Химия
.pdfМинистерство образования и науки Российской Федерации Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования Северо-Кавказский федеральный университет (СКФУ)
УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКОЕ ПОСОБИЕ
Методические рекомендации для студентов по организации самостоятельной работы по дисциплине
«Химия»
для направлений подготовки 08.03.01 Строительство
13.02.02 Электроэнергетика и электротехника
23.03.01 Технология транспортных процессов 23.03.03 Эксплуатация транспортно-технологических машин и комплексов
Ставрополь
2014
2
Методические рекомендации по организации самостоятельной работы для студентов направлений подготовки 08.03.01 - «Строительство», 13.02.02 -
«Электроэнергетика и электротехника», 23.03.01 - «Технология транспортных процессов», 23.03.03 «Эксплуатация транспортно-
технологических машин и комплексов», обучающихся очно и заочно,
предназначены для формирования умений по дисциплине «Химия».
Методические указания содержат задачи ситуационного характера,
введены элементы вариабельного или проблемного преподавания.
Приведены примеры решения типовых задач. Вопросы номенклатуры в настоящих Методических указаниях адаптированы к имеющейся учебной литературе, что разрешено ИЮПАК – Международным союзом теоретической и прикладной химии.
Составитель: канд. хим. наук, доцент Тимченко В.П.
3
Введение
Химию можно определить как науку, изучающую вещества и процессы их превращения, сопровождающиеся изменением состава и строения. В
химическом процессе происходит перегруппировка атомов, разрыв химических связей в исходных веществах и образование химических связей в продуктах реакции. В результате химических реакций происходит превращение химической энергии в теплоту, свет и пр.
Язык химии — формулы вещества и уравнения химических реакций. В
формуле вещества закодирована информация о составе, структуре,
реакционной способности этого вещества. Из уравнения реакции можно получить информацию о химическом процессе и его параметрах. Научиться расшифровывать эту информацию — важная задача изучения курса общей и неорганической химии.
Современная химия представляет собой систему отдельных научных дисциплин: общей, неорганической, аналитической, органической,
физической, коллоидной химии, биохимии, геохимии, космохимии,
электрохимии и т.д. Основой химической науки являются атомно-
молекулярное учение, закон сохранения материи, периодический закон и теория строения вещества, учение о химическом процессе.
1. Стехиометрические расчеты
Примеры решения задач
Пример 1. Для восстановления оксида ванадия массой 25,0 г до металла потребовалось кальция массой 27,5 г. Вычислите молярную массу
эквивалентов оксида ванадия. Напишите уравнение реакции.
Решение. В общем виде формулу оксида ванадия представим как VX OY .
Согласно закону эквивалентов: nэк(V O |
) nэк(Са) , или |
|
|||||||||
|
|
|
|
|
X |
Y |
|
|
|
|
|
|
mV O |
|
|
|
|
|
m |
|
, |
(1) |
|
|
M эк(V |
O ) |
|
M эк(Са) |
|||||||
|
X |
|
Y |
|
|
|
|
|
Са |
|
|
|
X |
|
|
Y |
|
|
|
|
|
|
|
4
где nэк(V O |
) |
и nэк(Са) |
— количество моль эквивалентов соответственно оксида |
||||||||||||||||||||||||||
|
|
X Y |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ванадия |
и |
кальция; |
mV O |
|
|
и mСа — массы |
соответствующих веществ, г; |
||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
X |
Y |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
M эк(V |
O |
) |
и M эк(Са) — молярные массы эквивалентов, г/моль-экв. |
|
|||||||||||||||||||||||||
X |
Y |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Из (1) получим: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
mV O |
M эк(Са) |
, где M |
|
|
|
|
|
|
M |
Са |
|
40,0 |
|
20,0 |
г/моль-экв. |
|
||||||
|
|
|
M |
|
|
X |
Y |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
|
|
|
эк(VXOY ) |
|
mСа |
|
|
эк(Са) |
|
|
2 |
|
2 |
|
|
||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
Молярная масса эквивалентов оксида ванадия |
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
M эк(V |
|
) |
25,0 20,0 |
18,2 г/моль-экв. |
|
|
|||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
O |
|
|
|
|
|
||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
X Y |
27,5 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
Для написания уравнения реакции нужно знать формулу оксида |
||||||||||||||||||||||||||||
ванадия, т. е. валентность ванадия в нём: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
B |
|
M V |
|
, |
|
|
|
|
|
|
(2) |
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
M эк V |
|
|
|
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
где M V 50,94 г/моль — молярная масса ванадия; |
M эк V |
— молярная масса |
|||||||||||||||||||||||||||
эквивалентов ванадия, г/моль-экв. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||
|
Молярная масса эквивалентов сложного вещества равна сумме |
||||||||||||||||||||||||||||
молярных |
|
масс |
|
эквивалентов |
|
|
|
|
|
составляющих |
его |
частиц: |
|||||||||||||||||
M эк(VXOY ) M эк V M эк О . Отсюда M эк V |
M эк(VXOY ) M эк О 18,2 8,0 10,2 |
г/моль- |
|||||||||||||||||||||||||||
экв. Подставим это значение в выражение (2): |
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
В |
50,94 |
|
|
5 . |
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
10,2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
Формула данного оксида ванадия V2 O5 . Уравнение реакции:
V2O5 5Ca 2V 5CaO
Пример 2. В водном растворе фосфат натрия Na3 PO4 массой 77,5 г
прореагировал без остатка с хлороводородной кислотой HCl массой 34,5 г.
Вычислите молярную массу эквивалентов фосфата натрия. Напишите уравнение реакции.
Решение. Согласно закону эквивалентов
nэк Na3PO4 |
nэк HCl , или |
mNa PO |
|
m |
HCl |
. |
3 4 |
|
|||||
|
|
|
|
|
||
|
|
M эк Na3PO4 |
|
M эк HCl |
|
|
5
Отсюда
M эк Na3PO4 |
mNa3PO4 M эк HCl |
|
|
77,5 36,5 |
82,0 |
г/моль-экв, |
|||||
mHCl |
34,5 |
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|||||
где M эк HCl M HCl 36,5 г/моль. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
Молярная масса фосфата натрия: |
|
|
|||||||||
M Na |
PO |
3 23,0 31,0 4 16,0 164,0 г/моль. |
|||||||||
3 |
|
4 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Число ионов водорода H , замещающих в молекуле Na3 PO4 ионы |
|||||||||||
натрия Na , равно |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
M Na3PO4 |
|
|
164,0 |
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
2 ; |
|
|||
|
|
|
M эк Na3PO4 |
82,0 |
|
||||||
следовательно, уравнение реакции:
Na3PO4 2HCl NaH2 PO4 2NaCl
Пример 3. Молярная масса эквивалентов хлорида некоторого элемента
M эк хл равна 38,5 г/моль-экв. Вычислите массовую долю хлора в хлориде (в
%). Рассчитайте объем кислорода (н. у.), который потребуется для окисления до оксида простого вещества этого элемента массой 25,0 г. Определите,
какой это элемент, если валентность его B 4 .
Решение. По закону эквивалентов
|
mхл |
|
mCl |
, |
|
M эк хл |
M эк Cl |
||
где индекс «хл» относится к |
характеристикам хлорида элемента; |
|||
M эк Cl M Cl 35,5 г/моль. |
|
|
|
|
Если массу хлорида принять за 100 г, то масса хлора ( mCl ), будет равна массовой доле хлора в этом хлориде ( Cl , %). Тогда
100 Cl .
38,5 35,5
Отсюда
Cl 100 35,5 92,2 %. 38,5
Молярная масса эквивалентов искомого элемента равна
6
M эк M эк хл |
M эк Cl |
38,5 35,.5 3,0 г/моль-экв. |
|
|||||||||||
Из закона эквивалентов следует |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
m |
|
VO |
|
, |
(3) |
||
|
|
|
|
|
|
|
M эк Vэк O2 |
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
где т — масса простого вещества элемента, г; VO |
|
— объем кислорода (н. у.), |
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
необходимый для окисления этой массы, л; Vэк O2 |
— объем молярной массы |
|||||||||||||
эквивалентов кислорода (н. у.), л/моль-экв. |
|
|
|
|
|
|
||||||||
Поскольку 1 моль O2 |
( M O |
32,0 г/моль) занимает при н. у. объем 22,4 |
||||||||||||
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
л/моль и имеет массу в |
4 раза |
большую, |
|
чем |
1 моль эквивалентов O2 |
|||||||||
( M эк O2 8,0 г/моль-экв), то Vэк O2 |
22,4 |
4 5,6 л/моль-экв. |
|
|||||||||||
Из уравнения (3) получим |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
V |
|
mVэк О2 |
|
25,5 5,6 |
46,7 |
л. |
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
O2 |
|
M эк |
|
|
3,0 |
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
Молярная масса |
элемента: |
M M эк B 3,0 4 12,0 г/моль, |
что |
|||||||||||
соответствует углероду. Хлорид CCl4 ; оксид CO2 .
Пример 4. Гидрид некоторого элемента в двухвалентном состоянии содержит 5,88 % водорода. Какова массовая доля (в %) этого элемента в его
оксиде, где валентность элемента равна шести? Назовите этот элемент.
Решение. Из закона эквивалентов
mH |
|
m1 |
|
|
|
. |
|
M эк H |
M эк 1 |
||
В 100 г гидрида содержится mH 5,88 г водорода и m1 100 5,88 94,12 г
элемента. Молярная масса эквивалентов элемента в гидриде равна:
M эк 1 M эк H m1 1,00 94,12 16,0 г/моль-экв. mH 5,88
Поскольку в гидриде этот элемент двухвалентен, молярная масса этого элемента
M M эк 1 2 16,0 2 32,0 г/моль.
7
В оксиде, где валентность элемента 6, молярная масса его эквивалентов
равна
M эк 2 |
M |
|
32,0 |
5,33 г/моль-экв. |
||
6 |
|
6 |
||||
|
|
|
||||
Молярная масса эквивалентов кислород M эк O 16,0
2 8,00 г/моль-экв.
Из закона эквивалентов:
m2 |
|
mO |
|
|
|
. |
|
M эк 2 |
M эк O |
||
Заменим массы на массовые доли в %:
2 |
|
100 2 |
. |
|
|
||
M эк 2 |
|
M эк O |
|
После преобразования получим:
2 |
|
100M эк 2 |
|
|
100 5,33 |
40,0 % |
|||
M эк O |
M эк 2 |
8,00 |
5,33 |
||||||
|
|
|
|
||||||
Элемент с молярной массой 32,0 г/моль является серой. Массовая доля серы в её оксиде (SO 3 ) равна 40,0%. Гидрид серы H2S .
Контрольные задания
1—10. Масса mA вещества А прореагировала без остатка с массой mB
вещества В. Вычислите M эк A — молярную массу эквивалентов вещества А.
Напишите уравнения реакции, если одним из ее продуктов является вещество
D (см. табл. 1).
11—15. Какая масса mA и объем VA газообразного вещества А (н.у.)
прореагирует с массой mB вещества В, если в результате реакции образуется вещество D (см. табл. 2)?
16. При растворении двухвалентного металла массой 80,0 г в хлороводородной кислоте выделился водород (н.у.) объемом 27,4 л.
Вычислите молярную массу эквивалентов металла. Назовите этот металл.
17. Из раствора, содержащего 20,0 г нитрата двухвалентного металла,
выделили в осадок 12,4 г его гидроксида. Вычислите молярную массу эквивалентов металла. Назовите этот металл.
8
Таблица 1 – Исходные данные к задачам №№ 1 – 10
Номер |
А |
|
mA , г |
В |
mB , г |
D |
|
задачи |
|
||||||
|
|
|
|
|
|
||
1 |
Хлорид титана |
|
98,7 |
Магний |
25,3 |
титан |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
Оксид меди |
|
24,8 |
Водород |
0,347 |
медь |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
3 |
Оксид железа |
|
100,0 |
Алюминий |
33,8 |
железо |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
4 |
Оксид меди |
|
75,0 |
Хлороводородная |
68,7 |
хлорид |
|
|
кислота |
меди |
|||||
|
|
|
|
|
|||
5 |
Фосфористая |
кислота |
0,943 |
Гидроксид калия |
1,291 |
*) |
|
( H3 PO3 ) |
|
||||||
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
6 |
Фосфорная |
кислота |
3,77 |
Гидроксид натрия |
3,08 |
*) |
|
( H3 PO4 ) |
|
||||||
|
|
|
|
|
|
||
7 |
Карбонат калия |
16,01 |
Хлороводородная |
8,45 |
*) |
||
кислота |
|||||||
|
|
|
|
|
|
||
8 |
Гидроксид железа |
25,1 |
Азотная кислота |
44,2 |
нитрат |
||
железа |
|||||||
|
|
|
|
|
|
||
9 |
Оксид хрома |
|
50,0 |
Кальций |
39,5 |
хром |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
10 |
Сульфид натрия |
72,0 |
Хлороводородная |
33,6 |
*) |
||
кислота |
|||||||
|
|
|
|
|
|
||
*Продукты реакции не даны. |
|
|
|
|
|||
Таблица 2 – Исходные данные к задачам №№ 11 – 15
Номер задачи |
A |
|
B |
|
mB , г |
D |
11 |
Cl2 |
Ti |
|
150,0 |
|
TiCl4 |
12 |
O2 |
Cu 2 O |
|
24,0 |
|
CuO |
13 |
H 2 |
Cu 2 O |
|
45,0 |
|
Cu |
14 |
O2 |
S |
|
64,0 |
|
SO 2 |
15 |
H 2 |
Fe2 O3 |
|
120,0 |
|
Fe |
Таблица 3 – Исходные данные к задачам №№ 21 – 25
Номер задачи |
M эк окс |
т |
21 |
15,0 |
100 |
|
|
|
22 |
18,2 |
180 |
|
|
|
23 |
26,6 |
80,0 |
|
|
|
24 |
40,7 |
250 |
|
|
|
25 |
9,00 |
15,0 |
|
|
|
18. Из суспензии, содержащей 45,5 г гидроксида двухвалентного металла, получили раствор, содержащий 93,8 г его сульфата. Вычислите молярную массу эквивалентов металла. Назовите этот металл.
9
19. Оксид одновалентного металла содержит 93,1% металла.
Вычислите молярную массу эквивалентов металла. Назовите этот металл.
20.На восстановление 33,6 г металла из его оксида потребовалось 12,8
лводорода (н.у). Вычислите молярную массу эквивалентов металла и его оксида.
21—25. Молярная масса эквивалентов оксида некоторого элемента
M эк окс . Вычислите массовую долю кислорода в оксиде (в %). Определите
объем кислорода (н.у.), который потребуется для окисления массы т простого вещества этого элемента до данного оксида (см. табл. 3).
26. Оксид некоторого элемента в трехвалентном состоянии содержит
32,0% кислорода. Какова массовая доля кислорода (в %) в оксиде этого элемента в пятивалентном состоянии? Какой это элемент?
27. Хлорид некоторого элемента в двухвалентном состоянии содержит
40,3% этого элемента. Какова массовая доля кислорода (в %) в оксиде этого элемента в четырехвалентном состоянии? Какой это элемент?
28.Фторид некоторого элемента в шестивалентном состоянии содержит 78,1% фтора. Какова массовая доля кислорода (в %) в оксиде этого элемента в четырехвалентном состоянии? Какой это элемент?
29.Гидрид некоторого двухвалентного элемента содержит 4,75%
водорода. Какова массовая доля этого элемента в его сульфате? Какой это
элемент?
30. Оксид некоторого элемента в шестивалентном состоянии содержит
48,0% кислорода. Какова массовая доля хлора (в %) в хлориде этого элемента в трехвалентном состоянии? Какой это элемент?
2.Строение атома
Примеры решения задач Пример 1. Один из изотопов урана имеет массовое число А 238 .
Каков заряд ядра его атома? Сколько электронов находится на электронных
10
оболочках атома? Сколько протонов и нейтронов содержит ядро атома этого изотопа?
Решение. Заряд ядра атома Z равен числу протонов в ядре и числу электронов на электронных оболочках и совпадает с порядковым номером элемента. Для урана Z 92 . Ядро атома состоит из протонов, заряженных положительно, и нейтронов, не имеющих электрического заряда. Массы протона и нейтрона примерно одинаковы. Массовое число А равно сумме числа протонов Z и нейтронов N: A Z N . Отсюда число нейтронов в данном изотопе:
Пример 2. Составьте электронные формулы невозбужденных атомов селена и скандия. Приведите графические схемы распределения электронов по квантовым ячейкам (орбиталям). К каким электронным семействам относятся эти элементы? Укажите валентные электроны их атомов. Для
каждого из валентных электронов приведите значения всех квантовых чисел.
Решение. Электронные формулы:
34 |
Se 1s2 |
2s2 2 p6 3s2 3p6 3d 10 4s2 4 p4 |
; |
21 |
Sc 1s2 |
2s2 |
2 p6 3s2 3p6 3d 1 4s2 |
|
|
|
|
|
|
Графические схемы распределения электронов по квантовым ячейкам:
34 Se |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ml |
0 |
1 |
0 |
|
-1 |
2 |
1 |
0 -1 -2 |
3 |
2 1 |
0 -1 -2 -3 |
|||||||||
4 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
3 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
f l 3 |
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
d l 2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
p l 1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
s l 0
21 Sc |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ml |
0 |
|
1 0 -1 |
2 |
1 |
0 -1 -2 |
3 2 1 0 -1 -2 -3 |
|||||||||||
4 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
3 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
f |
l 3 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
d |
l 2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
p l 1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
s l |
0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||