Расчётное задание 3 / Расчётное задание 3. Пример выполнения

Задание 1 Химическая кинетика (таблица 1)

реакции совпадает со стехиометрическим коэффициентом реагента и равен 2.

Размерность константы скорости для реакции второго порядка л / (моль с)

1.2. По условию начальная скорость реакции υ0 = 3,56·10–3 моль/л·с и начальная концентрация вещества с0А = 2,0 моль/л (таблица 2). Константу скорости и период полупревращения необходимо определять по формулам в соответствии с порядком реакции. Для реакции (10), имеющей второй порядок, константу скорости реакции можно найти из соотношения (11):

Для заданной реакции (10) τ1/2 = 1/(8,9·10–4·2,0) = 561,8 с или 9,36 мин.

1.3. Находить концентрацию реагента A в момент времени когда концентрация продукта реакции В достигнет значения сτВ удобнее через таблицу материального баланса.

Таблица материального баланса для реакции (10)

По условию концентрация продукта В реакции (10) через некоторое время τ достигнет значения сτВ = 0,55 моль/л, следовательно x = 0,55. Тогда концентрация реагента А с учетом стехиометрии к заданному моменту времени: сτА = 2,0 – 2·0,55 = 0,9 моль/л.

Выражение для константы скорости реакции второго порядка:

Массовая доля вещества в – это отношение массы растворенного вещества к общей массе раствора.

Найдем массу растворенного вещества. По условию в 1 литре раствора содержится 0,002 моля Ba(ОН)2. Принимая плотность равной 1, считаем, что эти 0,002 моля содержатся и в 1000 граммах раствора. Тогда рассчитаем массу Ba(ОН)2 (m), соответствующую этому количеству молей.

m = n·M, где n – количество молей, M – молярная масса.

Молярная масса Ba(ОН)2 M = 137 + (16+1)·2 = 171 г. m = 0,002·171 = 0,342 г

Масса раствора при единичной плотности составит 1000 г. Тогда массовая

Титр раствора – это отношение массы растворенного вещества (в граммах) к объему раствора (в мл).

2.2. Рассчитайте массу электролита из пункта 2.1, необходимую для приготовления 800 мл водного раствора с молярной концентрацией ст.1а, принимая его плотность равной единице.

По условию в 1000 мл раствора содержится 0,002 моля Ba(ОН)2. Тогда в 800 мл количество молей Ba(ОН)2 составит 0,002 · 800 / 1000 = 0,0016 моль.

Рассчитаем массу Ba(ОН)2 (m), соответствующую этому количеству молей. m = n·M, где n – количество молей, M – молярная масса (считали выше).

m = 0,0016·171 = 0,274 г

2.3. Из 3-х веществ (столбцы 1 – 3) вашего варианта выберите сильные и слабые электролиты и составьте уравнение диссоциации их в водном растворе. Дайте определение сильных и слабых электролитов.

Основание Ba(ОН)2 относится к сильным электролитам. Сильные электролиты диссоциируют практически полностью (в растворе отсутствуют не распавшиеся на ионы частицы) и необратимо. Уравнение диссоциации для

Угольная кислота H2СO3 является слабым электролитом. Слабые электролиты диссоциируют частично (на ионы распадается только часть молекул) и этот процесс обратим. Молекулы многоосновных кислот и

оснований диссоциируют ступенчато. Уравнения для каждой ступени

электролиты). Уравнение диссоциации для SrSO4:

→ Sr2+ + SO4 2–

Определение сильных и слабых электролитов – теоретический вопрос, ответ дать самостоятельно.

2.4. Для раствора электролита вашего варианта из столбца 1 (соответствующее значение концентрации приведено в ст. 1а) определите ионную силу раствора и активность катионов и анионов. Рассчитайте рН заданного раствора.

По условию молярная концентрация раствора c Ba(ОН)2 = 0,002 моль/л.

При расчете водородного показателя, необходимо помнить, что он определяется характером реакции раствора и соотносить значение полученного pH с природой заданного вещества. При 298 К для кислых растворов рН < 7, для нейтральных рН 7, для щелочных рН > 7.

Для сильных электролитов водородный показатель рассчитывается по формулам:

где aH+ и aOH– – активности ионов H+ и OH–, соответственно. Выражения для нахождения активности:

где γH+ и γOH– – коэффициенты активности ионов H+ и OH– в растворе, а cH+ и cOH– – относительные концентрации ионов H+ и OH– в растворе, численно равные молярной концентрации при условии полной диссоциации электролита. Коэффициент активности ионов γ определяется либо по приближенным формулам, либо по правилу ионной силы, согласно которому коэффициенты активности ионов одинакового заряда в растворах с одинаковой ионной силой равны по величине. Таблица приближенных коэффициентов активности отдельных ионов в зависимости от ионной силы приведена в приложениях к лабнику (Лабораторный практикум, стр.247). Ионная сила раствора I, рассчитывается как полусумма произведений

Зная величину I, определяем коэффициенты активности ионов γH+ или γOH–, затем их активность и вычисляем водородный показатель.

Для заданного электролита 0,002 М Ba(ОН)2, ионную силу раствора I определяем по формуле (19). Как видно из уравнения (14), концентрация ионов OH– (с учетом полного распада молекул на ионы) cOH– = 2·0,002 = 0,004 моль/л, т.к. из каждой молекулы Ba(ОН)2 при диссоциации образуются два иона OH–, а концентрация ионов бария cBa2+ = 0,002 моль/л. Ионная сила такого раствора, рассчитанная по (19): I = 1/2 (0,002·(+2)2 + 0,004·(–1)2) = 0,006.

Коэффициент активности γВа2+ найдем по правилу ионной силы из таблицы. В таблице приведены данные для коэффициентов активности однозарядных ионов при I = 0,01 и I = 0,005.

Коэффициент активности γВа2+ при I = 0,006 определяется методом интерполяции, предполагая линейную зависимость от I в данном интервале. Как видно из

графика, ионной силе 0,006 соответствует коэффициент активности γВа2+ ≈ 0,638. Тогда активность ионов Ва2+ в растворе, рассчитанная согласно формуле (18’):

aВа2+ = γВа2+ · c Ва2+ = 0,638·0,002 = 0,00128.

Коэффициент активности γOH– найдем по правилу ионной силы из таблицы. В таблице приведены данные для коэффициентов активности однозарядных ионов при I = 0,01 и I = 0,005. Коэффициент активности γOH– при I = 0,006 определяется методом интерполяции, предполагая линейную зависимость от I в данном интервале. Как видно из графика, ионной силе 0,006 соответствует коэффициент активности γOH– ≈ 0,944. Тогда активность

ионов OH– в растворе, рассчитанная согласно формуле (18’):

aOH– = γOH–· cOH–= 0,944·0,004 = 0,0038.

Для заданного электролита 0,002 М Ba(ОН)2, расчет pH нужно проводить по формуле (17):

pH = 14 + lg0,0038 = 11,58 (щелочная среда, рН > 7).

2.5. Дайте определение константы диссоциации. Напишите выражение для констант диссоциации раствора электролита вашего варианта из столбца 2 (соответствующее значение концентрации приведено в ст. 2а) по всем возможным ступеням. Рассчитайте степень диссоциации этого электролита по строгой и приближенной формуле Оствальда и сделайте вывод по полученным значениям. Рассчитайте рН заданного раствора.

Определение константы диссоциации – теоретический вопрос, ответ дать самостоятельно.

Молекулы многоосновных кислот и оснований диссоциируют ступенчато, и каждая стадия характеризуется своим значением КД. Значения констант диссоциации некоторых слабых электролитов при 298 К приведены в

для оснований (298 К) pH = 14 – pOH =14 + lgcOH– (20’)

При этом равновесные концентрации ионов H+ и OH– рассчитывают исходя из соответствующих констант диссоциации (КД) слабых электролитов или степени диссоциации (α). Степень диссоциации – отношение числа молекул,

продиссоциировавших на ионы, к общему числу молекул электролита c0:

Расчет степени диссоциации по приближенной форме правомерен, т.к. значения получились одинаковые.

Концентрация ионов H+ рассчитывается в соответствии с (21) и

составит: cH+ = α·c0 = 0,0095·0,005= 4,75·10–5 моль/л.

Значение водородного показателя заданной кислоты определяется по формуле (20):

pH = – lgcH+= – lg(4,75·10–5) = 4,32 (кислая среда, рН < 7).

Приложение

Химическим эквивалентом (Э(В)) (по рекомендации ИЮПАК)

называется условная или реальная частица, равная или в целое число раз меньшая соответствующей ей формульной единице:

где «В» – формульная единица вещества – реально существующая частица,

такая как атом (Cu, Na, C), молекула (N2, KOH, Al2(SO4)3, CO2), ион (OH–, SO42–, Cu2+), радикал (–NО2, С2Н5–), условные молекулы кристаллических веществ и полимеров и другие частицы вещества.

Эквивалентное число Z(B) показывает, какое число эквивалентов вещества «В» условно содержится в данной формульной единице этого

фактором эквивалентности.

Эквивалентное число Z всегда больше или равно 1 и является безразмерной величиной; при Z=1 эквивалент соответствует формульной единице вещества.

Расчет эквивалентного числа различных формульных единиц представлен в таблице 1.

Таблица 1.

Расчет эквивалентного числа Z вещества

Величины эквивалентного числа, а, следовательно, и эквивалента зависят от химической реакции, в которой участвует данное вещество.

Например, для реакции H3PO4 + 3KOH → K3PO4 + 3H2O эквивалентное число Z(H3PO4) = n(Н+) = 3, т.к. в реакции участвуют три иона Н+ фосфорной кислоты и, следовательно, эквивалентом H3PO4 будет являться условная частица 1/3H3PO4 (Э(H3PO4) = 1/3H3PO4).

В реакции H3PO4 + KOH → KН2PO4 + H2O замещается только один ион водорода Н+ и поэтому Z(H3PO4) = n(Н+) = 1, а эквивалентом кислоты является частица H3PO4 (Э(H3PO4)= 1H3PO4).