Контрольная работа по дисциплине «Химия» для ТулГУ, пример оформления

Контрольная №1 ВАРИАНТ 6

6. Чему равен при н.у. эквивалентный объем водорода? Вычислите молярную массу эквивалента металла, если на восстановление 1,017 г его оксида израсходовалось 0,28 л водорода (н.у.).

Решение: Так как мольная (молярная) масса водорода Н₂ (2 г/моль) при н. у. занимает объем 22,4 л, то объем эквивалентной массы водорода (эквивалентный объем водорода) будет V= 22,4 / 2 = 11,2 л. По закону эквивалентов эквивалентная масса оксида металла составит mЭ (МеО) =m(МеО) ∙(V(mЭ) /V)=1,017∙(11,2/0,28)=40,68 г/моль Согласно закону эквивалентов mЭ (МеO) = mЭ (Ме) + mЭ (O₂) Откуда эквивалентная масса металла mЭ (Ме) = mЭ (МеO) − mЭ (O₂) = 40,68 — 8 = 32,68 г/моль. Ответ: mЭ (Ме) = 32,68 г/моль.  

22. При сгорании металла массой 3 г образуется его оксид массой 5,67 г. Степень окисления металла в оксиде равна +3. Что это за металл?

Решение: 1.Для кислорода эквивалентная масса составит m_э(О₂) = 32∙(1/4) = 8 г-экв., т.к. f эквивалентности (О₂)= ¼

2. Определим массу кислорода, присоединенного металлом:

m(О₂) = 5,67-3= 2,67 г. 3.По  закону эквивалентов  определим молярную массу эквивалента металла: , откуда 4.Из соотношения М_экв = А_r/В находим атомную массу металла: В_Ме =3 (металл трехвалентный) А_r = М_экв ∙В = 9·3 = 27. Этот металл – алюминий.  

38. Напишите электронные формулы атомов элементов с порядковыми номерами 14 и 40. Сколько свободных 3d-орбиталей у атомов последнего элемента?

Решение:   Кремний находится в третьем периоде IV группе главной (А) подгруппе Периодической таблицы. Относится к элементам p-семейства. Неметалл. Обозначение – Si. Порядковый номер – 14. Относительная атомная масса – 28,086 а.е.м. Электронное строение атома кремния Атом кремния состоит из положительно заряженного ядра (+14), состоящего из 14 протонов и 14 нейтронов, вокруг которого по 3-м орбитам движутся 14 электронов. Распределение электронов по орбиталям выглядит следующим образом: +14Si)₂)₈)₄; 1s²2s²2p⁶3s²3p². На внешнем энергетическом уровне кремния находится четыре электрона, все электроны 3-го подуровня. Энергетическая диаграмма принимает следующий вид: Наличие двух неспаренных электронов свидетельствует о том, что кремний способен проявлять степень окисления +2. Также возможно возбужденное состояние для атома кремния за счет наличия вакантной 3d-орбитали. Электроны 3s -подуровня распариваются и занимают свободные d-орбитали: Поэтому у кремния есть ещё одна степень окисления, равная +4. Цирконий расположен в пятом периоде IV группе побочной (В) подгруппе Периодической таблицы. Относится к элементам d-семейства. Металл. Обозначение – Zr. Порядковый номер – 40. Относительная атомная масса – 91,22 а.е.м. Электронное строение атома циркония Атом циркония состоит из положительно заряженного ядра (+40), внутри которого есть 40 протонов и 51 нейтрона, а вокруг, по пяти орбитам движутся 40 электронов. Распределение электронов по орбиталям выглядит следующим образом: +40Zr)₂)₈)₁₈)₁₀)₂; 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d¹⁰4s²4p⁶4d²5s². Внешний энергетический уровень атома циркония содержит 4 электрона, которые являются валентными. Энергетическая диаграмма основного состояния принимает следующий вид: В атоме циркония свободных 3d-орбиталей нет.    

73. Какой из элементов четвертого периода – ванадий или мышьяк – обладает более выраженными металлическими свойствами? Какой их этих элементов образует газообразное соединение с водородом? Ответ мотивируйте, исходя из строения атомов данных элементов.

Решение: V (ванадий) и As (мышьяк) находятся в одной группе (V) периодической системы, в одном периоде (IV), но в разных подгруппах. Ванадий находится в побочной подгруппе пятой группы, а As находится в главной подгруппе. Размещение элементов в разных подгруппах свидетельствует об их различной химической и физической активности. Электронные формулы: ₊₂₃V 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d³4s²;         ₊₃₃Аs 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d¹⁰4s²4p³.  Принадлежность элемента к металлам или неметаллам определяется, в основном, числом электронов на внешнем энергетическом уровне. Атомы металлов на внешнем уровне содержат 1–2, реже 3 электрона. Металлы проявляют только восстановительные свойства и, отдавая свои электроны, переходят в положительно заряженные ионы. Отрицательно заряженных ионов металлы не образуют. Атомы неметаллов на внешнем энергетическом уровне имеют 4–7 электронов. Они могут как принимать электроны, т. е. выступать в качестве окислителей, так и отдавать электроны, т. е. быть восстановителями. У неметаллов окислительная функция выражена сильнее, чем восстановительная. Атомы неметаллов образуют отрицательно заряженные ионы. Таким образом, ванадий (у которого на внешнем уровне не больше двух электронов), как и все металлы, обладает только восстановительными свойствами, тогда как для мышьяка (число электронов на внешнем уровне = 5) более свойственны окислительные функции. Следовательно, металлические свойства у ванадия выражены сильнее, чем у мышьяка. Мышьяк относится к p-элементам поэтому с водородом он образует соединение с ковалентно-полярной связью (газообразный гидрид AsH₃ – арсин) такая связь практически всегда образует молекулярную кристаллическую решетку (связи в молекулах прочные, но между молекулами связи очень слабые), поэтому мышьяк способен образовывать газообразное соединение с водородом.    

110. Сколько неспаренных электронов имеет атом хлора в нормальном и возбужденном состояниях? Распределите эти электроны по квантовым ячейкам. Чему равна валентность хлора, обусловленная неспаренными электронами?

Решение:   Хлор находится в третьем периоде VII группе главной (А) подгруппе Периодической таблицы. Относится к элементам p-семейства. Неметалл. Элементы-неметаллы, входящие в эту группу, носят общее название галогены. Обозначение – Cl. Порядковый номер – 17. Относительная атомная масса – 35,453 а.е.м. Электронное строение атома хлора Атом хлора состоит из положительно заряженного ядра (+17), состоящего из 17 протонов и 18 нейтронов, вокруг которого по 3-м орбитам движутся 17 электронов. Распределение электронов по орбиталям выглядит следующим образом: +17Cl)₂)₈)₇; 1s²2s²2p⁶3s²3p⁵. На внешнем энергетическом уровне атома хлора находится семь электронов, все они считаются валентными. Энергетическая диаграмма основного состояния принимает следующий вид: Наличие одного неспаренного электрона свидетельствует о том, что хлор способен проявлять валентность I. Также возможно несколько возбужденных состояний из-за наличия вакантной 3d-орбитали. Сначала распариваются электроны 3p -подуровня и занимают свободные d-орбитали, а после – электроны 3s-подуровня: Этим объясняется валентность  хлора = III, V и VII.  

123. Нарисуйте энергетическую схему образования молекулы F₂ по методу молекулярных орбиталей (МО). Сколько электронов находится на связывающих и разрыхляющих орбиталях? Чему равен порядок связи в этой молекуле?

Решение: С позиций метода МО электронное строение молекулы F₂ можно представить так: Из энергетической схемы образования молекулы F₂ следует, что на связывающих орбиталях находится шесть электронов, а на разрыхляющих – четыре спаренных электрона. Порядок связи равен разности чисел электронов на связывающих и разрыхляющих орбиталях, делённой на два. В молекуле фтора порядок связи равен единице: Так, образование молекулы  фтора F₂ из атомов в системе обозначений теории молекулярных орбиталей может быть записано следующим образом: 2F [1s²2s²2p⁵] =F₂[(σ_1s)²(σ^*_1s)²(σ_2s)²(σ^*_2s)²(σ_2px)²(π_2py)²(π_2pz)²(π^*_2py)²(π^*_2pz)²]. Т.к. перекрывание 1s-облаков незначительно, то участием электронов на этих орбиталях можно пренебречь. Тогда электронная конфигурация молекулы фтора будет такой: F₂[KK(σ_s)²(σ^*_s)²(σ_x)²(π_y)²(π_z)²(π^*_y)²(π^*_z)²], где К — электронная конфигурация К-слоя.  

143. Тепловой эффект какой реакции равен теплоте образования NO? Вычислите теплоту образования NO, исходя из следующих термохимических уравнений:

4NH₃ + 5O₂(г) = 4NO(г) + 6Н₂О(ж); ΔН₁ = -1168,80 кДж; 4NH₃ + 3O₂(г) = 2N₂(г) + 6Н₂О(ж); ΔH₂ = -1530,28 кДж. Решение: Стандартная теплота образования равна теплоте реакции образования 1 моль этого вещества из простых веществ при стандартных условиях (Т = 298 К; р = 1,0325 . 105 Па). Образование NO из простых веществ можно представить так: 1/2N₂ + 1/2O₂  = NO   Дана реакция (а), в которой образуется 4 моль NO и дана реакция (б), в которой образуется 2 моль N₂. 4NH₃ + 5O₂(г) = 4NO(г) + 6Н₂О(ж); ΔН₁ = -1168,80 кДж; (а) 4NH₃ + 3O₂(г) = 2N₂(г) + 6Н₂О(ж); ΔH₂ = -1530,28 кДж.  (б)   В обеих реакциях участвует кислород. Следовательно, для определения стандартной теплоты образования NO составим следующий цикл Гесса, т. е. нужно вычесть уравнение (а) из уравнения (б): Таким образом, 1/2N₂ + 1/2O₂  = NO;  =  +90,37 кДж. Ответ: ∆ Н = +90,37 кДж.

168. При стандартных условиях реакция протекает самопроизвольно. Определите знаки ΔН и  ΔS  в этой системе.

Решение: Поскольку известно, что реакция протекает в прямом направлении, следовательно, ΔG < 0. Для этой реакции энтропия уменьшается, так как из газообразных веществ получается жидкие, т.е. ΔS < 0. Поскольку ∆_rН⁰, ∆_rS⁰ и ∆_rG⁰ реакции связаны друг с другом уравнением: Δ_rG⁰ = Δ_rH⁰– T·Δ_rS⁰, то знак изменения энтальпии системы может быть только отрицательным: ∆Н_r<0.  

198. Как повлияют на обратимую реакцию получения стирола , ΔH = -152 кДж/мольследующие воздействия: а) увеличение давления; б) повышение температуры; в) разбавление реагентов инертным газом?

Решение:   C₆H₅C₂H₅(г)  F C₆H₅CH=CH₂(г) + H₂(г);  ∆H= — 152 кДж/моль Смещение химического равновесия при изменении внешних условий  подчиняется  принципу  Ле-Шателье: всякая  система, находящаяся  в  состоянии химического  равновесии, при оказании на нее внешнего воздействия, стремится это воздействие ослабить. а) Увеличение (уменьшение) давления смещает равновесие в сторону уменьшения (увеличения) объема газообразных продуктов реакции. В данном случае, в левой части уравнения реакции 1 моль газообразных веществ, а  в правой части — 2 моль. Значит, при увеличении  давления равновесие сместится влево. б) Прямая реакция экзотермическая (∆Н<0) , следовательно, при  повышении температуры равновесие сместится влево. в) Если  уменьшить концентрацию  исходных веществ (путем разбавления инертным газом),  то  уменьшится  скорость  прямой  реакции  и произойдет сдвиг равновесия влево.

215. Напишите выражение для константы равновесия гетерогенной системы СО₂ + С2СО. Как изменится скорость прямой реакции – образования СО, если концентрацию СО₂ уменьшить в четыре раза? Как следует изменить давление, чтобы повысить выход СО?

Решение: Уравнение реакции имеет вид: СО₂ + С ↔ 2СО При равновесии скорости прямой и обратной реакции равны, а отношение констант этих скоростей постоянно и называется константой равновесия системы: K_равн. = K₁∙[CO]²/[CO₂] При гетерогенной реакции учитываются только концентрации газообразных веществ. Согласно закону действующих масс, скорость прямой реакции до изменения концентрации равна: V _пр. = K₁∙[CO₂]. После уменьшения концентрации СО₂ в 4 раза её значение можно записать так: [CO₂] = 0,25 [CO₂]. При новой концентрации СО₂ скорость прямой реакции  пр будет равна: V ′_пр. = K₁∙[0,25∙CO₂], тогда V′ _пр./V_пр. = K₁∙[0,25∙CO₂]/(K₁∙[CO₂]) = 1/4 Следовательно, при уменьшении концентрации СО₂ в 4 раза скорость прямой реакции уменьшится в 4 раза. В соответствии с принципом Ле Шателье увеличение давления смещает равновесие в сторону той реакции, которая приводит к уменьшению общего числа молекул в газовой смеси, а, следовательно, к уменьшению давления в системе. И, наоборот, при уменьшении давления равновесие смещается в сторону реакции, сопровождающейся увеличением общего числа молекул газа, что влечет за собой увеличение давления в системе. Так как в данной системе происходит увеличение объёма (из 1 моль газообразного исходного вещества образуется 2 моль газообразного продукта реакции), то для смещения равновесия в данной системе в сторону прямой реакции – образовании СО надо уменьшить давление в системе.