Для приведенной в условии задачи реакции

HCHO_(r) H_2(r) + CO_(r)

кинетическое уравнение имеет вид:

 

V = k C_HCHO ²

При повышении концентрации первого реагента в …3…. раз ( ) скорость реакции возрастет в…9….. раз.

При повышении концентрации второго реагента в …-…. раз ( ) скорость реакции возрастет в…-….. раз.

При повышении давления в …5…. раз ( ) скорость реакции возрастет в 5²…*…= …25.. раз.

 

Зависимость скорости реакции от температуры отображается формулой Вант-Гоффа:

 

где V_t2 - скорость реакции при температуре t₂,

V_t1 - скорость реакции при температуре t₁,

g - постоянная для данной реакции величина, называемая температурным коэффициентом реакции.

 

Данные, приведенные в условии задачи:

 

g = ..2,8....

t₁ = ..347K....

t₂ = ..377K...

Вычисления по формуле Вант-Гоффа дают результат:

= 2,8^377-347/10 = 21,952 ≈ 22

Таким образом, при повышении температуры на 30K скорость данной реакции возрастет в ..22... раза.

 

Большинство химических реакций являются обратимыми: одновременно с прямой реакций протекает обратная. В момент выравнивания скоростей прямой и обратной реакций в системе наступает состояние химического равновесия.

Константа химического равновесия характеризует взаимосвязь равновесных концентраций веществ, участвующих в данной реакции.

Для реакции общего вида:

a A + b B ↔ c C + d D,

где A, B, C, D - химические формулы веществ, а, b, c, d - стехиометрические коэффициенты, выражение для константы химического равновесия выглядит следующим образом:

где [A], [B], [C], [D] - равновесные концентрации соответствующих веществ.

В случае гомогенного равновесия (все вещества находятся в одинаковом фазовом состоянии, реакция происходит в однородной, гомогенной среде) в правую часть данного выражения записывают равновесные концентрации всех участников этого равновесия.

Для гетерогенных равновесий (вещества находятся в разных фазовых cостояниях, реакция протекает в неоднородной, гетерогенной среде) концентрацию твердых веществ считают практически неизменной и не записывают в правую часть выражения для константы равновесия.

Равновесие, отображенное схемой, приведенной в условии задачи, относится к разряду ........................, выражение для константы равновесия имеет вид:

 

 

К_p = P_{H2 *} P_CO

P_HCHO

 

Изменение внешних условий приводит к смещению химического равновесия. Прогнозировать направление смещения равновесия можно с помощью принципа Ле Шателье:

если на систему, находящуюся в равновесии, оказывается воздействие извне, то равновесие смещается в сторону той реакции, протекание которой максимально ослабляет внешнее воздействие.

Поэтому:

нагреваниеблагоприятствует протеканию эндотермической реакции (DH>0), а охлаждение, напротив, смещает равновесие в сторону протекание экзотермической реакции (DH<0);

повышение общего давления в системе смещает равновесие в сторону реакции с образованием меньшего количества газообразных веществ, а понижение - большего;

добавление в реакционную систему какого-либо компонента ускоряет ту реакцию, где этот компонент расходуется, а отвод - реакцию, в которой это вещество образуется.

 

Исходя из этого, для смещения равновесия слева направо в рассматриваемой в задаче системе обратимых химических реакций, в которой прямая реакция происходит с поглащением... тепла (DH > 0) и увеличением (увеличением или уменьшением) количеств газообразных веществ (из 1 моль газов (HCHO) в результате реакции образуется 2 моль газообразных продуктов(H₂ и CO)), НЕОБХОДИМО:

 

n - температуру повысить (повысить или понизить),

n - давление понизить (повысить или понизить)

n - концентрацию исходных веществ ... HCHO.... и ...……..(формулы) повысить (повысить или понизить),

n - концентрацию продуктов прямой реакции ..... H₂...... и ... CO.......(формулы) понизить (повысить или понизить) (отвод).

 

Задача N 6

Для реакций:

1. Se + AuCl₃ + H₂O Au + H₂SeO₃ + HCl

2. MnO₂ + NaOH MnO(OH) + Na₃MnO₄ + H₂O

 

Составьте уравнения методом электронного баланса. Для каждой реакции укажите, какое вещество является окислителем, а какое – восстановителем и за счет каких атомов. Определите типы данных окислительно-восстановительных реакций.

 

Решение

Окислительно-восстановительные реакции характеризуются переходом электронов от одного вещества (восстановителя) к другому (окислителю).

Для ответов на вопросы задачи вычислим степени окисления атомов, входящих в состав приведенных в уравнении реакции веществ, руководствуясь следующими правилами:

 

· - степени окисления атомов в простых веществах (построенных из атомов одного и того же элемента) принимаются равными нулю;

 

· - степень окисления атома водорода в соединениях с неметаллами равна +1;

 

· - степень окисления атома кислорода в большинстве его соединениях равна -2 (к исключениям из правила относятся, например, пероксиды типа H₂O₂, в которых степень окисления атома О равна -1);

 

· - степени окисления типичных металлов (I,II,III группы главные подгруппы периодической системы Д. И. Менделеева, кроме бора) в их соединениях постоянны и численно равны номеру группы, т.е. +1, +2, +3, соответственно;

 

· - алгебраическая сумма степеней окисления атомов в молекуле равна нулю, в сложном ионе - заряду иона.

 

Запишем вычисленные степени окисления над символами элементов в уравнении реакции:

Se^O + Au⁺³Cl₃^-1 + H₂⁺¹O^-2 Au^O + H₂⁺¹Se⁺⁴O₃^-2 + H⁺¹Cl^-1

Mn⁺⁴O₂^-2 + Na⁺¹O^-2H⁺¹ Mn⁺³O^-2 (OH) ^-1 + Na₃⁺¹Mn⁺⁵O₄^-2 + H₂⁺¹O^-2

Для составления электронных уравнений выпишем атомы элементов, изменившие свои степени окисления, и укажем число электронов, отдаваемое или принимаемое атомами для осуществления такого изменения степеней окисления:

 

первая реакция:

Se^O - - 4 е = Se⁺⁴

Au⁺³ - + 3 е = Au^O

вторая реакция:

 

Mn⁺⁴ - + 1 е = Mn⁺³

Mn⁺⁴ - - 1 е = Mn⁺⁵

Восстановителями (отдают электроны) являются:

В первой реакции Se (степень окисления повышается с 0 до + 4) ……………………………………………………………………

Во второй реакции MnO₂ (за счет атома Mn, степень окисления которого повышается с + 4 до + 5) ………………………………

 

Окислителями (принимают электроны) являются:

 

В первой реакции AuCl₃ (за счет атома Au, понижает степень окисления с + 3 до 0)….……………………………

Во второй реакции MnO₂ (за счет атома Mn , понижает степень окисления с + 4 до +3). ………………………………

 

 

Суммарное число электронов, отдаваемых в ходе реакции частицами-восстановителями, и суммарное число электронов, принимаемых в ходе реакции частицами-окислителями должны быть равны друг другу. На этом основан один из методов расстановки коэффициентов в уравнениях окислительно-восстановительных реакций, называемый методом электронного баланса.

Для обеспечения указанного электронного равенства подберем множители к электронным уравнениям процессов окисления и восстановления, найдя наименьшее общее кратное для числа отданных и присоединенных электронов и поделив его на каждое из чисел.

 

Запишем полученные множители справа за чертой у каждого из уравнений:

 

 

Первая реакция:

Se^O - - 4 е = Se⁺⁴ 3

Au⁺³ - + 3 е = Au^O 4

 

Вторая реакция:

Mn⁺⁴ - + 1 е = Mn⁺³ 1

Mn⁺⁴ - - 1 е = Mn⁺⁵ 1

 

Расстановку коэффициентов проведем в следующей последовательности:

 

· - перенесем полученные в электронном балансе множители в левую и правую части уравнения реакции к формулам соответствующих веществ;

· - уравняем атомы металлов;

· - уравняем кислотные остатки;

· - уравняем атомы водорода.

 

Итоговые коэффициенты в уравнениях данных реакций таковы:

 

Первая реакция:

 

3Se + 4AuCl₃ + 9H₂O 4Au + 3H₂SeO₃ + 12HCl

Вторая реакция:

 

2MnO₂ + 3NaOH MnO(OH) + Na₃MnO₄ + H₂O

Для проверки их правильности просуммируем число атомов кислорода в левой и правой части уравнения:

..9.... = ..9...

..7.... = .7.....

 

 

Значит коэффициенты расставлены верно.

 

Для определения типа рассматриваемой окислительно-восстановительной реакции воспользуемся следующей классификацией:

· - межмолекулярные окислительно-восстановительные реакции (атом-окислитель и атом-восстановитель входят в состав разных веществ);

· - внутримолекулярные окислительно-восстановительные реакции (атом-окислитель и атом-восстановитель входят в состав одного и того же вещества, являясь атомами разных элементов);

· - реакции диспропорционирования (атом-окислитель и атом-восстановитель являются атомами одного и того же элемента в промежуточной степени окисления).

 

Рассматриваемые в задаче окислительно-восстановительные реакции относятся к типам:

первая межмолекулярные, т.к. атом-окислитель и атом-восстановитель входят в состав разных веществ ……..…………………………………………………………………………............ ………………………………………………………………………………………………………….............

вторая диспропорционировани,т.к. атом-окислитель и атом-восстановитель являются атомами одного и того же элемента в промежуточной степени окисления ……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………..

 

 

. Задача N 7

Составьте схему гальванического элемента, напишите электронные уравнения электродных процессов и суммарное уравнение соответствующей окислительно-восстановительной реакции. Вычислите концентрацию раствора электролита или ЭДС.

 

Номер задачи	Металл 1-го электрода	Электролит 1-го электрода	Концентрация электролита 1-го электрода	Металл 2-го электрода	Электролит 2-го электрода	Концентрация электролита 2-го электрода	ЭДС
	Mn	Mn(NO2) 3	1,00	Tl	TlNO3	0,10	?

 

 

Решение

Гальванический элемент - это электрохимическая система, в которой энергия окислительно-восстановительной реакции трансформируется в электрическую энергию, т.е. такая система служит в качестве химического источника тока.

Анодный процесс заключается в окислении металла, характеризующегося более отрицательной величиной электродного потенциала Е⁰, в катодном процессе участвует частица-окислитель, присутствующая в катодном электролите.

 

Для металлов, приведенных в условии задачи:

Е⁰_Mn²⁺ /_Mn......... = -1,180В,

 

Е⁰_Tl⁺ /_Tl = -0,336В

 

(таблицу стандартных электродных потенциалов см. в Методических указаниях к контрольным работам по химии);

Более отрицательной величиной электродного потенциала характеризуется металл Mn., поэтому именно он и будет участником анодного процесса.

Металл анода окисляется, что можно представить в виде электронного уравнения вида:

Ме⁰ - m e^- = Me^m+

Для данного металла:

 

Mn⁰ - 2 е^- = Mn²⁺

Катодный процесс заключается в восстановлении катионов металла, входящих в состав соли – электролита катода.

Соответствующее электронное уравнение имеет вид:

 

Meⁿ⁺ + n e^- = Me⁰

Для системы, описанной в условии задачи:

Tl ⁺ + 1 е^- = Tl⁰

^{суммарное уравнение}

Mn⁰ - 2 е^- = Mn²⁺

Tl ⁺ + 1 е^- = Tl⁰

^{__________________________}

Mn⁰ + 2 Tl ⁺ = Mn²⁺ + 2Tl⁰

Mn + 2 TlNO₃ = Mn(NO3)₂ + 2Tl

 

Электрохимическая схема - это условная запись, в которой представлена информация о аноде и катоде с указанием металлов, состава электролитов, а также особенностях конструкции данного

гальванического элемента:

Металл I | Электролит I || Электролит II | Металл II

(с более .. (с менее

отриц.Е⁰) отриц.Е⁰)

АНОД КАТОД

 

Для рассматриваемого в задаче гальванического элемента электрохимическая схема имеет вид:

Mn | Mn(NO₃) ₂ || TlNO₃ | Tl

_{а н о д к а т о д}

 

Чтобы вычислить ЭДС гальванического элемента, необходимо найти разность потенциалов катода и анода:

ЭДС = Е _катода - Е _анода

 

Каждый из указанных потенциалов можно вычислить по формуле Нернста:

 

 

где Е⁰ – стандартный электродный потенциал металла анода или катода, n - число электронов, отдаваемых восстановителем или принимаемых окислителем, С - концентрация электролита, моль/л.

Следовательно, ЭДС гальванического элемента может быть представлена следующей формулой:

ЭДС = (Е _{мет. катода +} lg C_{эл-та катода}) _– (Е _{мет. анода +} lgC_{эл-та анода)}

Подставляем численные данные условия задачи и производим необходимые вычисления:

Е _{мет. катода = -0,336В}

C_{эл-та катода =} 0,10моль/л

lg C_{эл-та катода = -1}

n = 1(для катодного процесса)

Е _{мет. анода =} -1,180В

C_{эл-та анода =} 1,00моль/л

lgC_{эл-та анода = 0}

n = 2(для анодного процесса)

ЭДС = 0,785В

 

ЭДС = (_-0,336+ lg 0,10) _– (-1,180₊ lg 1,00)

Неизвестная величина: ЭДС = 0,785В

 

Задача N 9

Как будет происходить электролиз водного раствора электролита …NiBr₂……….? Приведите уравнение диссоциации электролита и поясните возможность участия каждого из образующихся ионов в электродных реакциях. Составьте электронные уравнения процессов, протекающих на инертных электродах. Вычислите массу (для твердых и жидких) или объем (для газообразных) веществ, образующихся на электродах.

 

Решение

Электролиз - это окислительно-восстановительная реакция, происходящая на электродах при пропускании электрического тока через расплав или раствор электролита. В таких системах электролиты подвергаются диссоциации – распаду на положительно- (катионы) и отрицательно- (анионы) заряженные ионы. Уравнение диссоциации электролита имеет вид:

K_mA_n = mK^x+ + nA^y-

Для электролита, рассматриваемого в данной задаче:

 

……………… NiBr₂ = Ni²⁺ + 2Br ^- ……………………………….

 

При электролизе расплавов веществ на катоде происходит процесс восстановления катионов (процесс присоединения электронов), а на аноде - процесс окисления анионов (процесс отдачи электронов). В результате, как правило, происходит разрядка ионов, т.е. переход их в нейтральное состояние:

 

К^x+ + xe = K⁰ (на катоде)

A^y- - ye = A⁰ (на аноде)

Если электролизу подвергается водный раствор, то необходимо учитывать возможность участия воды, как в катодном, так и в анодном процессе.

Преимущественное участие молекул воды в катодном процессе:

 

2 H₂O + 2e = H₂ + 2 OH^-

происходит в том случае, если в состав электролита входят катионы электрохимически активных металлов:

 

Li⁺, Rb⁺, K⁺, Cs⁺, Ra²⁺, Ba²⁺, Ca²⁺, Na⁺, Mg²⁺, Al³⁺.

 

Такие катионы требуют для своей разрядки значительно больше энергии, чем ее затрачивается на выделение водорода из воды, поэтому получить эти металлы электролизом водных растворов их соединений невозможно.

 

Поскольку в состав электролита, указанного в условии задачи, входят катионы ... Ni²⁺......, то электронное уравнение катодного процесса имеет вид:

.................Ni²⁺ +2е- = Ni²⁺

Если в состав электролита входят анионы кислородсодержащих кислот:(NO₃^-, NO₂^-, SO₃^2-, SO₄^2-, PO₄^3-, CO₃^2- и т.п.), а также фторид-анион F^-, то по тем же энергетическим причинам в анодном процессе участвуют анионы электролита, а молекулы воды:

 

2 H₂O - 4e = O₂ + 4 H⁺

^{В состав рассматриваемого в задаче электролита входят анионы ..} 2Br ^{- ......., поэтому электронное уравнение анодного процесса выглядит следующим образом:}

........................ 2Br ^- - 2е ^- = Br⁰ .............

Продуктами данного электролиза являются:)

- непосредственно выделяющиеся на электродах металлический никель (Ni),

- а также результаты вторичных взаимодействий между ионами, входящими в состав исходного электролита и не принимающие участие в электродных реакциях и ионами, образующимися в результате электродных реакций ........................................... NiBr₂...............................................................

Для вычислений массы m (для газов - объема V) веществ, образующихся на электродах в результате электролиза, необходимо воспользоваться законом Фарадея:

 

или (для газов):

 

где m - молярная масса, г/моль

V_m- молярный объем, равный 22.4 л/моль при н.у.

I - сила тока, А

z - число электронов в уравнении электродного процесса

t - время проведения электролиза, секунды

F - постоянная величина (число Фарадея),

равная 96500 Кл/моль

 

В условии задачи дано: I = ...5....... A, t = ....2ч15 мин...... или 8100 сек

 

Первый продукт электролиза … Br₂ формула) является … жидким …..(твердым, жидким или газообразным) веществом, поэтому для него необходимо вычислить … массу …..(массу или объем). Подставляем в соответствующую формулу необходимые значения: m = ...80*2=160....... г/моль, z = ...2........

Для твердых или жидких веществ:

 

Для газообразных веществ:

 

Второй продукт электролиза …Ni…(формула) является … твердым..(твердым, жидким или газообразным) веществом, поэтому для него необходимо вычислить … массу …..(массу или объем). Подставляем в соответствующую формулу необходимые значения: m = .59........ г/моль, z = ...2........

Для твердых или жидких веществ:

 

Для газообразных веществ:

 

Третий продукт электролиза … .............(формула) является … газообразным …..(твердым, жидким или газообразным) веществом, поэтому для него необходимо вычислить объем …..(массу или объем). Подставляем в соответствующую формулу необходимые значения: m = ......... г/моль, z = ...........

Для твердых или жидких веществ:

 

Для газообразных веществ:

 

Четвертый продукт электролиза …………(формула) является …………………..(твердым, жидким или газообразным) веществом, поэтому для него необходимо вычислить ………………..(массу или объем). Подставляем в соответствующую формулу необходимые значения: m = .......... г/моль, z = ...........

Для твердых или жидких веществ:

 

Для газообразных веществ:

 

 

[1] 1 кДж = 1000 Дж