Химия ЗФ 2008

УДК 546(075.8) ББК 24.1я73

З97

Химия в примерах и задачах для студентов заочного факультета:

Методические указания при изучении курса химии / И. М. Зырянова, А. Ю. Муканов, Л. Н. Круглова; Омский гос. ун-т путей сообщения. Омск, 2008. 39 с.

В первом разделе методических указаний приведены краткие теоретические сведения и рассмотрены примеры решения типовых задач по основным разделам курса химии: электронному строению атомов, химической термодинамике, химической кинетике, ионным реакциям в растворах, гидролизу солей, окислительно-восстановительным реакциям, гальваническим элементам, электролизу и коррозии металлов. Во втором разделе представлены таблица вариантов контрольных работ, контрольные задания, необходимый справочный материал и библиографический список.

Методические указания и контрольные задачи предназначены для самостоятельного изучения курса химии и выполнения контрольных работ студентами всех специальностей заочной формы обучения.

Указания составлены в соответствии с программой по химии для нехимических вузов.

Библиогр.: 10 назв. Табл. 3. Прил. 2.

Рецензенты: доктор техн. наук, профессор О. А. Сидоров; канд. хим. наук, доцент О. А. Голованова.

©Омский гос. университет путей сообщения, 2008

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение……………………………………………………………………… 5

1.Примеры решения задач ………………………………………………… 6

1.1.Электронное строение атома. Периодический закон …………….. 6

1.2.Основы термохимии и химической термодинамики ……………… 9

1.3Химическая кинетика и равновесие ………………………………… 11

1.4.Электролитическая диссоциация и гидролиз солей ………………. 13

1.5.Окислительно-восстановительные реакции ………………………. 15

1.6.Гальванический элемент ……………………………………………. 17

1.7.Электролиз …………………………………………………………… 19

1.8.Коррозия металлов…………………………………………………… 21

2.Контрольная работа ……………………………………………………… 23

2.1.Таблица вариантов к контрольной работе ………………………… 23

2.2.Контрольные задачи ………………………………………………… 25

Библиографический список ………………………………………………… 35

Приложения ………………………………………………………………… 37

3

4

ВВЕДЕНИЕ

Самостоятельная работа является основным видом учебной деятельности студента заочного факультета при изучении курса химии, она предусматривает самостоятельное изучение программного теоретического материала по учебникам и учебным пособиям, выполнение домашней контрольной работы и подготовку к экзаменационной сессии.

Контрольная работа включает в себя задания и задачи, решению которых должны предшествовать изучение теоретического материала курса и тщательный разбор примеров решения задач, приведенных в настоящих методических указаниях.

Контрольная работа оформляется в отдельной тетради, где указываются номер варианта, номера задач и приводится их полное условие. Решение расчетной задачи должно включать в себя уравнения химических реакций, расчетные формулы и числовые значения используемых констант. При этом необходимо приводить подробное решение задачи.

Контрольная работа должна быть выполнена грамотно, аккуратно оформлена, датирована, подписана студентом. При оформлении титульного листа необходимо указывать индивидуальный шифр студента, специальность.

Работа должна быть представлена в университет на рецензирование не позднее чем за две недели до начала сессии.

В период сессии студент получает проверенную работу и в случае положительной оценки допускается до ее защиты. Если работа рецензентом не зачтена, то такая работа высылается студенту, ее следует доработать с учетом замечаний и выслать на повторное рецензирование вместе с незачтенной работой. Все необходимые исправления следует выполнять в конце тетради, исправления в тексте не допускаются.

Защита контрольной работы проводится в период экзаменационной сессии и заключается в подробном пояснении студентом решения задач своей контрольной работы.

Авторы выражают благодарность рецензентам за высказанные замечания и пожелания, способствующие улучшению материала методических указаний.

5

1.ПРИМЕРЫ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ

1.1.Электронное строение атома. Периодический закон

Литература: [2, § 22 – 32; 7; 8, § 4 – 10].

Пример 1. Напишите электронно-графическую формулу селена 34Se. Решение. В каждом атоме имеются строго определенное количество

электронов, определяемое зарядом ядра, и неограниченный набор орбиталей, на которых электроны могут располагаться. Электроны на этих орбиталях размещаются не случайным образом, а по определенным правилам (принцип минимальной энергии, правила Паули, Хунда, Клечковского).

При написании электронного строения атома электрон обозначают стрелкой ↑ (спиновое квантовое число равно +1/2) или ↓ (спиновое квантовое

Порядок заполнения электронами атомных орбиталей можно определить по правилу Клечковского: заполнение атомных орбиталей происходит в порядке увеличения значения суммы главного и орбитального квантовых чисел (n + l). При равенстве суммы n + l для двух орбиталей в первую очередь заполняется орбиталь с наименьшим значением главного квантового числа. Последовательность заполнения орбиталей электронами согласно правилу Клечковского следующая:

число электронов на уровне тип подуровня

главное квантовое число обозначение орбитали

В соответствии с правилом Клечковского электронная формула селена может быть представлена следующим образом:

При записи сокращенных электронных формул используют формулы инертных газов, имеющих полностью укомплектованные электронные оболочки. Сокращенная электронная формула атома селена имеет вид:

электронно-графическая формула –

Пример 2. Составьте электронно-графические формулы атомов бора, кислорода и хлора. Представьте возбужденное состояние атомов.

Решение. В определенных условиях электроны в атоме могут переходить с орбиталей, обладающих минимальной энергией, на вакантные орбитали с большей энергией. При этом электроны (и атом в целом) поглощают избыточную энергию, необходимую для этого перехода. Данная энергия излучается атомом при обратном переходе электрона. Состояние атома, когда один или несколько электронов имеют избыточную энергию и находятся на орбиталях с большей энергией, называется возбужденным. Как правило, такие переходы происходят с электронами внешнего уровня и в пределах одного уровня. Если у атома на внешнем уровне нет свободных орбиталей, то атом не способен существовать в возбужденном состоянии.

Электронно-графические формулы атома бора 5В в нормальном и возбужденном состояниях могут быть представлены следующим образом:

Возбужденного состояния у атома кислорода нет, так как нет свободных орбиталей в пределах второго уровня, а переход на третий уровень энергетически невыгоден. Поэтому для атома кислорода можно написать электронно-графическую формулу нормального (невозбужденного) состояния, в котором атом кислорода проявляет валентность, равную двум:

Основное состояние

7

Атом хлора может иметь несколько возбужденных состояний, характеризующихся последовательным переходом 3s- и 3р-электронов на 3dподуровень. В качестве примера рассмотрим возбужденное состояние хлора, в котором атом проявляет валентность, равную семи:

Исходя из нормального и возбужденного состояний атома можно предсказать существование различных ионов данного элемента и оценить их окислительно-восстановительные свойства.

Пример 3. Составьте электронно-графические диаграммы ионов кислорода и фосфора. Чем можно объяснить особую устойчивость электронной конфигурации существующих ионов?

Решение. При взаимодействии атомов может происходить переход электронов от одного атома к другому, при этом атомы превращаются в заряженные частицы – ионы. Анионы – отрицательно заряженные ионы, они приобретают отрицательный заряд за счет присоединения избыточных электронов на внешний уровень нейтрального атома. Катионы – положительно заряженные ионы, приобретают положительный заряд за счет отдачи электронов с внешнего уровня нейтрального атома. Процесс присоединения или отдачи электронов оказывается наиболее выгодным, если в результате его внешний электронный подуровень атома полностью заполняется электронами или становится полностью вакантным. Присоединение электронов к атому более выгодно в том случае, если до полного завершения электронами внешнего подуровня необходимо небольшое количество электронов.

Данными свойствами обладают неметаллы, в частности, для кислорода наиболее характерным является образование иона с зарядом 2– :

Способность отдавать электроны (образовывать положительно заряженные ионы) характерна практически для всех элементов в таблице Д. И. Менделеева. Наиболее легко способны отдавать электроны атомы метал-

8

Пример 5. Прямая или обратная реакция будет протекать в стандартных

условиях при Т = 1000 К в системе: CH4 (г) + CO2 (г) 2 CO (г) + 2 H2 (г). Определите температуру, соответствующую состоянию равновесия.

Решение. 1) Для ответа на вопрос о направлении протекания реакции в стандартных условиях достаточно вычислить ∆G°298 прямой реакции:

∆G°298 = [2∆G°298 (CO (г)) + 2∆G°298 (Н2 (г))] – [∆G°298 (CH4 (г)) + ∆G°298 (CO2 (г))].

Значения энергии Гиббса представлены в прил. 1. Подставляя табличные

данные, получим:

∆G°298 = (2 (−137) + 2 0) – (−51 – 394) = 171 кДж/моль.

Так как ∆G°298 > 0, то при стандартных условиях самопроизвольное протекание данной реакции невозможно.

2) Выясним, возможна ли заданная реакция при Т = 1000 К. Для этого воспользуемся следующим соотношением:

Длярасчетаиспользуемданные, приведенныевприл. 1:

∆H°298 = 2(−110) – (−75 – 393) = 248 кДж/моль;

∆S°298 = (2 198 + 2 131) – (186 + 214) = 258 Дж/(моль К) = 0,258 кДж/(моль К).

Определим ∆Gт при 1000 К:

∆G1000 = 248 – 1000 0,258 = −10 кДж/моль,

∆G1000 < 0, поэтому при 1000 К реакция протекает самопроизвольно.

3) Для определения температуры равновесия (Т*) примем во внимание, что в состоянии равновесия ∆Gт = 0, тогда

∆H°298 = Т*∆S°298 , отсюда Т* = 248/0,258 = 962 К.

10