 °С. Определите давление газа в баллоне.

41. Масса газа объемом 344 см3 при 42 °С и давлении 102908 Па равна 0,865 г. Вычислите молекулярную массу газа.

42 Масса паров метанола объемом 85,5 см3 при 91 °С и давлении 102344 Па составляет 0,0925 г.

Вычислите молекулярную массу метанола.

43 Чему равно атмосферное давление на вершине Казбека, если при 0 °С масса 1 дм3, взятого там воздуха, равна 700 мг?

44 Определите объем: а) водорода массой 20 г при 27 °С и давлении 740 мм рт. ст.; б) азота массой 0,07 кг при 21 °С и давлении 142 кПа (1065 мм рт.ст).

45 Вычислите массу: а) водорода объемом 3 дм3 при 25 °С и давлении 110,7 кПа (830 мм рт. ст.); б) азота объемом 2 м3 при 30 °С и давлении 102,9 кПа (772 мм рт. ст.); в) хлора объемом 0,3 м3 при 20 °С и давлении 90,9 кПа (681,8 мм рт.ст. ); г) аммиака объемом 80 дм3 при 30 °С и давлении 98,66 кПа ( мм рт.ст.).

46 Определите молекулярную массу вещества в газообразном состоянии, если известно, что масса вещества объемом 400 см3 при 360 К и давлении 93,2 кПа равна 0,35 г.

47 Определите мольные массы газов, если: а) газ объемом 0,25 дм3 при 290 К и давлении 106,4 кПа (800 мм рт.ст.) имеет массу 0,32 г; б) газ объемом 1,56 дм3 при 290 К и давлении 103,7 кПа (780 мм рт.ст.) имеет массу 2,96 г; в) газ объемом 2 дм3 (н.у.) имеет массу 3,93 г.

48 Сколько дм3 диоксида углерода при 0 °С и давлении 101325 Па образуется при сгорании угля массой 300 г? Какой объем воздуха для этого потребуется?

49 Плотность смеси кислорода и озона по водороду равна 17. Определите массовую и объемную долю кислорода в смеси.

50 При н.у. 12 дм3 газовой смеси, состоящей из аммиака и оксида углерода(IY), имеют массу 18 г.

Вычислите объем каждого газа в смеси.

Формулы веществ показывают, какие элементы и в каком количестве входят в состав вещества.

Различают формулы простейшие и молекулярные. Простейшая формула выражает наиболее простой возможный атомный состав молекул вещества, соответствующий отношениям масс между элементами, образующими данное вещество. Молекулярная формула показывает действительное число атомов каждого элемента в молекуле (для веществ молекулярного строения).

Для вывода простейшей формулы вещества достаточно знать его состав и атомные массы образующих данное вещество элементов.

П р и м е р 8 Определите формулу оксида хрома, содержащего 68,4 % хрома.

Решение Обозначим числа атомов хрома и кислорода в простейшей формуле оксида хрома соответственно через x и y. Формула оксида CrхOy. Содержание кислорода в оксиде хрома 31,6 %.

Тогда:

Чтобы выразить полученное отношение целыми числами, разделим полученные числа на меньшее число:

а затем умножим обе величины последнего отношения на два:

Таким образом, простейшая формула оксида хрома Cr2O3.

П р и м е р 9 При полном сжигании некоторого вещества массой 2,66 г образовались СО2 и SO массами 1,54 г и 4,48 г соответственно. Найдите простейшую формулу вещества.

Решение Состав продуктов горения показывает, что вещество содержало углерод и серу. Кроме этих двух элементов, в состав его мог входить и кислород.

Массу углерода, входившего в состав вещества, найдем по массе образовавшегося СО2. Мольная масса СО2 равна 44 г/моль, при этом в 1 моле СО2 содержится 12 г углерода. Найдем массу углерода m, содержащуюся в 1,54 г СО2:

Вычисляя аналогично массу серы, содержащуюся в 4,48 г SO2, получаем 2,24 г.

Так как масса серы и углерода равна 2,66 г, то это вещество не содержит кислорода и формула вещества СхSy:

Следовательно, простейшая формула вещества СS2.

Для нахождения молекулярной формулы вещества необходимо, кроме состава вещества, знать его молекулярную массу.

П р и м е р 10 Газообразное соединение азота с водородом содержит 12,5 % (масс.) водорода.

Плотность соединения по водороду равна 16. Найдите молекулярную формулу соединения.

Решение Искомая формула вещества NхHу:

Простейшая формула соединения NH2. Этой формуле отвечает молекулярная масса, равная 16 а.е.м.

Истинную молекулярную массу соединения найдем, исходя из его плотности по водороду:

Следовательно, формула вещества N2Н4.

П р и м е р 11 При прокаливании кристаллогидрата сульфата цинка массой 2,87 г его масса уменьшилась на 1,26 г. Установите формулу кристаллогидрата.

Решение При прокаливании происходит разложение кристаллогидрата:

М(ZnSO4) = 161 г/моль; М(Н2О) = 18 г/моль.

Из условия задачи следует, что масса воды составляет 1,26 г, а масса ZnSO4 равна (2,87-1,26) = 1,61г.Тогда количество ZnSO4 составит: 1,61/161= = 0,01 моль, а число молей воды 1,26/18 = 0,07 моль.

Следовательно, на 1 моль ZnSO4 приходится 7 молей Н2О и формула кристаллогидрата ZnSO4•7Н2О П р и м е р 12 Найдите массу серной кислоты, необходимую для полной нейтрализации гидроксида натрия массой 20 г.

Решение Уравнение реакции:

М(H2SO4) = 98 г/моль; М(NaOH) = 40 г/моль.

По условию: (NaOH) = 20/40 = 0,5 моль. Согласно уравнению реакции 1 моль H2SO4 реагирует с молями NaОH, с 0,5 моль NaOH реагирует 0,25 моль H2SO4 или 0,25•98 = 24,5 г.

П р и м е р 13 В токе хлора сожгли смесь медных и железных опилок массой 1,76 г; в результате чего получилась смесь хлоридов металлов массой 4,60 г. Рассчитайте массу меди, вступившей в реакцию.

Решение Реакции протекают по схемам:

М(Cu) = 64 г/моль; М(Fe) = 56 г/моль; М(CuCl2) = 135 г/моль;

М(FeCl3) = 162,5 г/моль.

Обозначим содержание меди в смеси через х г. Тогда содержание железа в смеси составит (1,76 - х) г. Из уравнений (1,2) следует, что масса образующегося хлорида меди(II) "а" составит а = 135х/64 г, масса хлорида железа(III) "b" составит b = (1,76 - х)•162,5/56 г.

По условию задачи масса смеси хлоридов меди(II) и железа(III), т.е. а + b = 4,60 г. Отсюда 135х/64 + 162,5• (1,76 - х)/56 = 4,60.

Следовательно, х = 0,63, то есть масса меди 0,63 г.

П р и м е р 14 При обработке смеси гидроксида и гидрокарбоната калия избытком раствора соляной кислоты образовался хлорид калия массой 22,35 г и выделился газ объемом 4,48 дм3 (н.у.).

Рассчитайте состав исходной смеси (, %).

Решение Уравнения реакций:

M(KHCO3) = 100 г/моль; М(KCl) = 74,5 г/моль;

М(KOH) = 56 г/моль.

По условию задачи объем газа (CO2) по реакции (1) равен 4,48 дм3 или 0,2 моль. Тогда из уравнения реакции (1) следует, что исходное количество в смеси гидрокарбоната калия составляет 0,2 моль или 0,2•100 = 20 г и образуется такое же количество 0,2 моль KCl или 0,2•74,5 = 14,9 г.

Зная общую массу KСl, образующегося в результате реакций (1 и 2) можно определить массу КСl, образующуюся по реакции (2). Она составит 22,35 - 14,9 = 7,45 г или 7,45/74,5 = 0,1 моль. На образование 0,1 моль КСl по реакции (2) потребуется такое же количество КОН, то есть 0,1 моль или 0,1•56 = 5,60 г. Следовательно, содержание исходных компонентов в смеси составит:

51 При разложении карбоната металла(II) массой 21,0 г выделился СО2 объемом 5,6 дм3 (н.у.).

Установите формулу соли.

52 Найдите формулы соединений, имеющих состав в массовых долях процента: а) серы - 40 и кислорода - 60; б) железа - 70 и кислорода - 30; в) хрома - 68,4 и кислорода - 31,6; г) калия - 44,9; серы и кислорода - 36,7; д) водорода - 13,05; кислорода - 34,78 и углерода - 52,17; е) магния - 21,83;

фосфора - 27,85 и кислорода - 50,32.

53 Определите формулы соединений, имеющих состав в массовых долях процента: а) калия хрома - 35,35 и кислорода - 38,12; б) цинка - 47,8 и хлора - 52,2; в) серебра - 63,53; азота - 8,24 и кислорода - 28,23; г) углерода - 93,7; водорода - 6,3.

54 Определите простейшие формулы минералов, имеющих состав в массовых долях процента: а) меди - 34,6; железа - 30,4; серы - 35,0; б) кальция - 29,4; серы - 23,5; кислорода - 47,1; в) кальция - 40,0;

углерода - 12,0; кислорода - 48,0; г) натрия - 32,9; алюминия - 12,9; фтора - 54,2.

55 Установите формулы: а) оксида ванадия, если оксид массой 2,73 г содержит металл массой 1, г: б) оксида ртути, если при полном разложении его массой 27 г выделяется кислород объемом 1,4 дм (н.у.)?

56 Установите формулу вещества, состоящего из углерода, водорода и кислорода в отношении масс соответственно 6 : 1 : 8, если плотность паров его по воздуху равна 2,07.

57 Определите формулу соединения, имеющего состав в массовых долях процента металла - 38,71;

фосфора - 20,00; кислорода - 41,29.

58 Найдите формулу соединения с мольной массой 63 г/моль, имеющего состав в массовых долях процента: водорода - 1,59; азота - 22,21 и кислорода - 76,20.

59 Установите формулу соединения (М = 142 г/моль), имеющего состав в массовых долях процента: серы - 22,55; кислорода - 45,02 и натрия - 32,43.

60 Найдите формулу соединения (М = 84 г/моль), имеющего состав в массовых долях процента:

магния - 28,5; углерода - 14,3; кислорода - 57,2.

61 Найдите формулу соединения (М = 136 г/моль), имеющего состав в массовых долях процента:

кальция - 29,40; водорода - 0,74; фосфора - 22,80; кислорода - 47,06.

62 Установите формулу соединения (М = 102 г/моль), имеющего состав в массовых долях процента: алюминий- 52,9; кислород - 47,1.

63 При сжигании в кислороде вещества массой 3,4 г образовались азот и вода массой 2,8 г и 5,4 г соответственно. Установите формулу вещества.

64. Найдите формулу соединения (М = 310 г/моль), имеющего состав в массовых долях процента:

кальция - 38,75; фосфора - 20,00; кислорода - 41,25.

65 Найдите формулу углеводорода, имеющего состав в массовых долях процента: углерода водорода - 17,24. В газообразном состоянии углеводород объемом 1,12 дм3 (н.у.) имеет массу 2, 66 Найдите формулу соединения бора с водородом (борана), имеющего состав в массовых долях процента: бора - 78,2; водорода - 21,8; если масса 1 дм3 этого газа равна массе 1 дм3 азота (н.у.).

67 Найдите формулу вещества, имеющего состав в массовых долях процента: углерода - 93,75;

водорода - 6,25. Плотность этого вещества по воздуху равна 4,41.

68 Найдите формулу вещества, если его плотность по водороду равна 49,5; а состав выражается в массовых долях процента: углерода - 12,12; кислорода - 16,16; хлора - 71,72.

69 При сгорании углеводорода массой 4,3 г образовался диоксид углерода массой 13,2 г.

Плотность пара углеводорода по водороду равна 43. Какова формула углеводорода?

70 При полном сгорании соединения серы с водородом образуется вода и диоксид серы массами 3,6 г и 12,8 г соответственно. Установите формулу исходного вещества.

71 Какова формула кремневодорода (силана), если известно, что при сжигании его массой 6,2 г образуется диоксид кремния массой 12,0 г? Плотность кремневодорода по воздуху равна 2,14.

72 При полном сгорании органического вещества массой 13,8 г образовались диоксид углерода и вода массами 26,4 г и 16,2 г соответственно. Плотность пара этого вещества по водороду равна 23.

Определите формулу вещества.

73 При сжигании неизвестного вещества массой 5,4 г в кислороде образовались азот, диоксид углерода и вода массами 2,8 г; 8,8 г; 1,8 г соответственно. Определите формулу вещества, если его мольная масса равна 27 г/моль.

74 Массовые доли оксидов натрия, кальция и кремния (IV) в оконном стекле составляют соответственно 13,0; 11,7 и 75,3 %. Каким мольным отношением этих оксидов выражается состав стекла?

75 Установите формулу кристаллогидрата сульфата натрия, если потеря массы при прокаливании составляет 55,91 % от массы кристаллогидрата.

76 Установите формулу кристаллогидрата хлорида бария, если при прокаливании соли массой 36, г потеря в массе составила 5,4 г.

77 Найдите формулу кристаллогидрата сульфата железа(II), если при прокаливании соли массой 2,78 г потеря в массе составила 1,26 г.

78 Остаток после прокаливания кристаллогидрата сульфата меди(II) массой 25 г составил 16 г.

Установите формулу кристаллогидрата.

79 При обезвоживании кристаллогидрата хлорида меди(II) массой 1,197 г потеря в массе составила 0,252 г. Установите формулу кристаллогидрата.

80 Найдите формулу кристаллогидрата хлорида кальция, если при прокаливании его массой 5,88 г выделилась вода массой 1,44 г.

81 Найдите формулу кристаллогидрата карбоната натрия, если при прокаливании его массой 14,3 г образуется карбонат натрия массой 5,3 г.

82 В состав алюмокалиевых квасцов входит кристаллизационная вода с массовой долей 45,5 %.

Вычислите, сколько молей воды приходится на один моль KAl(SO4)2.

83 Определите формулу кристаллогидрата, в котором массовые доли эле-ментов составляют: магния - 9,8 %; серы - 13,0 %; кислорода - 26,0 %; воды - 51,2 %.

84 Установите формулу кристаллогидрата, состав которого выражается в массовых долях процента: железа - 20,14; серы - 11,51; кислорода - 63,35; водорода - 5,00.

85 Найдите формулу кристаллической соды, имеющей состав в массовых долях процента: натрия углерода - 4,20; кислорода - 72,72; водорода - 7,00.

86 Установите формулу кристаллогидрата сульфата кальция, если при прокаливании кристаллогидрата массой 1,72 г потеря массы составила 0,36 г.

87 В азотной кислоте растворили гидроксид цинка массой 1,98 г и из полученного раствора выкристаллизовали кристаллогидрат соли массой 5,94 г. Установите формулу этого кристаллогидрата.

88 Определите формулу карналлита xKCl•yMgCl2•zH2O, если известно, что при прокаливании 5, г его масса уменьшилась на 2,16 г; а при прокаливании осадка полученного действием раствора щелочи на раствор, содержащий столько же соли, потери составляют 0,36 г.

89 В состав соединения входят углерод, водород, хлор и сера. При сжигании этого вещества массой 1,59 г образуется диоксид углерода и вода массами 1,76 г и 0,72 г соответственно. При растворении этого вещества массой 0,477 г и добавлении к раствору нитрата серебра образуется осадок массой 0,861 г. Мольная масса вещества равна 159 г/моль. Установите формулу вещества.

90 Определите формулу двойного сульфата железа(III) и аммония, если известно, что при растворении его массой 19,28 г в воде и последующем добавлении избытка концентрированного раствора NaOH выделяется газ объемом 896 см3 (н.у.) и образуется бурый осадок, при прокаливании которого масса остатка составляет 3,20 г.

91 Определите формулу соединения, в котором массовые доли элемен-тов составляют: металла серы - 24 %; кислорода - 48 %.

92 Природный кристаллогидрат содержит кристаллизационную воду и соль с массовыми долями 56 % и 44 % соответственно. Выведите формулу кристаллогидрата, если известно, что соль, входящая в состав кристаллогидрата окрашивает пламя в желтый цвет и с раствором хлорида бария образует белый, нерастворимый в воде и кислотах, осадок.

93 Вычислите объем водорода (н.у.), который выделится при взаимодействии алюминия массой 2,7 г с раствором, содержащим КОН массой 20 г.

94 При взаимодействии металла (II) массой 6,85 г с водой выделился водород объемом 1,12 дм (н.у.). Определите металл.

95 К раствору, содержащему сульфат железа (III) массой 40 г, прибавили раствор, содержащий NаОН массой 24 г. Какова масса образовавшегося осадка?

96 Какую массу карбоната кальция следует взять, чтобы полученным при его разложении диоксидом углерода наполнить баллон емкостью 40 дм3 при 188 К и давлении 101,3 кПа?

97 Бертолетова соль при нагревании разлагается с образованием хлорида калия и кислорода. Какой объем кислорода при 0 °С и давлении 101325 Па можно получить из одного моля бертолетовой соли?

98 Определите массу соли, образующейся при взаимодействии оксида кальция массой 14 г с раствором, содержащим азотную кислоту массой 35 г.

99 К раствору, содержащему хлорид кальция массой 0,22 г, прибавили раствор, содержащий нитрат серебра массой 2,00 г. Какова масса образовавшегося осадка? Какие вещества будут находиться в растворе?

100 При действии соляной кислотой на неизвестный металл массой 22,40 г образуется хлорид металла(II) и выделяется газ объемом 8,96 дм3 (н.у.). Определите неизвестный металл.

101 Вычислите содержание примесей в массовых долях процента в известняке, если при полном прокаливании его массой 100 г выделился диоксид углерода объемом 20 дм3 (н.у.).

102 Какая масса алюминия потребуется для получения водорода, необходимого для восстановления оксида меди (II), получающегося при термическом разложении малахита массой 6,66 г?

103 На восстановление оксида неизвестного металла (III) массой 3,2 г потребовался водород объемом 1,344 дм3 (н.у.). Металл потом растворили в избытке раствора соляной кислоты, при этом выделился водород объемом 0,896 дм3 (н.у.). Определите металл и напишите уравнения соответствующих реакций.

104 При взаимодействии галогенида кальция массой 0,200 г с раствором нитрата серебра образовался галогенид серебра массой 0,376 г. Определите, какая соль кальция была использована.

105 Смесь хлоридов натрия и калия массой 0,245 г растворили в воде и на полученный раствор подействовали раствором нитрата серебра. В результате реакции образовался осадок массой 0,570 г.

Вычислите массовые доли (%) хлоридов натрия и калия в смеси.

106 Смесь фторидов натрия и лития массой 4 г обработали при нагревании концентрированной серной кислотой. При этом получили смесь сульфатов металлов массой 8 г. Определите содержание солей в исходной смеси в массовых долях процента.

107 Определите состав смеси (, %) NaHCO3, Na2CO3, NaCl, если при нагревании ее массой 10 г выделяется газ объемом 0,672 дм3 (н.у.), а при взаимодействии с соляной кислотой такой же массы смеси выделяется газ объемом 2,016 дм3 (н.у.).

108 Определите состав смеси (, %), образующейся при взаимодействии порошкообразного алюминия массой 27 г с оксидом железа (III) массой 64 г.

109 После добавления хлорида бария в раствор, содержащий смесь сульфатов натрия и калия массой 1,00 г, образовался сульфат бария массой 1,49 г. В каком соотношении смешаны сульфаты натрия и калия?

110 К водному раствору сульфатов алюминия и натрия массой 9,68 г добавили избыток раствора нитрата бария, при этом выпал осадок массой 18,64 г. Вычислите массу сульфатов алюминия и натрия в исходной смеси.

111 При взаимодействии сплава цинка и магния массой 20 г с избытком раствора серной кислоты образовалась смесь сульфатов данных металлов массой 69 г. Определите состав сплава в массовых долях процента.

112 Сплав алюминия и магния массой 3,00 г смешивают с избытком оксида хрома(III) и поджигают. В результате образуется хром массой 5,55 г. Определите состав исходной смеси (, %).

113 Смесь угарного и углекислого газов объемом 1 дм3 (н.у.) имеет массу 1,43 г. Определите состав смеси в объемных долях (%).

114 Какая масса известняка, содержащего карбонат кальция ( = 90 %) потребуется для получения 10 т негашеной извести?

115 При обработке раствором NaOH смеси алюминия и оксида алюминия массой 3,90 г выделился газ объемом 840 см3 (н.у.). Определите состав смеси (, %).

Количество элемента или вещества, которое взаимодействует с 1 молем атомов водорода (1 г) или замещает это количество водорода в химических реакциях называется эквивалентом данного элемента или вещества.

Эквивалентной массой (Мэ) называется масса 1 эквивалента вещества.

П р и м е р 15 Определите эквивалент и эквивалентные массы брома, кислорода и азота в соединениях HBr, H2O, NH3.

Решение В указанных соединениях с 1 молем атомов водорода соединяется 1 моль атомов брома, 1/2 моль атомов кислорода и 1/3 моль атомов азота. Следовательно, согласно определению, эквиваленты брома, кислорода и азота равны соответственно 1 молю, 1/2 моля и 1/3 моля.

Исходя из мольных масс атомов этих элементов, найдем, что эквивалентная масса брома равна 79, г/моль, кислорода - 16•1/2 = 8 г/моль, азота - 14•1/3 = 4,67 г/моль.

Эквивалентную массу можно вычислить по составу соединения, если известны мольные массы (М):

1) Мэ(элемента): Мэ = А/В, где А - атомная масса элемента, В - валентность элемента;

2) Мэ(оксида) = Мэ(элем.) + 8, где 8 - эквивалентная масса кислорода;

3) Мэ(гидроксида) = М/n(он-), где n(он-) - число групп ОН- ;

4) Мэ(кислоты) = М/n(н+), где n(н+) - число ионов Н+.

5) Мэ(соли) = М/nмеВме, где nме - число атомов металла; Вме - валентность металла.

П р и м е р 16 Определите эквивалентные массы следующих веществ Al, Fe2O3, Ca(OH)2, H2 SO4, CaCO3.

Решение Мэ(Аl)= А/В = 27/3 = 9 г/моль; Мэ(Fe2O3) = 160/2•3 = = 26,7 г/моль; Мэ(Са(ОН)2) = 74/2 = 37 г/моль; Мэ(Н2SO4) = 98/2 = 49 г/моль; Мэ(СаСО3) = 100/1•2 = 50 г/моль; Мэ(Al2(SO4)3) = 342/2•3= 342/6 = 57 г/моль.

П р и м е р 17 Вычислите эквивалентную массу Н2SO4 в реакциях:

Решение Эквивалентная масса сложного вещества, как и эквивалентная масса элемента, могут иметь различные значения, и зависят от того в какую химическую реакцию вступает данное вещество.

Эквивалентная масса серной кислоты равна мольной массе, деленной на число атомов водорода, замещенных в данной реакции на металл. Следовательно, Мэ(Н2SO4) в реакции (1) равна 98 г/моль, а в реакции (2) - 98/2 = = 49 г/моль.

При решении некоторых задач, содержащих сведения об объемах газообразных веществ, целесообразно пользоваться значением эквивалентного объема (Vэ).

Эквивалентным объемом называется объем, занимаемый при данных условиях 1 эквивалентном газообразного вещества. Так для водорода при н.у. эквивалентный объем равен 22,4•1/2 = 11,2 дм3, для кислорода - 5,6 дм3.

Согласно закону эквивалентов массы (объемы) реагирующих друг с другом веществ m1 и m пропорциональны их эквивалентным массам (объемам):

Если одно из веществ находится в газообразном состоянии, тогда:

П р и м е р 18 При сгорании металла массой 5,00 г образуется оксид металла массой 9,44 г.

Определите эквивалентную массу металла.

Решение Из условия задачи следует что, масса кислорода равна разности 9,44 г - 5,00 г = 4,44 г.

Эквивалентная масса кислорода равна 8,0 г/моль. Подставляя эти значения в выражение (1.4.1) получим:

П р и м е р 19 При окислении металла(II) массой 16,7 г образовался оксид массой 21,5 г.

Вычислите эквивалентные массы: а) металла; б) его оксида. Чему равна мольная масса: в) металла; г) оксида металла?

Решение m(O2) в оксиде составит: 21,54 - 16,74 = 4,80 г. В соответствии с законом эквивалентов получим:

Эквивалентная масса оксида равна сумме эквивалентных масс металла и кислорода и составит 27, + 8,00 = 35,90 г/моль.

Мольная масса металла(II) равна произведению эквивалентной массы на валентность (2) и составит 27,90•2 = 55,80 г/моль. Мольная масса оксида металла(II) составит 55,8 + 16,0 = 71,8 г/моль.

П р и м е р 20 Из нитрата металла массой 7,27 г получается хлорид массой 5,22 г. Вычислите эквивалентную массу металла.

Решение Так как эквивалентная масса нитрата (хлорида) металла равна сумме эквивалентных масс металла (х) и кислотного остатка нитрата (хлорида), то по закону эквивалентов с учетом условия задачи получим:

П р и м е р 21 Из сульфата металла(II) массой 15,20 г получен гидроксид массой 9,00 г. Вычислите эквивалентную массу металла и определите формулу исходной соли.

Решение С учетом условия задачи и уравнения (1.4.1) получим:

Откуда: Мэ(Ме) = 28 г/моль; М(Ме) = 28•2 = 56 г/моль.

П р и м е р 22 В какой массе Са(ОН)2 содержится столько же эквивалентов, сколько в Аl(ОН) массой 312 г?

Решение Мэ(Аl(ОН)3) составляет 1/3 его мольной массы, то есть 78/3 = = 26 г/моль.

Следовательно, в 312 г Аl(ОН)3 содержится 312/26 = 12 эквивалентов. М э(Са(ОН)2) составляет 1/2 его мольной массы, то есть 37 г/моль. Отсюда, 12 эквивалентов составляют 37•12 = 444 г.

П р и м е р 23 На восстановление оксида металла(II) массой 7,09 г требуется водород объемом 2,24 дм3 (н.у.). Вычислите эквивалентные массы оксида и металла. Чему равна мольная масса металла?

Решение В соответствии с законом эквивалентов получим:

Эквивалентная масса оксида равна сумме эквивалентных масс металла и кислорода, поэтому Мэ(Ме) составит 35,45 - 8,00 = 27,45 г/моль. Мольная масса металла(II) составит 27,45•2 = 54,90 г/моль.

При определении эквивалентных масс различных веществ, например, по объему выделенного газа последний собирают над водой. Тогда следует учитывать парциальное давление газа.

Парциальным давлением газа в смеси называется давление, которое производил бы этот газ, занимая при тех же физических условиях объем всей газовой смеси. Согласно закону парциальных давлений, общее давление смеси газов, не вступающих друг с другом в химическое взаимодействие, равно сумме парциальных давлений газов, составляющих смесь. Если газ собран над жидкостью, то при расчетах следует иметь в виду, что его давление является парциальным и равно разности общего давления газовой смеси и парциального давления пара жидкости.

П р и м е р 24 Какой объем займут при н.у. 120 см3 азота, собранного над водой при 20 С и давлении 100 кПа (750 мм.рт.ст.)? Давление насыщенного пара воды при 20 °С равно 2,3 кПа.

Решение Парциальное давление азота равно разности общего давления и парциального давления пара воды:

Обозначив искомый объем через V0 и используя объединенное уравнение Бойля-Мариотта и ГейЛюссака, находим:

116 Вычислите эквивалент и эквивалентную массу фосфорной кислоты в реакциях образования: а) гидрофосфата; б) дигидрофосфата; в) ортофосфата.

117 Определите эквивалентные массы серы, фосфора и углерода в соединениях: H2S, P2O5,CO2.

118 Избытком гидроксида калия подействовали на растворы: а) ди-гидрофосфата калия; б) нитрата дигидроксовисмута(III). Напишите уравнения реакций этих веществ с гидроксидом калия и определите их эквиваленты и эквивалентные массы.

119 Напишите уравнения реакций гидроксида железа(III) с хлористоводородной (соляной) кислотой, при которых образуется следующие соединения железа: а) хлорид дигидроксожелеза; б) дихлорид гидроксожелеза; в) трихлорид железа. Вычислите эквивалент и эквивалентную массу гидроксида железа(III) в каждой из этих реакций.

120 Вычислите эквивалентную массу серной кислоты в реакциях образования: а) сульфата; б) гидросульфата.

121 Чему равен эквивалентный объем (н.у.) кислорода, водорода и хлора?

122 Определите эквивалентную массу серной кислоты, если известно, что H2SO4 массой 98 г реагирует с магнием массой 24 г, эквивалентная масса которого равна 12 г/моль.

123 При сгорании магния массой 4,8 г образовался оксид массой 8,0 г. Определите эквивалентную массу магния.

124 При взаимодействии металла массой 2,20 г с водородом образовался гидрид массой 2,52 г.

Определите эквивалентную массу металла и напишите формулу гидрида.

125 Определите эквивалентные массы олова в его оксидах, массовая доля кислорода в которых составляет 21,2 % и 11,9 %.

126 Для реакции металла массой 0,44 г потребовался бром массой 3,91 г, эквивалентная масса которого равна 79,9 г/моль. Определите эквивалентную массу металла.

127 Массовая доля кислорода в оксиде свинца составляет 7,17 %. Определите эквивалентную массу свинца.

128 Массовая доля кальция в хлориде составляет 36,1 %. Вычислите эквивалентную массу кальция, если эквивалентная масса хлора равна 35,5 г/моль.

129 Определите эквивалентную массу металла, если массовая доля серы в сульфиде составляет 22,15 %, а эквивалентная масса серы равна 16 г/моль.

130 Одна и та же масса металла соединяется с кислородом массой 0,4 г и с одним из галогенов массой 4,0 г. Определите эквивалентную массу галогена.

131 Рассчитайте эквивалентную массу алюминия, если при сгорании его массой 10,1 г образуется оксид массой 18,9 г.

132 На нейтрализацию щавелевой кислоты (H2C2O4) массой 1,206 г потребовалось KOH массой 1,502 г, эквивалентная масса которого равна 56 г/моль. Вычислите эквивалентную массу кислоты.

133 На нейтрализацию гидроксида массой 3,08 г израсходована хлористоводородная кислота массой 3,04 г. Вычислите эквивалентную массу гидроксида.

134 На нейтрализацию ортофосфорной кислоты массой 14,7 г израсходован NaОH, массой 12,0 г.

Вычислите эквивалентную массу и основность ортофосфорной кислоты. Напишите уравнение соответствующей реакции.

135 На нейтрализацию фосфористой кислоты(H3PO3) массой 8,2 г израсходован KOH массой 11, г. Вычислите эквивалентную массу и основность фосфористой кислоты. Напишите уравнение реакции.

136 На нейтрализацию кислоты массой 2,45 г израсходован NaOH массой 2,00 г. Определите эквивалентную массу кислоты.

137 В оксиде металла(I) массой 1,57 г содержится металл массой 1,30 г. Вычислите эквивалентную массу металла и его оксида.

138 Вычислите атомную массу металла(II) и определите какой это металл, если данный металл массой 8,34 г окисляется кислородом объемом 0,68 дм3 (н.у.).

139 При разложении оксида металла массой 0,464 г получен металл массой 0,432 г. Определите эквивалентную массу металла.

140 Из металла массой 1,25 г получается нитрат массой 5,22 г. Вычислите эквивалентную массу этого металла.

141 При взаимодействии алюминия массой 0,32 г и цинка массой 1,16 г с кислотой выделяется одинаковый объем водорода. Определите эквивалентную массу цинка, если эквивалентная масса алюминия равна 9 г/моль.

142 Из хлорида металла массой 20,8 г получается сульфат этого металла массой 23,3 г. Вычислите эквивалентную массу металла.

143 Из нитрата металла массой 2,62 г получается сульфат этого металла массой 2,33 г. Вычислите эквивалентную массу металла.

144 Из иодида металла массой 1,50 г получается нитрат этого металла массой 0,85 г. Вычислите эквивалентную массу металла.

145 Из сульфата металла массой 1,71 г получается гидроксид этого металла массой 0,78 г.

Вычислите эквивалентную массу металла.

146 Из хлорида металла массой 1,36 г получается гидроксид этого металла массой 0,99 г.

Вычислите эквивалентную массу металла.

147 Из нитрата металла массой 1,70 г получается иодид этого металла массой 2,35 г. Вычислите эквивалентную массу металла.

148 При взаимодействии металла массой 1,28 г с водой выделился водород объемом 380 см3, измеренный при 21 °С и давлении 104,5 кПа (784 мм рт.ст.). Рассчитайте эквивалентную массу металла.

149 Какой объем водорода (н.у.) потребуется для восстановления оксида металла массой 112 г, если массовая доля металла в оксиде составляет 71,43 %? Определите эквивалентную массу металла.

150 Эквивалентная масса металла равна 23 г/моль. Определите массу металла, которую нужно взять для выделения из кислоты водорода объемом 135,6 см3 (н.у.).

151 Вычислите эквивалентную массу металла, если металл массой 0,5 г вытесняет из кислоты водород объемом 184 см3, измеренный при 21 °С и давлении 101325 Па.

152 Вычислите эквивалентную массу металла, если металл(II) массой 1,37 г вытесняет из кислоты водород объемом 0,5 дм3, измеренный при 18 °С и давлении 101325 Па.

153 Определите эквивалентную и атомную массы металла(II), если при реакции металла массой 0,53 г с HCl получен H2 объемом 520 см3 при 16 °С и давлении 748 мм рт. ст. Давление насыщенного водяного пара при данной температуре равно 13,5 мм рт. ст.

154 Металл(II) массой 0,604 г вытеснил из кислоты водород объемом 581 см3, измеренный при С и давлении 105,6 кПа и собранный над водой. Давление насыщенного пара воды при данной температуре равно 2,1 кПа. Рассчитайте атомную массу металла.

155 В газометре над водой находится О2 объемом 7,4 дм3 при 296 К и давлении 104,1 кПа (781 мм рт.ст.). Давление насыщенного водяного пара при этой температуре равно 2,8 кПа (21 мм рт.ст.). Какой объем (н.у.) займет находящий в газометре кислород?

2 СТРОЕНИЕ АТОМА И ПЕРИОДИЧЕСКАЯ СИСТЕМА Д. И. МЕНДЕЛЕЕВА

Движение электрона в атоме носит вероятностный характер. Околоядерное пространство, в котором с наибольшей вероятностью (0,90 - 0,95) может находиться электрон, называется атомной орбиталью (АО). Атомная орбиталь, как любая геометрическая фигура, характеризуется тремя параметрами (координатами), получившими название квантовых чисел (n, l, m l, ms). Квантовые числа принимают не любые, а определенные, дискретные (прерывные) значения. Соседние значения квантовых чисел различаются на единицу. Квантовые числа определяют размеры (n), форму ( l ), ориентацию ( m l ) атомной орбитали в пространстве. Атомные орбитали, которым отвечают значения l, равные 0, 1, 2, 3 называются соответственно s-, p-, d- и f-орбиталями. В электронно-графических формулах атомов каждая атомная орбиталь обозначается квадратом ( ).Занимая ту или иную атомную орбиталь, электрон образует электронное облако, которое у электронов одного и того же атома может иметь различную форму. Электронное облако характеризуется четырьмя квантовыми числами (n, l, m l, ms). Эти квантовые числа связаны с физическими свойствами электрона: число n (главное квантовое число) характеризует энергетический (квантовый) уровень электрона; число l (орбитальное) - момент количества движения (энергетический подуровень); число m l (магнитное) - магнитный момент; ms спин. Спин возникает за счет вращения электрона вокруг собственной оси.

Согласно принципу Паули: в атоме не может быть двух электронов, характеризующихся одинаковым набором 4х- квантовых чисел. Поэтому в атомной орбитали могут находиться не более двух электронов, отличающихся своими спинами (ms = ± 1/2). В табл. 1 приведены значения и обозначения квантовых чисел, а также число электронов на соответствующем энергетическом уровне и подуровне.

Устойчивому (невозбужденному) состоянию многоэлектронного атома отвечает такое распределение электронов по атомным орбиталям, при котором энергия атома минимальна. Поэтому они заполняются в порядке последовательного возрастания их энергий. Этот порядок заполнения определяется правилом Клечковского (правило n+ l ):

- заполнение электронных подуровней с увеличением порядкового номера атома элемента происходит от меньшего значения (n + l ) к большему значению (n + l );

- при равных значениях (n + l ) заполняются сначала энергетические подуровни с меньшим значением n.

Последовательность заполнения энергетических уровней и подуровней следующая:

1s 2s2p 3s3p 4s 3d 4p5s 4d5p 6s (5d1) 4f 5d 6p 7s (6d1) 5f6d7p.

Электронная структура атома может быть изображена также в виде схем размещения электронов в квантовых (энергетических) ячейках, которые являются схематическим изображением атомных орбиталей. Размещение электронов по атомным орбиталям в пределах одного энергетического уровня определяется правилом Хунда (Гунда): электроны в пределах энергетического подуровня располагаются сначала по одному, а затем если электронов больше чем орбиталей, то они заполняются уже двумя электронами или чтобы суммарный спин был максимальным.

П р и м е р 25 Составьте электронные и электронно-графические формулы атомов элементов с порядковыми номерами 16 и 22.

Решение Так как число электронов в атоме того или иного элемента равно его порядковому номеру в таблице Д. И. Менделеева, то для серы -Z = 16, титана - Z = 22. Электронные формулы имеют вид:

16S 22Ti Электронно-графические формулы этих атомов:

16S 22Ti 1 Значения квантовых чисел и максимальное число электронов обозна главное обозн орбит П р и м е р 26 Какой энергетический подуровень будет заполняться раньше 3d или 4s?

Решение В соответствии с принципом наименьшей энергии (правило Клечковского) энергетическому подуровню 3d соответствует сумма n+ l = 3 + + 2 = 5, а 4s соответствует сумма 4 + 0 = 4. Следовательно, сначала заполнится подуровень 4s, а затем 3d.

П р и м е р 27 Составьте электронную и электронно-графическую формулы атома кремния в нормальном и возбужденном состояниях.

Решение Для Si число электронов равно 14, электронная формула имеет вид: 1s22s22p63s23p2.

Электронно-графическая формула атома кремния:

При затрате некоторой энергии (h)один из 3s-электронов атома кремния может быть переведен на вакантную 3р-орбиталь; при этом энергия атома возрастает, так как возникающая электронная конфигурация (1s22s22p63s13p3) соответствует возбужденному состоянию атома кремния (Si* ):

14Si П р и м е р 28 На каком основании хлор и марганец помещают в одной группе периодической системы элементов Д.И. Менделеева? Почему их помещают в разных подгруппах?

Решение Так как число электронов в атоме элемента равно его порядковому номеру в таблице Д.И. Менделеева, то для хлора - Z = 17, марганца - Z = 25. Электронные формулы имеют вид:

1s22s22p63s23p64s23d5.

25Mn Электронно-графические формулы этих атомов:

17Cl 25Mn Валентные электроны хлора - 3s23p5, а марганца - 4s23d5. Таким образом, эти элементы не являются электронными аналогами и не должны размещаться в одной и той же подгруппе. Но на валентных орбиталях атомов этих элементов находится одинаковое число электронов - 7. Поэтому оба элемента помещают в одну и ту же группу периодической системы Д. И. Менделеева.

156 Чему равно число энергетических подуровней для данного энергетического уровня? Каким значением главного квантового числа характеризуется энергетический уровень, если он имеет подуровня? Дайте их буквенное обозначение.

157 Какой элемент имеет в атоме три электрона, для каждого из которых n = 3 и l = 1? Чему равно для них значение магнитного квантового числа? Должны ли они иметь антипараллельные спины?

158 Укажите значения квантовых чисел n и l для внешних электронов в атомах элементов с порядковыми номерами 12, 13, 23.

159 Напишите электронные и электронно - графические формулы атомов с порядковыми номерами 18, 63. К какому электронному семейству они относятся?

160 Объясните, пользуясь правилом Клечковского, какие атомные орбитали заполняются раньше:

а) 3d или 4р; б) 4f или 5p; в) 5p или 6s; г) 4d или 4f.

161 Напишите электронные и электронно-графические формулы атомов с порядковыми номерами 27, 83. Сколько свободных f-орбиталей в атомах этих элементов?

162 Какие из приведенных электронных формул неверны и объясните причину: а) 1s12s22p6; б) 1s22s22p63s23p54s1; в) 1s22s22p63s1; г) 1s22s22p63s23p63d4; д) 1s22s22p3; е) 1s22s3.

163 Какие значения могут принимать квантовые числа n, l, m l и ms, характеризующие состояние электронов в атоме алюминия.

164 Какое максимальное число электронов находится на s-, p-, d-, f-подуровнях? Напишите электронную и электронно-графическую формулу атома с порядковым номером 51.

165 Какое максимальное число электронов может находиться на уровнях К, L, M, N, O, P? Что такое квантовые числа?

166 Квантовые числа для электронов внешнего энергетического уровня атома некоторого элемента имеют следующие значения: n = 5, l = 0, m l = 0, ms = + 1/2. Сколько свободных 4d-орбиталей содержит атом данного элемента. Напишите электронную и электронно-графическую формулу данного атома?

167 Напишите значения квантовых чисел l, m l, ms для электронов, главные квантовые числа которых равны 3 и 4.

168 Укажите порядковый номер элемента у которого: а) заканчивается заполнение электронами 3d-орбитали; б) заканчивается заполнение электронами 4s-орбитали; в) начинается заполнение электронами 4p-орбитали; г) начинается заполнение электронами 4f-орбитали.

169 Сколько вакантных 3d-орбиталей имеют возбужденные атомы: а) серы; б) хлора; в) фосфора; г) ванадия?

170 Укажите значения квантовых чисел n и l для внешних электронов в атомах элементов с порядковыми номерами 10, 15, 33.

171 Какое значение имеет: а) орбитальное квантовое число для энергетических подуровней, емкость которых равна 10 и 14; б) главное квантовое число для энергетических уровней, емкость которых равна 32, 50, 72?

172 Учитывая емкость энергетических уровней, покажите сколько их содержит электронная оболочка атома из 18, 36, 54 и 86 электронов.

173 Сколько неспаренных электронов содержат атомы в невозбужденном состоянии: а) магния; б) алюминия; в) углерода; г) бора; д) серы?

174 Напишите электронные и электронно-графические формулы атомов элементов с порядковыми номерами 39 и 41. Сколько свободных d-орбиталей в атомах этих элементов.

175 Напишите электронные и электронно-графические формулы атомов элементов с порядковыми номерами 24 и 33, учитывая, что у первого происходит "провал" одного 4s-электрона на 3d-подуровень.

Чему равен максимальный спин d-электронов у первого атома и p-электронов у атомов второго элемента?

176 Напишите электронные формулы атомов элементов: а) цезия; б) бро-ма; в) ванадия; г) молибдена; д) железа; е) титана; ж) кальция; з) олова; и) хлора; к) брома; л) кобальта; м) платины; н) свинца; o) марганца; п) серы.

177 Сколько электронов находится на энергетических уровнях, если главное квантовое число равно 2, 3 и 4?

178 Сколько электронов находится на: а) 4f- и 5d-подуровнях атома свинца; б) 5s- и 4d-подуровнях атома цезия; в) 5d- и 4f-подуровнях атома вольфрама; г) 3p- и 3d-подуровнях атома кобальта; д) 3d- и 4s-подуровнях атома мышьяка?

179 Сколько нейтронов в ядрах атомов: а) фосфора; б) свинца; в) магния; г) кремния; д) олова; е) серебра; ж) висмута; з) кадмия; и) железа?

180 Какое максимальное валентное состояние могут проявлять: а) олово; б) вольфрам; в) алюминий; г) висмут; д) кальций; е) титан; ж) кислород; з) фтор; и) хлор?

181 Сколько свободных f-орбиталей содержат атомы элементов с порядковыми номерами 57, 68 и 82? Пользуясь правилом Хунда, распределите электроны по орбиталям.

182 Исходя из электронного строения атомов фтора и хлора объясните сходство и различие свойств этих элементов.

183 Пользуясь правилом Клечковского напишите электронные формулы атомов следующих элементов: а) марганца; б) хрома; в) циркония; г) гафния.

184 Для атома кремния возможны два различных электронных состояния: 3s23p2 и 3s13p3. Как называются эти состояния?

185 Пользуясь правилом Хунда, распределите электроны по орбиталям, отвечающим невозбужденному состоянию атомов: а) фосфора; б) углерода; в) марганца; г) кислорода; д) железа.

186 Пользуясь правилом Хунда, распределите электроны по орбиталям, отвечающим возбужденному состоянию атомов: а) бора; б) серы; в) хлора.

187 Атомы каких элементов имеют следующее строение внешнего и предвнешнего электронного уровня: а) 2s22p63s23p3; б)3s23p64s2; в) 3s23p64s23d5; г) 4s24p65s04d10.

Атомы каких элементов имеют электронную конфигурацию: а) 1s22s22p63s23p64s1; б) 1s22s22p63s1; в) 1s22s22p63s23p64s23d5.

189 Электронные конфигурации атомов углерода 1s22s12p3 и скандия 1s22s22p63s23p64s23d1.

Какое состояние атомов (основное или возбужденное) они характеризуют.

190 В каком из приведенных электронных конфигураций нарушено правило Хунда?

П р и м е р 29 Какую высшую и низшую степень окисления проявляют мышьяк, селен и бром?

Составьте формулы соединений данных элементов, отвечающих этим степеням окисления.

Решение Высшую степень окисления элемента определяет номер группы периодической системы Д. И. Менделеева, в которой он находится. Низшая степень окисления определяется тем условным зарядом, который приобретает атом при присоединении того количества электронов, которое необходимо для образования устойчивой восьмиэлектронной оболочки (ns2np6).

Данные элементы находятся соответственно в главных подгруппах V, VI, VII-групп и имеют структуру внешнего энергетического уровня s2р3, s2p4, s2p5. Следовательно, степени окисления мышьяка, селена, брома в соединениях таковы:

Аs +5 (высшая), -3 (низшая) --- As2O5, AsH3;

Se +6 (высшая), -2 (низшая) --- SeO3, Na 2Se;

Br +7 (высшая), -1 (низшая) --- КВrO4, KBr.

П р и м е р 30 У какого из элементов четвертого периода марганца или брома сильнее выражены металлические свойства?

Решение Электронные формулы данных элементов:

1s22s22p63s23p64s23d 25Mn 1s22s22p63s23p64s23d104p5.

35Br Марганец - d-элемент VII-группы побочной подгруппы, а бром - p-эле-мент VII-группы главной подгруппы. На внешнем энергетичеcком уровне у атома марганца два электрона, а у атома брома - семь.

Атомы типичных металлов характеризуются наличием небольшого числа электронов на внешнем энергетическом уровне, а следовательно, тенденцией терять эти электроны. Они обладают только восстановительными свойствами и не образуют отрицательных ионов. Элементы, атомы которых на внешнем энергетическом уровне содержат более трех электронов, обладают определенным сродством к электрону, а следовательно, приобретают отрицательную степень окисления и образуют отрицательные ионы. Таким образом, марганец, как и все металлы, обладает только восстановительными свойствами, тогда как для брома, проявляющего слабые восстановительные свойства более свойственны окислительные функции. Следовательно, металлические свойства более выражены у марганца.

191 Дайте современную формулировку периодического закона. Чем она отличается от той, которая была дана Д. И. Менделеевым?

192 Открытие каких трех элементов было триумфом периодического закона? Как точно совпали свойства этих элементов и их простейших соединений со свойствами, предсказанными Д. И.

Менделеевым?

193 Покажите, как периодический закон иллюстрирует и подтверждает один из всеобщих законов развития природы - закон перехода количества в качество.

194 Как учение о строении атома объясняет периодичность в изменении свойств химических элементов?

195 Какой физический смысл имеет порядковый номер и почему химические свойства элемента в конечном счете определяются зарядом ядра его атома?

196 Объясните три случая (укажите их) отклонения от последовательности расположения элементов в периодической системе по возрастанию их атомных масс?

197 Какова структура периодической системы? Периоды, группы и подгруппы. Физический смысл номера периода и группы.

198 В каких случаях емкость заполнения энергетического уровня и чис-ло элементов в периоде: а) совпадают; б) не совпадают? Объясните причину.

199 Значениям какого квантового числа отвечают номера периодов? Приведите определение периода, исходя из учения о строении атома?

200 Какие периоды периодической системы называют малыми, а какие большими? Чем определяется число элементов в каждом из них.

201 Укажите валентные энергетические подуровни в приведенных электронных формулах нейтральных атомов: а) [KL]3s23p1; б) [K]2s22p5; в) [KLM]4s2 4p3 ; г) [KL]4s23d8.

202 Где в периодической системе находятся благородные газы? Почему раньше они составляли нулевую группу и как их называли?

203 Почему водород помещают в I и VII группу периодической системы? Какое обоснование можно дать тому и другому варианту?

204 Как изменяются свойства элементов главных подгрупп по периодам и группам? Что является причиной этих изменений?

205 Какое место в периодической системе занимают два элемента, один из которых характеризуется наибольшим значением ионизационного потенциала и электроотрицательности, а другой - наименьшими значениями этих величин?

206 В атомах каких элементов осуществляется так называемый "провал" электронов? Объясните причину этого эффекта.

207 При нормальных условиях только 11 химических элементов в свободном виде являются газами и 2 элемента в свободном виде жидкостями. Укажите символы и названия этих элементов.

208 Конфигурация валентных электронов в атомах двух элементов выражается формулами: а) 3s23p2 и 4s23d2; б) 4s23d3 и 4s23d104p3. В каких периодах и группах находятся эти элементы? Должны ли они отличаться по своим свойствам, имея одинаковое число валентных электронов?

209 Зная число элементов в каждом периоде, определите место элемента в периодической системе и основные химические свойства по порядковому номеру: 35, 42 и 56.

210 Вопреки собственной формулировке Д. И. Менделеев поставил в системе теллур перед иодом, а кобальт перед никелем. Объясните это.

211 Чем можно объяснить общую тенденцию - уменьшение атомных радиусов с увеличением порядкового номера в периоде и увеличение атомных радиусов с увеличением порядкового номера в группе?

212 На каком основании хром и сера находятся в одной группе периодической системы? Почему их помещают в разных подгруппах?

213 На каком основании фосфор и ванадий находятся в одной группе периодической системы?

Почему их помещают в разных подгруппах?

214 Какой ряд элементов расположен по мере возрастания их атомных радиусов: а) Na, Mg, Al, Si;

б) C, N, O, F; в) O, S, Sc, Fe; г) I, Br, Cl, F.

215 В чем сходство и различие атомов: а) F и Cl; б) N и P.

Радиоактивностью называют самопроизвольное превращение неустойчивого изотопа одного химического элемента в изотоп другого элемента, сопровождающееся испусканием элементарных частиц или ядер.

Периодом полураспада (1/2) называется время, за которое распадается половина исходного количества радиоактивного изотопа. В течение первого периода полураспада распадается 1/2 часть от первоначального числа ядер изотопа N0 и остается 1/2 N0 = 2-1N0 ядер. В течение второго периода распадается половина от 2-1N0 и остается 1/2•2-1N0= 22N0 ядер и т.д. В конце n-го периода полураспада остается 2-nN0 ядер исходного изотопа. Аналогичное выражение справедливо для массы (m) не распавшегося изотопа: m = 2-n m0, где m0 - исходная масса изотопа.

П р и м е р 31 Период полураспада некоторого радиоактивного изотопа равен 3 часам. Какая масса его останется нераспавшейся через 18 часов, если первоначальная масса изотопа составляла Решение За время хранения радиоактивного изотопа прошло 18/3 = 6 периодов полураспада (n = 6). Отсюда масса нераспавшегося изотопа, оставшаяся после 18 часов хранения, равна:

К основным видам радиоактивного распада относятся -распад, - - и +-распад, электронный захват и спонтанное деление. Часто эти виды радиоактивного распада сопровождаются испусканием лучей, т.е. жесткого (с малой длиной волны) электромагнитного излучения.

-частица - ядро атома гелия 2 He. При испускании - час-тицы ядро теряет два -распад протона и два нейтрона, следовательно, заряд ядра уменьшается на 2, а массовое число на 4. Дочернее ядро принадлежит элементу, смещенному в периодической системе на две клетки влево по отношению к материнскому элементу:

протекающий в ядре. Таким образом, при испускании электрона заряд ядра увеличивается на единицу, а массовое число не изменяется. Дочернее ядро - изобар исходного - принадлежит элементу, смещенному на одну клетку вправо в периодической системе от места материнского элемента:

Позитронный распад +-частица - позитрон (е+) - обладает массой электрона и зарядом, равным заряду электрона, но противоположным по знаку. Позитронному распаду предшествует ядерный процесс:

Число протонов в ядре при позитронном распаде уменьшается на единицу, а массовое число не изменяется. Образующееся ядро - изобар исходного ядра - принадлежит элементу, смещенному от материнского элемента на одну клетку влево в периодической системе:

Электронный захват При захвате ядром электрона с ближайшего к ядру К-слоя в ядре уменьшается число протонов вследствие протекания процесса:

Заряд ядра уменьшается на единицу, а массовое число остается прежним. Дочернее ядро принадлежит элементу (изобару исходного элемента), смещенному по отношению к материнскому на одну клетку влево в периодической системе элементов:

При переходе периферийных электронов на освободившееся в К-слое место выделяется энергия в виде кванта рентгеновского излучения.

П р и м е р 32 Закончите уравнения реакции радиоактивного распада:

Решение Уравнения ядерных реакций (в том числе и реакций радиоактивного распада) должны удовлетворять правилу равенства сумм индексов: а) сумма массовых чисел частиц, вступающих в реакцию, равна сумме массовых чисел частиц-продуктов реакции; при этом массы электронов, позитронов и фотонов не учитываются; б) суммы зарядов частиц, вступающих в реакцию и частицпродуктов реакции, равны между собой.

П р и м е р 33 Изотоп углерода 11C образуется при бомбардировке протонами ядер атомов 14N.

Составьте уравнение этой ядерной реакции и напишите его в сокращенной форме.

Решение При ядерных реакциях происходит изменение состава ядер атомов химических элементов. С их помощью можно из атомов одних элементов получить атомы других элементов.

Превращения атомных ядер записывают в виде уравнений ядерных реакций. При этом сумма массовых чисел и алгебраические суммы зарядов частиц в левой и правой частях равенства должны быть равны:

Сокращенная форма записи: 14N(p, ) 11С. В скобках на первом месте пишут бомбардирующую частицу, а на втором, через запятую - частицу, образующуюся при данном процессе. В сокращенных уравнениях частицы 4 He, 1 H, 2 D, 0 n обозначают соответственно, p, d, n.

Задачи 216 Какие реакции называются ядерными? Чем они отличаются от химических? Кем и когда была впервые осуществлена ядерная реакция?

217 Природный водород состоит из двух изотопов - протия и дейтерия с массовыми долями 99, % и 0,02 % соответственно. Вычислите атомную массу водорода.

218 Определите атомную массу кислорода, состоящего из изотопов: 16O, 17O, 18O с массовыми долями 99,76 %; 0,04 %; 0,20 % соответственно.

219 Назовите три изотопа водорода. Укажите состав их ядер. Что такое тяжелая вода? Как она получается и каковы ее свойства?

220 В чем проявляется ограниченность закона сохранения массы? Какой закон применим без нарушений к ядерным реакциям?

221 Природный кремний состоит из трех изотопов: 28Si, 29Si, 30Si с массовыми долями процентов 0,923; 0,047; 0,030 соответственно. Вычислите атомную массу природного кремния.

222 Природный хлор состоит из двух изотопов: 35Cl и 37Cl. Относительная атомная масса хлора равна 35,5. Определите содержание изотопов хлора в массовых долях процента.

223 Определите атомную массу бора, состоящего из изотопов: 10B и 11B c массовыми долями 19, % и 80,4 % соответственно.

224 Что такое изотопы и изобары? Чем объясняется, что у большинства элементов атомные массы выражаются дробными числами?

225 Вычислите массовые доли изотопов 79Br и 81Br в броме, атомная масса которого равна 79,12.

Природный неон состоит из изотопов: 20Ne и 22Ne c массовыми долями 90 % и 10 % соответственно. Вычислите атомную массу неона.

При бомбардировке ядер атомов бора 10 B нейтронами был получен изотоп лития 7 Li.

Определите промежуточное ядро и выброшенную частицу. Напишите уравнение реакции.

228 В результате бомбардировки изотопа неона 10 Ne некоторыми частицами образуется фтор и частица. Определите бомбардирующую частицу.

229 При действии -частиц на 24Mg образуется неуcтойчивый изотоп другого элемента и электрон.

Составьте уравнение этой ядерной реакции и напишите ее в сокращенной форме.

230 Исходя из сокращенных уравнений ядерных реакций напишите их полные уравнения: а) Сu(p, n) 30 Zn; б) 42 Mo(n, е- ) 99 Tc; в) 27Al(p, )24Mg; г) 59Co (n, ) 56Mn; д) 253Es (, n) 256Md; е) Сm (, 2n) 244Сf.

231 При бомбардировке протонами ядер: а) изотопа 10 Ne образуются -час-тицы; б) изотопа 29 Cu нейтроны. Какие изотопы и каких элементов при этом образовались?

232 Сколько -частиц теряет ядро атома радона, если в результате образуется изотоп свинца 32 Pb?

234 Какие элементы образуются при --распаде ядер атомов: 234 Th; 214 Pb; 210 Bi.

235 Радиоактивный иод 131I имеет период полураспада, равный 8 дням. Если взять 100 мг этого изотопа, то сколько его останется через 16 дней.

3 ХИМИЧЕСКАЯ СВЯЗЬ

Описание химической связи в любой молекуле есть по существу описание распределения в ней электронной плотности. Основным типом химической связи является ковалентная.

Ковалентная связь - химическая связь между двумя атомами, осуществляемая общей для этих атомов парой электронов, перекрыванием электронных облаков взаимодействующих атомов.

В зависимости от природы взаимодействующих атомов электронная пара, область максимального перекрывания электронных облаков может одинаково принадлежать взаимодействующим частицам или смещаться в ту или другую сторону.

Для оценки способности атома данного элемента смещать электронную плотность, осуществляющую связь, пользуются значением относительной электроотрицательности (Х). Чем больше электроотрицательность атома, тем сильнее притягивает он обобществленные электроны.

Иными словами, при образовании ковалентной связи между двумя атомами разных элементов общее электронное облако смещается к более электроотрицательному атому, и в тем большей степени, чем больше разность электроотрицательностей (Х) взаимодействующих атомов. Поэтому с ростом Х степень ионности связи возрастает.

Значения электроотрицательности атомов некоторых элементов приведены в табл. 2.

П р и м е р 34 Вычислите разность относительных электроотрицательностей атомов для связей HO и O-Э в соединениях Э(OH)2, где Э - Mg, Сa или Sr, и определите: а) какая из связей H-O или O-Э характеризуется в каждой молекуле большей степенью ионности; б) каков характер диссоциации этих молекул в водном растворе?

Решение По данным табл. 2 вычисляем разность электроотрицательностей для связей О-Э:

Разность электроотрицательностей для связи H-О составляет 1,4.

Таким образом: а) во всех рассмотренных молекулах связь Э-О более полярна, т.е. характеризуется большей степенью ионности; б) диссоциация на ионы в водных растворах будет осуществляться по наиболее ионной связи в соответствии со схемой:

Следовательно, все рассматриваемые соединения будут диссоциировать по типу гидроксидов.

При образовании полярной ковалентной связи происходит смещение общего электронного облака от менее к более электроотрицательному атому. В результате один из атомов приобретает избыточный отрицательный заряд, а другой - такой же по абсолютной величине избыточный положительный заряд.

Систему из двух равных по абсолютной величине и противоположных по знаку зарядов, расположенных на определенном расстоянии друг от друга, называют электрическим диполем.

Напряженность поля, создаваемая диполем, пропорциональна электрическому дипольному моменту диполя, представляющему собой произведение абсолютного значения заряда электрона q (1,60•10-19 Кл) на расстояние l между центрами положительного и отрицательного зарядов в диполе (длиной диполя):

Величина µ молекулы служит количественной мерой ее полярности и измеряется в Дебаях (D):

П р и м е р 35 Длина диполя молекулы НСl равна 0,22•10-8 см. Вычислите электрический момент диполя.

Решение q = 1,60•10-19 Кл; l = 2,2•10-11 м;

Пример 36 Какую валентность, обусловленную неспаренными электронами (спинвалентность), может проявлять фосфор в нормальном и возбужденном (*) состояниях?

Решение Распределение электронов внешнего энергетического уровня фосфора 3s23p3 (учитывая правило Хунда, 3s2 3px 3py 3pz) по квантовым ячейкам имеет вид:

15Р Атомы фосфора имеют свободные d-орбитали, поэтому возможен переход одного 3s-электрона в 3d-состояние:

Отсюда валентность (спинвалентность) фосфора в нормальном состоянии равна трем, а в возбужденном - пяти.

П р и м е р 37 Что такое гибридизация валентных орбиталей? Какое строение имеют молекулы типа AВn, если связь в них образуется за счет sp-, sp2-, sp3-гибридных орбиталей атома А?

Решение Теория валентных связей (ВС) предполагает участие в образовании ковалентных связей не только "чистых" АО, но и "смешанных", так называемых гибридных, АО. При гибридизации первоначальная форма и энергия орбиталей (электронных облаков) взаимно изменяются и образуются орбитали (облака) новой одинаковой формы и одинаковой энергии. Число гибридных орбиталей (q) равно числу исходных. Ответ на поставленный вопрос отражен в табл. 3.

3 Гибридизация орбиталей и пространственная конфигурация молекул Если в гибридизации участвуют одна s- и одна p-орбитали (sp-гибриди-зация), то образуются две равноценные sp-орбитали; из одной s- и двух sp -орбитали и т.д.

Гибридные облака, соответствующие данному типу гибридизации, располагаются в атоме так, чтобы взаимодействие между электронами было минимальным, т.е. как можно дальше друг от друга.

Поэтому при sp-гибридизации электронные облака ориентируются в противоположных направлениях, при sp2-гибридизации - в направлениях, лежащих в одной плоскости и составляющих друг с другом углы в 120° (т.е. в направлениях к вершинам правильного треугольника), при sp3-гибридизации - к вершинам тетраэдра (угол между этими направлениями составляет 109°28'), при sp3d2-гибридизации - к вершинам октаэдра (т.е. по взаимно перпендикулярным направлениям).

236 Какую химическую связь называют ковалентной? Опишите ее основные свойства.

237 Почему при образовании ковалентной связи расстояние между атомами строго определенно?

Как оно называется?

238 Что называется кратностью связи? Как влияет увеличение кратности связи на ее длину и энергию?

239 Определите ковалентность и степень окисления: а) углерода в молекулах C2H6 ; C2H5OH;

CH3COOH; CH3Cl; б) хлора в молекулах NaCl, NaClO3, NaClO4, Ca(ClO)2; в) серы в молекулах Na2S2O3, Na2S, Na2SO4.

240 Какая из связей Сa – H, C – Cl, Br – Cl является наиболее полярной и почему? (табл. 2) 241 Объясните почему максимальная ковалентность фосфора может быть равной 5, а у азота такое валентное состояние отсутствует?

242 Пользуясь значениями относительных электроотрицательностей (табл. 2) определите степень ионности связи в молекулах: а) CH4, CCl4, CO2; б) NH3, NO, Mg3N2; в) LiCl, LiI, Li2O; г) HF, HCl, HBr;

д) SO2, SeO2, TeO2; е) CO2, SiO2, SnO2.

243 Какой тип гибридизации электронных облаков в молекулах: а) BCl3; б) CaCl2; в) GeCl4; г) SiCl4; д) ZnI2; е) ВеН2? Какую пространственную конфигурацию имеют эти молекулы?

244 Какая из связей K - S, H - S, Br -S, C - S наиболее полярна и почему (табл. 2)?

245 В сторону какого атома смещается электронная плотность в молекулах H2O, NaH, HI, CH4?

246 Какую ковалентную связь называют полярной? Что служит количественной мерой полярности ковалентной связи?

247 Какую химическую связь называют водородной? Между молекулами каких веществ она образуется? Почему HF и H2O, имея меньшую молекулярную массу, плавятся и кипят при более высоких температурах, чем их аналоги?

248 Какие кристаллические структуры называют ионными, атомными, молекулярными и металлическими? Кристаллы каких веществ: алмаз, хлорид натрия, диоксид углерода, цинк - имеют указанные структуры?

249 Какую химическую связь называют ионной? Каков механизм ее образования? Какие свойства ионной связи отличают ее от ковалентной? Приведите примеры типичных ионных соединений.

250 Какую химическую связь называют дативной? Каков механизм ее образования? Приведите пример.

251 Какие силы молекулярного взаимодействия называют ориентационными, индукционными и дисперсионными? Когда возникают эти силы и какова их природа?

252 В ряду галогеноводородов HCl, HBr, HI электрические моменты диполей молекул равны 3,5•10-30, 2,6•10-30, 1,4•10-30 Кл•м соответственно. Как изменяется характер химической связи в этих молекулах?

253 Какое состояние электрона, атомных орбиталей или атомов в целом называют валентным?

Сколько валентных состояний возможно для атомов кислорода и серы, фтора и хлора?

254 Какой способ образования ковалентной связи называют донорно- акцепторным? Какие химические связи имеются в ионах NH4+ и BF4-? Укажите донор и акцептор?

255 Электрический момент диполя молекул сероводорода и диоксида серы равны 3,1•10-30 и 2,0•10Кл•м. Какая из этих молекул более полярна?

256 Электрический момент диполя молекул метана, аммиака, воды и хлороводорода равны 0;

4,7•10-30; 6,1•10-30; 3,5•10-30 Кл•м. Какая из этих молекул более полярна?

257 Почему молекула диоксида углерода неполярна, хотя связь углерод - кислород имеет электрический момент диполя 0,37•10-30 Кл•м?

Каково взаимное расположение электронных облаков при sp2-гибри-дизации? Приведите примеры. Какова пространственная структура этих молекул?

259 Энергия связи в молекулах этилена и ацетилена равна 383,2 и 433,7 кДж/моль соответственно.

В какой молекуле связь наиболее прочная?

260 В чем причина различной пространственной структуры молекул хлорида бора и аммиака?

4 ЭЛЕМЕНТЫ ХИМИЧЕСКОЙ ТЕРМОДИНАМИКИ.

ХИМИЧЕСКАЯ КИНЕТИКА. ХИМИЧЕСКОЕ РАВНОВЕСИЕ

Науку о взаимных превращениях различных видов энергии называют термодинамикой.

Термодинамика устанавливает законы этих превращений, а также направление самопроизвольного течения различных процессов в данных условиях.

При химических реакциях происходят глубокие качественные изменения в системе, перестройка электронных структур взаимодействующих частиц. Эти изменения сопровождаются поглощением или выделением энергии. В большинстве случаев этой энергией является теплота. Раздел термодинамики, изучающий тепловые эффекты химических реакций, называют термохимией. Реакции, которые сопровождаются выделением теплоты, называют экзотермическими, а те, которые сопровождаются поглощением теплоты, - эндотермическими. Теплоты реакций являются, таким образом, мерой изменения свойств системы, и знание их может иметь большое значение при определении условий протекания тех или иных реакций.

При любом процессе соблюдается закон сохранения энергии как проявление более общего закона природы - закона сохранения материи. Теплота Q, поглощается системой, идет на изменение ее внутренней энергии U и на совершение работы А:

Внутренняя энергия системы U - это общий ее запас, включающий энергию поступательного и вращательного движения молекул, энергию внутримолекулярных колебаний атомов и атомных групп, энергию движения электронов, внутриядерную энергию и т.д. Внутренняя энергия - полная энергия системы без потенциальной энергии, обусловленной положением системы в пространстве, и без кинетической энергии системы как целого. Абсолютное значение внутренней энергии U веществ определить невозможно, так как нельзя привести систему в состояние, лишенное энергии. Внутренняя энергия, как и любой вид энергии, является функцией состояния, т.е. ее изменение однозначно определяется начальным и конечным состоянием системы и не зависит от пути перехода, по которому протекает процесс:

где U - изменение внутренней энергии системы при переходе от начального состояния U1 в конечное U2.

Теплота и работа функциями состояния не являются, ибо они служат формами передачи энергии и связаны с процессом, а не с состоянием системы. При химических реакциях А - это работа против внешнего давления, т.е. в первом приближении:

где V - изменение объема системы (V2 - V1 ).

Так как большинство химических реакций протекает при постоянном давлении и постоянной температуре, то для изобарно-изотермического процесса (Р = const, T = const) теплота:

Сумму U + РV обозначим через Н, тогда:

Величину Н называют энтальпией. Таким образом, теплота при Р = соnst и Т = соnst приобретает свойство функции состояния и не зависит от пути, по которому протекает процесс. Отсюда теплота реакции в изобарно-изотер-мическом процессе QP равна изменению энтальпии системы Н (если единственным видом работы является работа расширения):

Энтальпия, как и внутренняя энергия, является функцией состояния; ее изменение (H) определяется только начальным и конечным состоянием системы и не зависит от пути перехода.

Нетрудно видеть, что теплота реакции в изохорно-изотермическом процессе (V = const; Т = сonst), при котором V = 0, равна изменению внутренней энергии системы :

Теплоты химических процессов, протекающих при Р,Т = const и V,T = const, называются тепловыми эффектами.

При экзотермических реакциях энтальпия системы уменьшается и H < 0 (Н2 < H1), а при эндотермических реакциях энтальпия системы увеличивается и H > 0 (Н2 > H1). В дальнейшем тепловые эффекты выражаются через H.

В основе термохимических расчетов закон Гесса (1840 г.):

тепловой эффект реакции зависит только от природы и физического состояния исходных веществ и конечных продуктов, но не зависит от пути перехода.

В термохимических расчетах применяют чаще следствие из закона Гесса: тепловой эффект реакции (Hх.р.) равен сумме теплот образования Hобр продуктов реакции за вычетом суммы теплот образования исходных веществ с учетом стехиометрических коэффициентов:

П р и м е р 38 Исходя из теплоты образования газообразного диоксида углерода (H0 = -393, кДж/моль) и термохимического уравнения реакции:

вычислите теплоту образования N2O(г).

Решение Обозначив искомую величину через х, запишем термохимическое уравнение реакции образования N2O из простых веществ:

Запишем также термохимическое уравнение реакции образования CO2(г) из простых веществ:

Из уравнений реакций (2) и (3) можно получить уравнение реакции (1). Для этого умножим уравнение (2) на два и вычтем найденное уравнение из уравнения (3). Имеем:

Сравнивая уравнения (1) и (4), находим:

-393,5 -2х = -557,5.

Отсюда х = 82,0 кДж/моль.

П р и м е р 39 Пользуясь данными табл. 4, вычислите H0 реакции:

Решение Стандартные энтальпии образования СО2(г) и МgО(к) равны соответственно -393,5 и кДж/моль (стандартные энтальпии образования простых веществ равны нулю). H0 реакции находим по уравнению (4.1.2.) П р и м е р 40 Рассчитайте теплоту сгорания метана и количество теплоты, которое выделится при сгорании 100 дм3 этого вещества.

Решение Под теплотой сгорания вещества подразумевают тепловой эффект реакции окисления одного моля этого соединения. В случае органического соединения продуктами окисления обычно бывают СО2(г) и Н2О(г).

Реакцию сгорания метана можно представить уравнением:

Используя следствие закона Гесса и стандартные энтальпии образования веществ (табл. 4), определяем изменение энтальпии при протекании реакций:

0 = -Q, следовательно, при сгорании одного моля СН4 выделяется 402,2 кДж теплоты.

Количество теплоты при сгорании 4,46 моль составит 4,46•402,2 = = 1795,5 кДж.

Самопроизвольно могут протекать реакции, сопровождающиеся не только выделением, но и поглощением теплоты.

Реакция, идущая при данной температуре с выделением теплоты, при другой температуре проходит с поглощением теплоты. Здесь проявляется диалектический закон единства и борьбы противоположностей. С одной стороны, система стремится к упорядочению (агрегации), к уменьшению Н; с другой стороны, система стремится к беспорядку (дезагрегации). Первая тенденция растет с понижением, а вторая - с повышением температуры. Тенденцию к беспорядку характеризует величина, которая называется энтропией.

Энтропия S, так же как внутренняя энергия U, энтальпия Н, объем V и др., является свойством вещества, пропорциональным его количеству. S, U, H, V обладают аддитивными свойствами. Энтропия отражает движение частиц вещества и является мерой неупорядоченности системы. Она возрастает с увеличением движения частиц: при нагревании, испарении, плавлении, расширении газа, при ослаблении или разрыве связей между атомами и т.п. Процессы, связанные с упорядоченностью системы; конденсация, кристаллизация, сжатие, упрочнение связей, полимеризация и т.п., - ведут к уменьшению энтропии. Энтропия является функцией состояния, то есть ее изменение (S) зависит только от начального (S1) и конечного (S2) состояния и не зависит от пути процесса:

самопроизвольно проходить не может. Чем меньше G, тем сильнее стремление к протеканию данного процесса и тем дальше он от состояния равновесия, при котором G = 0 и H = TS.

Из соотношения G = H - TS видно, что самопроизвольно могут протекать процессы, для которых H > 0 (эндотермические). Это возможно, когда S >0, |TS| > | H|, и тогда G < 0. C другой стороны, экзотермические реакции (H < 0) самопроизвольно не протекают, если при S < 0 окажется, что > 0.

Значения стандартных энтальпий образования H0, энтропии S0 и энергия Гиббса G0 образования некоторых веществ при 298 К (25 °С) и давлении 1атм = 101325 Па = 760 мм.рт.ст представлены в табл. 4.

CaCO3(кр) -1206,83 91,71 -1128, Fe3O4(кр) -1117,13 146,19 -1014, MgCO3(кр) -1095,85 65,10 -1012, П р и м е р 41 В каком состоянии энтропия 1 моль вещества больше: в кристаллическом или в парообразном при той же температуре?

Решение Энтропия есть мера неупорядоченности состояния вещества. В кристалле частицы (атомы, ионы) расположены упорядоченно и могут находиться лишь в определенных точках пространства, а для газа таких ограничений нет. Объем 1 моль газа гораздо больше, чем объем 1 моль кристаллического вещества; возможность хаотичного движения молекул газа больше. А так как энтропию можно рассматривать как количественную меру хаотичности атомно-молекулярной структуры вещества, то энтропия 1 моль паров вещества больше энтропии его кристаллов при одинаковой температуре.

П р и м е р 42 Исходя из значений стандартных теплот образования и абсолютных стандартных энтропий соответствущих веществ (табл. 4) вычислите G 0 реакции, протекающей по уравнению:

Может ли эта реакция при стандартных условиях протекать самопроизвольно?

Решение Энергия Гиббса (G0) является функцией состояния и вычисляется из соотношения (4.1.4). Величины H0 и S0 находим из соотношений (4.1.2):

Так как G < 0, то реакция протекает самопроизвольно при стандартных условиях.

П р и м е р 43 Реакция восстановления Fe2O3 водородом протекает по уравнению:

Возможна ли эта реакция при стандартных условиях, если изменение энтропии S = 0, кДж/(моль•K)? При какой температуре начнется восстановление Fe2O3?

Решение Вычисляем G реакции:

Так как G > 0, то реакция при стандартных условиях невозможна; наоборот, при этих условиях идет обратная реакция окисления железа (коррозия).

Найдем температуру, при которой G = 0:

Следовательно, при температуре 695,5 К начнется реакция восстановления Fe2O3. Иногда эту температуру называют температурой начала реакции.

П р и м е р 44 Вычислите H0х.р, S0х.р, G0T реакции, протекающей по уравнению:

Возможна ли реакция восстановления Fe2O3 углеродом при температурах 500 и 1000 К?

Решение Hх.р. и Sх.р находим из соотношений (4.1.2) и (4.1.3), как в примере 4.1.5:

Энергию Гиббса при соответствующих температурах находим из соотношения (4.1.4):

Так как G500 > 0, а G1000 < 0, то восстановление Fe2O3 углеродом возможно при 1000 К и невозможно при 500 К.

При решении задач данного раздела использовать таблицу 4.

261 Теплоты растворения сульфата меди (CuSO4) и медного купороса (CuSO4•5H2O), равны -66, кДж и 11,72 кДж соответственно. Вычислите теплоту гидратации сульфата меди.

262 Вычислите тепловой эффект и напишите термохимическое уравнение реакции горения одного моля этана (C2H6(г)), в результате которой образуются пары воды и диоксид углерода. Сколько теплоты выделится при сгорании этана объемом 1 м 3(н.у.)?

263 Реакция горения бензола выражается термохимическим уравнением: C6H6(ж) + 7/2O2(г) = 6CO2(г) + 3H2O(г). Вычислите тепловой эффект этой реакции.

264 Газообразный этиловый спирт можно получить при взаимодействии этилена и водяных паров.

Напишите термохимическое уравнение этой реакции, вычислите ее тепловой эффект.

265 Напишите термохимическое уравнение реакции взаимодействия оксида углерода(II) и водорода, в результате которой образуются газообразные метан и вода. Сколько теплоты выделится при этой реакции, если был получен метан объемом 67,2 дм3 (н.у.)?

266 Кристаллический хлорид аммония образуется при взаимодействии газообразных аммиака и HCl. Напишите термохимическое уравнение этой реакции, вычислите ее тепловой эффект. Сколько теплоты выделится, если в реакции был израсходован аммиак объемом 10 дм3 (н.у.)?

267 При сгорании газообразного аммиака образуются пары воды и оксид азота(II). Сколько теплоты выделится при этой реакции, если был получен оксид азота(II) объемом 44,8 дм3 (н.у.)?

268 Реакция горения метилового спирта выражается термохимическим уравнением:

Вычислите тепловой эффект этой реакции.

269 При взаимодействии газообразных сероводорода и диоксида углерода образуются пары воды и газообразный сероуглерод (CS2). Напишите термохимическое уравнение этой реакции и вычислите ее тепловой эффект.

На основании значений G0, различных кислородных соединений щелочных металлов, приведенных в табл. 5, определите образование каких соединений наиболее характерно для различных щелочных металлов.

Чем можно объяснить наблюдаемые закономерности ?

271 При взаимодействии 1 моля водорода и 1 моля селена поглотилось 77,4 кДж тепла. Вычислите энтальпию образования селеноводорода.

272 При взаимодействии 2 молей мышьяка и 3 молей водорода поглотилось 370 кДж тепла.

Вычислите энтальпию образования арсина.

273 При взаимодействии 1 моля водорода и 1 моля хлора выделилось 184 кДж тепла. Вычислите энтальпию образования хлороводорода.

274 При образовании 1 моля воды из простых веществ выделилось 242 кДж тепла. Чему равна энтальпия образования воды?

275 При взаимодействии 1 моля азота и 3 молей водорода выделилось 93 кДж тепла. Чему равна энтальпия образования аммиака?

276 Вычислите, какое количество теплоты выделится при восстановлении оксида железа(III) металлическим алюминием, если было получено железо массой 335,1 г.

277 При сжигании графита образовался диоксид углерода массой 8,86 г и выделилось 79,2 кДж тепла. Вычислите теплоту образования диоксида углерода.

278 При разложении карбоната магния на оксид магния и диоксид углерода поглощается 100, кДж тепла. Вычислите теплоту образования карбоната магния.

279 При сгорании жидкого этилового спирта массой 11,5 г выделилось 308,71 кДж тепла.

Напишите термохимическое уравнение реакции, в результате которой образуются пары воды и диоксид углерода. Вычислите теплоту образования C2H5OH(ж).

280 При восстановлении оксида железа(III) массой 80,0 г алюминием (реакция алюмотермии) выделяется 426,3 кДж тепла. При сгорании металлического алюминия массой 5,4 г выделяется 167, кДж тепла. На основании этих данных вычислите теплоту образования оксида железа(III).

Вычислите G0 реакций образования AgГ(т) и CaГ2(т) из ионов в растворе, использовав термодинамические данные, приведенные в табл. 6.

Как изменяется растворимость AgГ и CaГ2 в ряду F-Cl-Br- I-? Сопоставьте характер изменения в этом ряду значений G 0 и ПР. Величины ПР для галогенидов серебра в этом ряду имеют следующие значения (кроме фторида серебра) 1,8•10-10; 5,3•10-13; 8,37•10-17 соответственно. Почему для фторида серебра отсутствуют данные по ПР?

282 Реакция горения аммиака выражается термохимическим уравнением:

Вычислите теплоту образования аммиака.