Задачи к работе № 1 «Физическая химия»

1–11. Напишите уравнение реакции сгорания вещества (табл.1). Вычислите стандартную теплоту образования вещества, если известна его стандартная теплота сгорания. Продукты горения имеют следующие теплоты образования (кДж/моль):

Н^о_{f CO2(г)} = –393,51; Н^о_{f Н2О(ж)} = –285,84; Н^о_{f N2(г)} = 0.

Таблица 1.

№ задачи	Вещество	Стандартная теплота сгорания, кДж/моль
1	Мочевина CH4ON2 (т)	–632,20
2	Ацетилен C2H2 (г)	–1299,63
3	Метан CH4 (г)	–890,31
4	Нафталин C10H8 (т)	–5156,78
5	Бензол C6H6 (ж)	–3267,58
6	Уксусная кислота C2H4O2 (ж)	–874,58
7	Ацетон C3H6O (ж)	–1785,73
8	Глицерин C3H8O (ж)	–1661,05
9	Фенол C6H6O (т)	–3063,52
10	Глюкоза С6Н12О6 (т)	–2802,04
11	Сахароза С12Н22О11 (т)	–5646,73

12–22. Вычислите Н^о, U^о, G^о и A^о в стандартных условиях для реакций, приведенных в табл. 2. Определите, в каком направлении пойдет реакция. Необходимые для расчета данные взять из Приложения.

Таблица 2.

№ задачи	Уравнение реакции		№ задачи	Уравнение реакции
12	2Н2 + СО  СН3ОН(г)		18	CO2 + 4H2 CH4 +2H2O(г)
13	С2Н6  С2Н4 + Н2		19	СН4 + СО2 2СО + 2Н2
14	С + Н2О(г) СО + Н2		20	СО + Н2О(г) СО2 + Н2
15	4НСl+О22Н2О(ж) + 2Сl2		21	СО + 3Н2 СН4 + Н2О(г)
16	2NO2 2NO + O2		22	2SO2 + O2 2SO3
17	SO2 + Cl2 SO2Cl2

23–37. Рассчитайте тепловой эффект реакции (табл. 3) при температурах 500 и 700 К и давлении 1,013310⁵ Па, используя уравнение Кирхгофа для небольшого температурного интервала. Сравните полученные результаты. Необходимые данные приведены в Приложении.

Таблица 3.

№ задачи	Уравнение реакции		№ задачи	Уравнение реакции
23	2Н2 + СО  СН3ОН(г)		31	CO + Cl2 COCl2(г)
24	NH4Cl NH3 + HCl		32	СО2 + Н2 СО + Н2О(г)
25	2NO2 2NO + O2		33	2СО2 2СО + О2
26	N2O4 2NO2		34	СН4 + СО2 2СО + 2Н2
27	Mg(OH)2(тMgO(т)+H2O(г)		35	С2Н5ОН(г) С2Н4 + Н2О(г)
28	2SO2 + O2  2SO3(г)		36	СН3СНО(г)+Н2С2Н5ОН(г)
29	SO2 + Cl2 SO2Cl2		37	С6Н6(г) + 3Н2 С6Н12(г)
30	СО + 3Н2 СН4 + Н2О(г)

38–48. Пользуясь данными Приложения, вычислите G^о и А^о для химических реакций, приведенных в табл. 4. Укажите направление протекания реакции. Рассчитайте К_р и К_с реакции.

Таблица 4.

№ задачи	Уравнение реакции		№ задачи	Уравнение реакции
38	2НСl(г)  Н2(г) + Сl2(г)		44	СН3СНО(г)+Н2С2Н5ОН(ж)
39	MgCO3(т) MgO(т) + СО2(г)		45	С2Н5ОН(жС2Н4+Н2О(ж)
40	Mg(OH)2(т)+СО2MgСO3(т)+ +H2O(ж)		46	С2Н6 С2Н4 + Н2
41	СаС2(т) + 3СО(г) СаСО3(т) + 4С		47	CO + Cl2  COCl2(г)
42	Fe3O4(т) + 4Н2(г)  3Fe(т) + 4Н2О(г)		48	2SO2 + O2 2SO3(г)
43	СаС2(т)+2Н2О(жСа(ОН)2(т)+ +С2Н2(г)

49–53. Определите состав реакционной смеси (в молях) при равновесии для реакции: СН₃СООН + С₂Н₅ОН = СН₃СООС₂Н₅ + Н₂О. Составы исходной смеси и константы равновесия К_р при различных условиях приведены в табл. 5.

Таблица 5.

№ задачи	Кр	Исходное число молей
		уксусной кислоты	спирта
49	1	1	1
50	1	2	1
51	1	1	2
52	2	1	1
53	2	2	1

54. При 298 К давления пара хлороформа и тетрахлорметана равны соответственно 26544,4 и 15265,4 Па. Полагая, что жидкости образуют идеальный раствор, определите для смеси (1 моль CHCl₃ + 2 моля CCl₄):

а) мольные доли обоих компонентов в смеси;

б) парциальные давления обоих компонентов;

в) общее давление пара над раствором.

55. Этанол и метанол образуют растворы, близкие к идеальным. При 293 К давление пара над чистым этанолом равно 5932,8 Па, над чистым метанолом 11825,6 Па. Вычислите для смеси 100 г метанола и 200 г этанола

а) мольные доли компонентов в растворе;

б) парциальные и общее давление пара;

в) мольную долю метанола в парах.

56–66. По данным табл. 6 рассчитайте величины, обозначенные знаком «?».

67–76. По данным табл. 7 рассчитайте величины, обозначенные знаком «?».

77. При нормальном атмосферном давлении вода закипает при температуре 100^оС. При каком давлении температура кипения ее может быть снижена до 90^оС? Мольная теплота испарения равна 40660 Дж/моль.

78. При 373 К и 1,0132510⁵ Па мольная теплота испарения воды равна 40660 Дж/моль. Мольный объем жидкой воды 0,01878 л/моль, а мольный объем пара 30,115 л/моль. В каком направлении и на сколько изменится давление при понижении температуры кипения на 5 градусов?

79. Вычислите температуру кипения водного раствора, если давление в реакторе превышает атмосферное в 2 раза. Мольная теплота испарения воды 40660 Дж/моль. Удельный объем жидкой воды равен 1 л/кг, водяного пара  1,67310³ л/кг.

80. При какой температуре будет кипеть дистиллированная вода, если атмосферное давление снизится до 720 мм рт. ст. (95991,8 Па)? Мольная теплота испарения воды при этом равна 41597 Дж/моль.

81. Органическое вещество, практически нерастворимое в воде, перегонялось с водяным паром при нормальном атмосферном давлении при 98,4^оС. Содержание его в конденсате 23,1% (масс.). Определите молярную массу вещества и парциальное давление его пара при температуре перегонки, если парциальное давление насыщенного пара воды равно 95658,5 Па.

82. Органическое вещество с молярной массой 300 перегоняется при нормальном атмосферном давлении с водяным паром. Парциальное давление пара вещества при температуре перегонки равно 17731,8 Па. Рассчитайте массу водяного пара, необходимого для перегонки 1 кг вещества.

83. Для очистки анилина от примесей его перегоняют с водяным паром при нормальном атмосферном давлении и температуре 98,4^оС. Парциальное давление пара воды при этом равно 96258,5 Па. Вычислите расход пара на 1 кг анилина.

Таблица 6.

№ за да чи

Раство-ритель А и его масса, г

Т, К

Растворен-ное вещество В и его масса, г

Давление пара над чистым раствори-телем, Па

Давле-ние пара над раство-ром, Па

Моляр-ная масса В, г/моль

Моль-ная доля В в раство-ре

Моль-ная доля А в раство-ре

Моляр-ность раство-ра

Коли-чество В, моль

Пони-жение темпе-ратуры замер-зания, К

Мас-совая доля В, %

56

вода 100

298

нелетучее 1,53

3167,2

пониж. на 9,46

?

?

?

–

–

–

?

57

вода 100

298

нелетучее 3,04

3167,2

пониж. на 18,92

?

?

–

?

–

–

?

58

вода 100

301

нелетучее 13

3741,7

3649,15

?

?

?

–

?

–

?

59

вода 360

313

глицерин 9,206

7375,4

?

–

?

–

–

?

?

?

60

диэтилов. Эфир 740

303

органич. вещество 6,18

8,638104

8,58 104

?

?

?

–

–

–

?

61

вода 100

300

нелетучее 25,38

3741,7

3649,15

?

?

–

?

–

–

?

62

вода 1000

–

нелетучее

100%

на 2% ниже

–

?

?

?

–

–

–

63

вода 1000

298

глюкоза 30,6

3167,2

?

–

?

?

–

?

?

?

64

вода 180

338

сахар 68,4

25003

?

–

?

?

–

?

?

–

65

вода 900

323

этиленгли-коль 50

12334

?

–

?

?

?

?

?

?

66

вода 1000

–

КСl 24,5

–

–

–

?

?

?

?

–

?

Таблица 7.

№ задачи	Экстрагируемое вещество А и его концентрация, г/л	Объем раствора, л	Экстрагент и его объем в однократной операции, л	Коэффициент распределения К	Число операций экстрагирования	Концентрация А в растворе после всех операций экстрагирова-ния, г/л	Количество извлеченного вещества А, г	Степень извлечения, %
67	Бутилсалицилат, 0,5	1	ССl4 0,04	0,2710–4	1	?	?	?
68	Бутилсалицилат, 0,5	2	ССl4 0,2	0,2710–4	1	?	?	?
69	Валериановая кислота, 2,0	1	ССl4 0,05	2,6	1	?	?	?
70	5-Бромсалициловый альдегид, 0,6	2	ССl4 0,1	2,6	2	?	?	?
71	Салициловый альдегид, 1,0	0,5	ССl4 0,02	0,0125	1	?	?	?
72	Салициловый альдегид, 1,0	0,2	ССl4 0,05	0,0125	1	–	?	?
73	Метилвалерат, 0,6	0,5	ССl4 0,04	0,005	2	?	?	?
74	Иодэтан, 0,3	1	Диэтиловый эфир 0,1	0,0036	?	?	?	98%
75	(–)Кокаин, 1,5	5	Диэтиловый эфир 0,2	0,0072	2	?	?	?
76	Фенобарбитал, 2,0	3	Хлороформ 0,1	0,0196	?	?	?	97%

81. Органическое вещество, практически нерастворимое в воде, перегонялось с водяным паром при нормальном атмосферном давлении при 98,4^оС. Содержание его в конденсате 23,1% (масс.). Определите молярную массу вещества и парциальное давление его пара при температуре перегонки, если парциальное давление насыщенного пара воды равно 95658,5 Па.

82. Органическое вещество с молярной массой 300 перегоняется при нормальном атмосферном давлении с водяным паром. Парциальное давление пара вещества при температуре перегонки равно 17731,8 Па. Рассчитайте массу водяного пара, необходимого для перегонки 1 кг вещества.

83. Для очистки анилина от примесей его перегоняют с водяным паром при нормальном атмосферном давлении и температуре 98,4^оС. Парциальное давление пара воды при этом равно 96258,5 Па. Вычислите расход пара на 1 кг анилина.

84. Нафталин перегоняют с водяным паром при 1,0132510⁵ Па при 99,3^оС. Сколько нафталина перегоняется с 1 кг пара? Парциальное давление пара воды при температуре перегонки равно 0,9897110⁵ Па.

85. Нитробензол перегоняется с водяным паром при нормальном атмосферном давлении при 99,3⁰С. Парциальное давление пара воды при этом равно 98971 Па. Рассчитайте расход водяного пара на 1 кг получаемого в конденсате нитробензола.

86. Выразите всеми известными Вам способами концентрацию серной кислоты в 20% водном растворе. Плотность раствора 1,14510³ кг/м³.

87–95. По данным, приведенным в таблице 8, рассчитайте величины обозначенные знаком «?». Криоскопическая константа воды равна 1,86.

Таблица 8.

№ задачи	Вещества в водных растворах	Концентрация	Кажущаяся степень ионизации %	Температура, К	Осмотическое давление, Па	Изотони-ческий коэффициент	Осмотический коэффициент	Понижение температуры замерзания Тзам, К
87	Фруктоза	? (моль/кг)	–	310	?	–	–	0,56
88	Хлорид натрия	0,172 моль/кг	?	310	7,7105	?	?	–
89	Хлорид кальция	–	0,97	310	?	–	–	0,56
90	Глюкоза и хлорид кальция	0,01 М 0,01 М	– ?	– –	0,613105 1,778105	– ?	– ?	– –
91	Хлорид натрия	8,8 г/л	98	310	?	?	?	–
92	Глюкоза и хлорид натрия	5,4 г/л ?	– 99	310 310	равны друг другу	– ?	– –	– –
93	Сахароза	0,75 г в 250 мл воды	–	300	?	–	–	?
94	Мочевина	? (моль/кг)	–	298	?	–	–	0,242
95	Глицерин (плотность= =1,261 г/см3)	0,9 л в 10 л воды	–	–	–	–	–	?

96. Вычислите рН буферного раствора, полученного смешением равных объемов 0,2 М раствора аммиака и 0,2 М раствора хлорида аммония. Чему равны концентрации ионов Н⁺ и ОН^– в этом растворе?

97. Рассчитайте объемы растворов уксусной кислоты и ацетата натрия (с одинаковой концентрацией), необходимые для приготовления 30 мл буферного раствора с рН=4,5.

98–105. Какова степень диссоциации слабого электролита в водном растворе с концентрацией С? Рассчитайте рН раствора. (Данные взять из табл. 9).

Таблица 9.

№ задачи	Электролит	С, моль/л	рКа	рКв
98	NH3H2O	0,10	–	4,75
99	CH2=CHCOOH	0,05	4,26	–
100	C6H5COOH	0,02	4,18	–
101	C4H9COOH	0,05	4,86	–
102	HCOOH	0,2	3,75	–
103	C10H7OH	0,01	9,85	–
104	CH3NH2	0,03	–	2,18
105	C5H5N	0,04	–	5,23

106. Ток силой 0,8 А проходит через раствор сульфата меди в течение 0,5 часа. Какова масса выделившейся меди?

107. В течение какого времени через раствор сульфата меди надо пропускать ток силой 1,2 А, чтобы выделить из него 3,2 г меди?

108. Эквивалентная электрическая проводимость 0,117 М раствора уксусной кислоты при 25⁰С равна 4,815 Ом^–1см²моль^1. Рассчитайте степень диссоциации СН₃СООН в этом растворе, константу ее диссоциации и рК_а. Подвижности ионов водорода и ацетата при этой температуре соответственно равны 349,8 и 40,9 Ом^–1см²моль^1.

109. Эквивалентная электрическая проводимость при бесконечном разведении пикрата калия при 25^оС равна 103,97Ом^–1см²моль^1, подвижность иона калия 76,0 Ом^–1см²моль^1. Рассчитайте подвижность пикратиона. Какова будет эквивалентная электрическая проводимость раствора, в котором степень диссоциации пикрата калия равна 0,2?

110. В водном растворе объемом 1 л содержится 5 г молочной кислоты СН₃СН(ОН)СООН. Константа диссоциации молочной кислоты при 25⁰С равна 1,3610^–4. Чему равна концентрация ионов водорода в растворе? Каков его рН?

111. Вычислите эквивалентную и удельную электрические проводимости 0,03 М СН₃СООН при 25⁰С, если _=390,7 Ом^–1м²моль^–1 и _рК_а=4,75.

112–117. Для гальванического элемента, указанного в табл. 10, рассчитайте потенциалы обоих электродов с учетом активности ионов (а). Укажите, какой из электродов будет более положительным и вычислите ЭДС элемента при 25⁰С. Стандартные электродные потенциалы приведены в Приложении.

Таблица 10.

№ задачи	Гальванический элемент
112	Pb|Pb2+ (a=0,01) || Ag+ (a=0,1)|Ag
113	Fe|Fe2+ (a=0,2) || Ni2+ (a=0,5)|Ni
114	Zn|Zn2+ (a=0,0004) || Cd2+ (a=0,2)|Cd
115	Sn|Sn2+ (a=0,005) || Pb2+ (a=0,003)|Pb
116	Fe|Fe3+ (a=0,003) || Cr3+ (a=0,04)|Cr
117	Cu|Cu2+ (a=0,2) || Ag+ (a=0,03)|Ag

118–121. Рассчитайте изменение энергии Гиббса и константу равновесия реакции, протекающей в гальваническом элементе при 25⁰С по данным табл. 11.

Таблица 11.

№ задачи	Реакция	ЭДС, В
118	Zn+2AgClZnCl2+2Ag	1,015
119	Zn+2AgOZnO+Ag2O	1,83
120	Ag+1/2 Hg2Cl2AgCl+Hg	0,0455
121	Cd+PbCl2CdCl2+Pb	0,188

122–125. Электродвижущая сила элемента, составленного из насыщенного каломельного электрода и рН-метрического зонда, введенного в желудок пациента, приведена в табл. 12. Рассчитайте рН желудочного сока и концентрацию ионов водорода в нем.

Таблица 12.

№ задачи	ЭДС, В		№ задачи	ЭДС, В
122	0,332		124	0,313
123	0,356		125	0,361

126–130. Вычислите растворимость и произведение растворимости соли А. ЭДС гальванического элемента, составленного из одинаковых электродов Э, погруженных в насыщенный раствор А и в раствор электролита В с концентрацией С и коэффициентом активности , приведена в табл. 13.

Таблица 13.

№ задачи	Соль А	В			ЭДС,
		Электролит	С, моль/л		Вольт
126	AgCl	AgNO3	0,1	0,734	0,221
127	AgBr	AgNO3	0,5	0,536	0,3274
128	AgI	AgNO3	1,0	0,429	0,4499
129	BaSO4	BaCl2	1,0	0,395	0,135
130	CaCO3	CaCl2	2,0	0,792	0,1285

131. В водном растворе в присутствии ионов водорода константа скорости реакции гидролиза уксуснометилового эфира

СН₃СООСН₃ + Н₂О = СН₃СООН + СН₃ОН

при температуре 25⁰С равна 0,65310^–3 мин^–1. Рассчитайте:

а) чему равна концентрация непрореагировавшего эфира по истечении 25 минут от начала реакции;

б) время, в течение которого гидролизуется половина взятого эфира.

Исходная концентрация эфира – 1,2 моль/л. Порядок реакции равен единице.

132. Константа скорости реакции НСНО+Н₂О₂=НСООН+Н₂О при температуре 50^оС равна 0,7544 мин^1. Рассчитать:

а) чему будет равна концентрация пероксида водорода через 50 минут после начала реакции;

б) время, в течение которого прореагирует половина взятого формальдегида.

Начальные концентрации реагентов равны 0,5 моль/л. Порядок реакции равен 2.

133. Рассчитайте скорость реакции

Na₂S₂O₃+H₂SO₄ Na₂SO₄+SO₂+H₂O+S

в растворе с начальной концентрацией тиосульфата натрия 0,05 моль/л и серной кислоты 0,04 моль/л в момент, когда концентрация тиосульфата натрия уменьшится в 2 раза.

Константа скорости 0,05с^–1. (Реакция имеет первый порядок по тиосульфату натрия и нулевой порядок по серной кислоте.

134. Рассчитайте период полупревращения реакции омыления метилацетата в растворе гидроксида натрия при 298 К, если ее константа скорости при этой температуре равна 11,5 мин^1, а начальная концентрация каждого реагента равна 0,03 моль/л. Порядок реакции равен 2.

135. Реакция первого порядка проходит на 30% за 35 мин. Какова скорость реакции при концентрации реагирующего вещества 0,01 моль/л?

136. Реакция АВ является реакцией первого порядка. Через какое время концентрация вещества А составит 40% от начальной, если время полупревращения реакции равно 40 мин?

137. Константа скорости гидролиза новокаина в водном растворе при 313 К равна 0,66 сут^–1, энергия активации реакции равна 55,2 кДж/моль. Сколько процентов новокаина разложится за 10 дней хранения при 293 К?

138. Рассчитайте время разложения спазмолитина в растворе на 10% при рН=4,9 и 293 К, если энергия активации этого процесса равна 75,7 кДж/моль, а время полупревращения при 353 К равно 90 мин. Реакция разложения протекает по первому порядку.

139. При хранении раствора анальгина установлено, что константа скорости разложения составляет 1,510^–9с^–1. Определите срок хранения раствора (время разложения 10% вещества).

140. При аварии на АЭС возможен выброс в атмосферу изотопа¹³¹I. Период его полураспада 8 суток. За какое время этот изотоп распадется на 99%?

141. Определите порядок реакции превращения цианата аммония в мочевину по следующим данным:

Время, час	0,2	0,1	0,05
С, моль/м3	9,45	19,15	37,07

142. Константа скорости реакции СО+Н₂О=СО₂+Н₂ при температуре 40^оС равна 8,1510^–3 мин^–1. Начальные концентрации СО и Н₂О  по 2 моль/л. Рассчитайте:

а) в течение какого времени концентрации реагентов снизятся до 1 моль/л?

б) чему будут равны концентрации реагентов через 30 минут после начала реакции?

Порядок реакции считать равным молекулярности.

143. Реакция первого порядка протекает при 25⁰С на 30% за 30 минут, а при 40⁰С за 5 минут. Рассчитайте энергию активации этой реакции.

144. Раствор сахарозы с концентрацией 0,3 моль/л в кислой среде в течение 30 мин инвертируется на 33%. Через какое время инвертируется 80% и 90% сахарозы?

145. Разложение N₂О₅ является реакцией первого порядка, константа скорости которой равна 0,002 мин^–1 при 300^оС. Определите, сколько процентов N₂O₅ разложится за 2 часа.

146. В некоторой мономолекулярной реакции половина вещества разлагается за 17 минут. Сколько времени необходимо для разложения 90% его первоначального количества?

147. Во сколько раз потребуется больше времени, чтобы в мономолекулярной реакции прореагировало 99,9% исходного вещества, по сравнению с тем временем, которое необходимо на первую половину реакции?

148. Превращение лекарственного вещества (реакция первого порядка) при 60⁰С за 10 минут прошло на 75,2%. Вычислите константу скорости реакции.

149. Во сколько раз увеличится скорость разложения лекарственного вещества при повышении температуры от 25 до 100^оС, если энергия активации равна 12561 Дж/моль?

150–152. В табл. 14 приведены значения констант скорости реакций k₁ и k₂ при температурах Т₁ и Т₂. Вычислите константу скорости заданной реакции при температуре Т₃ и определите, сколько вещества прореагирует ко времени t, если начальные концентрации реагирующих веществ одинаковы и равны С₀. Порядок реакции считать равным молекулярности.

Таблица 14.

№ зада-чи	Реакция	Т1, оС	k1	Т2, оС	k2	Т3, оС	t, мин	С0, моль/л
150	2НI  H2+I2	356	8,0910–5	389	5,8810–4	374	68	2,5
151	2NO = N2+O2	978	1073	1252	47059	900	40	1,5
152	2NO2=2NO+O2	600	83,9	640	407	620	60	2,0

153–162. В табл. 15 приведены значения констант скорости реакций при температурах Т₁ и Т₂. Вычислите энергию активации реакции и определите, сколько вещества прореагировало при Т₁ к моменту времени t, если начальные концентрации реагирующих веществ одинаковы и равны С₀. Порядок реакции соответствует ее молекулярности.

Таблица 15.

№ за-да-чи	Реакция	Т1, К	k1	T2, K	k2	t, мин	C0, моль  л
153	Н2+Br2  2HBr	497,2	0,00036	574,5	0,0856	60	0,03
154	H2+I2  2HI	679	0,00146	599	0,0568	28	2,83
155	2NO  N2+O2	1251	1073	1525	47059	45	2,83
156	PH3  1/2P2+3/2H2	918,2	0,0038	953,2	0.0183	80	0,87
157	SO2Cl2  SO2+Cl2	552,2	6,0910–5	593,2	1,3210–3	35	2,5
158	(CH3)3 CH3CH=CH2	833,3	0.00687	923,2	0,146	40	1,52
159	COCl2  CO+Cl2	655	5,310–3	745	0,676	105	0,8
160	CH3COOHC2H5+NaOHCH3COONa+C2H5OH	283	2,307	318	21,6	15	0,9
161	CO+H2O  CO2+H2	288	0,0003	313	0,008	90	3,75
162	С6Н5СН2Br+C2H5OH  C6H5CH2OC2H5+HBr	298	1,45	338	2,01	100	2,75