выяснения влияния температуры на химическое равновесие

необходимо знать знак теплового эффекта реакции.

При повышении температуры равновесие смещается в сто¬

рону эндотермической реакции, при понижении температуры

всторону экзотермической реакции.

§4.4. Задачи с решениями

Задача 1. При стандартных условиях теплота полного сгорания белого фосфора равна 760,1 кДж/моль, а теплота полного сгорания черного фосфора равна 722,1 кДж/моль.

Чему равна теплота превращения черного фосфора в белый

при стандартных условиях?

Решение. Реакция сгорания моля черного фосфора имеет

вид:

Р(ч) + 5/402 = I/2P2O5 + 722,1 кДж/моль.

Этот же процесс можно провести в две стадии: сначала пре¬ вратить моль черного фосфора в моль белого:

Р(ч) = Р(б) + Q,

а затем сжечь белый фосфор:

Р(б> + 5/40г = 1/2Р2Од + 760,1 кДж/моль.

По закону Гесса,

722,1 =6 + 760,1,

откуда Q = -38 кДж/моль.

Ответ. -38 кДж/моль.

Задача 2. При сжигании этановой кислоты в кислороде

выделилось 235,9 кДж теплоты, и осталось 10,0 л непрореа¬

гировавшего кислорода (измерено при давлении 104,1 кПа и

температуре 40 °С). Рассчитайте массовые доли компонентов

в исходной смеси, если известно, что теплоты образования

оксида углерода (IV), паров воды и этановой кислоты со¬ ставляют 393,5 кДж/моль, 241,8 кДж/моль и 484,2 кДж/моль,

соответственно.

Решение. Этановая (уксусная) кислота сгорает по уравне¬

нию

СНзСООН + 202 = 2С02 + 2НгО + Q.

По закону Гесса,

76

Q = 20обР(СО2) + 20обр(Н2О) - бобр(СН3СООН) = 2-393,5 +

2-241,8 - 484,2 = 786,4 кДж/моль.

При сгорании одного моля уксусной кислоты выделяется

786,4 кДж, а по условию выделилось 235,9 кДж, следователь¬

но в реакцию вступило 235,9/786,4 = 0,3 моль уксусной кис¬ лоты. Таким образом, 0,3 моль СНзСООСН реагируют с 0,6

моль 02, и в избытке остается v = PV / RT = 104,1-10,0 /

8,31-313 = 0,4 моль О2. В исходной смеси содержалось 0,3

моль СН3СООН (массой 0,3-60=18 г) и 1 моль 02 (массой 32

г). Массовые доли веществ в исходной смеси равны:

ю(СН3СООН) = 18 / (18+32) = 0,36, или 36%, со(02) = П /

(18+32) = 0,64, или 64%.

Ответ. 36% СН3СООН, 64% 02.

Задача 3. Как изменится скорость реакции Х2 + 2Y2 ->

2XY2, протекающей в газовой фазе в закрытом сосуде, если

увеличить давление в 6 раз?

Решение. По закону действующих масс, скорость гомо¬

генной химической реакции пропорциональна произведению

молярных концентраций реагирующих веществ, возведен¬

ных в степени их стехиометрических коэффициентов. Увели¬

чивать концентрации реагирующих веществ можно за счет

повышения давления в сосуде.

Обозначим начальные концентрации молекул Х2 и Y2 че¬

рез anb, соответственно: [Х2] = a, [Y2] = Ь. Скорость реакции

равна:

Vi = *[Х2][У2]2 = каЬ\

При увеличении давления в 6 раз концентрация каждого из

веществ также увеличивается в 6 раз. В этом случае:

V2 к(6а)(6Ь)2 = 216kab2 = 216vi .

Ответ. Скорость реакции возрастет в 216 раз.

Задача 4. Растворение образца цинка в соляной кислоте

при 20 °С заканчивается через 27 минут, а при 40 °С такой же

образец металла растворяется за 3 минуты. За какое время

данный образец цинка растворится при 55 °С?

Решение. Растворение цинка в соляной кислоте описы¬

вается уравнением:

Zn + 2HCI = ZnCI2 + H2t.

77

ГЛАВА 5. Физико-химическая теория растворов

электролитов и неэлектролитов

§ 5.1. Растворы

Растворами называются гомогенные системы содержащие

не менее двух веществ. Могут существовать растворы твер

дых, жидких и газообразных веществ в жидких растворите¬

лях, а также однородные смеси (растворы) твердых, жидких и

газообразных веществ. Наибольшее значение имеют жидкие

смеси, в которых растворителем является жидкость.

Способность к образованию растворов выражена у раз¬

ных веществ в различной степени. Одни вещества способны

смешиваться друг с другом в любых количествах (вода и

спирт), другие в ограниченных (хлорид натрия и вода).

По соотношению преобладания числа частиц, переходя¬

щих в раствор и удаляющихся из раствора, различают рас¬

творы насыщенные, ненасыщенные и пересыщенные. По отно¬

сительным количествам растворенного вещества и

растворителя растворы подразделяют на разбавленные и кон¬

центрированные.

Раствор, в котором данное вещество при данной темпера¬ туре больше не растворяется, т.е. раствор, находящийся в

равновесии с растворяемым веществом, называют насыщен¬

ным, а раствор, в котором еще можно растворить добавочное

Растворимость веществ зависит от природы растворяе¬

мого вещества и растворителя, температуры и давления. Раз¬ личная растворимость веществ связана с характером взаимо¬

действия молекул растворителя и растворенного вещества.

HanpiiMq), известно, что молекулярные кристаллы, струк¬ турными единицами которых являются молекулы с кова¬

лентным неполярным типом связи (сера и др.), практически

нерастворимы в воде, так как энергия разрушения кристал¬ лической решетки настолько велика, что не компенсируется теплотой сольватации.

Очень давно опытным путем установлено правило, со¬ гласно которому подобное растворяется в подобном. Так, ве¬

щества с ионным (соли, щелочи) или полярным (спирты, аль¬

дегиды) типом связи хорошо растворимы в полярных

79

растворителях, например, в воде. И наоборот, растворимость

кислорода в бензоле, например, на порядок выше, чем в воде,

так как молекулы О2 и СбНб неполярны.

Для подавляющего большинства твердых тел раствори-

мость увеличивается с повышением температуры и умень¬ шается с понижением. Если раствор, насыщенный при нагре¬

вании, осторожно охладить так, чтобы не выделялись кристаллы вещества, то образуется пересыщенный раствор.

Пересыщенным называют раствор, в котором при данной температуре содержится ббльшее количество растворенного вещества, чем в насыщенном растворе. Такой раствор не¬

устойчив, и при изменении условий (встряхивание, внесение в

раствор затравки для кристаллизащш) выпадает осадок, над которым остается насыщенный раствор.

В отличие от твердых тел, растворимость газов в воде с повышением температуры уменьшается, что обусловлено не¬

прочностью связи между молекулами растворенного вещест¬ ва и растворителя. Важной закономерностью, описывающей

растворимость газов в жидкостях, является закон Генри:

Растворимость газа прямо пропорциональна его давлению над жидкостью.

Способы выражения концентрации растворов. Концентра¬

ция растворов определяется количеством вещества, заклю¬

ченным в определенном объеме (или определенной массе)

раствора или растворителя в зависимости от того, что вы¬

брано в качестве меры измерения.

Жидкости удобнее измерять по объему, а не по массе, по¬

этому химики чаще всего используют объемные концентра¬ ции и, в первую очередь, молярную концентрацию.

Для различных практических расчетов широко использу¬

ются также массовые концентрации (см. задачи 2, 3, 5, 6). Массовая доля вещества это отношение массы раство¬

ренного вещества к общей массе раствора:

Массовую долю обычно выражают в долях единицы.

80