Как правильно решать расчетные задачи по общей химии

Видео:Как Решать Задачи по Химии // Задачи с Уравнением Химической Реакции // Подготовка к ЕГЭ по ХимииСкачать

Связывание воды в кристаллогидратах. Дипольные моменты связей в молекулах

Задача 209.
Как происходит связывание воды в кристаллогидоатах CuSO₄•5H₂O и SO₂ • H₂O?
Решение:
а) Катион меди Cu²⁺ достаточно прочно связывают ближайшие к нему молекулы воды, образуя аквакатион, [Cu(Н₂О)₄]²⁺. Кристаллогидраты солей обычно образуются в тех случаях, когда катионы в их кристаллической решетке образуют более прочные связи с молекулами Н₂О, чем с анионами в решетке безводной соли.  При низких температурах вода в кристаллогидрате CuSO₄•5H₂O связана и с катионом Cu⁽²⁺⁾ и с анионом SO₄^(2-). С катионом Cu(²⁺⁾ вода как диполь своими отрицательными полюсами связывается за счет электроститических сил притяжения, при этом катион меди связывает 4 диполя воды, а с анионом SO₄^(2-) водородными связями, образуя систему [Cu(H₂O)₄](H₂O)SO₄ или CuSO₄*5H₂O, которая устойчива при обычных условиях (— 25 °С и атмосферном давлении).
б) Молекула SO₂ имеет треугольную конфигурацию и она полярна, также имеет треугольну конфигурацию полярная молекула воды. Дипольные моменты (µ) молекул SO₂ и Н₂О, соответственно равны 1,67 D и 1,49 D.  Благодаря диполям молекулы SO₂ и Н₂О, взаимодействия между собой образуют систему SO₂ • H₂O. Так как дипольные моменты и размеры молекул этих веществ не очень отличны, то они и образуют друг с другом систему SO₂ • H₂O.

Задача 210.
Зная, что дипольные моменты связей С—Сl и С—Н составляют соответственно 2,2 D и 0,4 D, вычислите дипольный момент хлористого метилена СН₂Сl₂. Экспериментально определенный дипольный момент равен 1,6 D. Объясните расхождение между экспериментальной и вычисленной величинами, исходя из геометрии молекул.
Решение:
Суммы моментов двух связей С-Н иравна моменту одной связи С-Н, которая была бы расположена на одной оси, в сою очередь сумма мрментов двух связей С-Cl равнанаправлены в противоположные стороныy) получим:

м = м(С-Cl) — м(С-Н) = 2б2 — 0,4 = 1,8 D.

Экспериментально определенный дипольный момент равен 1,6 D, причем отрицательным концом диполя являются атомы Cl, вследствие их большей электроотрицательности. Так как полярность связи С-Н определяется ионной структурой С⁽⁺⁾Н^(-), то момент связи С—Cl должен быть равен 2,0 D (0,4 + 1,6 = 2,0). Чтобы найти истинную величину момента связи С—Cl, необходимо знать истинное направление момента свзи С-Н, который до сих пор не опредеден с большой вероятности точностью, в действительности молекула СН₂Cl₂ имеет форму неправильного тетраэдра. В центре этого неправильного тетраэдра находится атом углерода в состоянии sp³-гибридизации, в углах этого тетраэдра находятся атомы Н и Сl. Причем атомы Сl как более электроотрицательнее оттягивают на себя электронную плотность атома С, который, в свою очередь, оттягивает на себя электронную плотность менне электроотрицательного атома Н. В действительности не происходит полного переноса электронной плотности от более положительного атому к более электротрицательному, т.е. частично заряженные частицы С⁽⁺⁾,H⁽⁺⁾ Cl^(-) продолжают действовать друг на друга. Влияние друг на друга близко расположенных противоположно заряженных астиц вызывает их поляризацию. При сближении или удалении частично заряженных частиц происходит смещение электронной плотности по отношению к ядру и возникает индуцированный дипольный момент (µинд), что и приводит к отклонению расчетных и экспериментальных данных по определению дипольного момента молекулы СН₂Cl₂.
Экспериментальное значение (µ = 1,6 D) отличается от теоретического (µ = 1,8 D). Это расхождение значений дипольных моментов можно объясняеть тем, что в действительности не происходит полного переноса заряда от катиона к аниону, т.е. ионы продолжают действовать друг на друга.
Влияние друг на друга близко расположенных противоположно заряженных ионов вызывает их поляризацию. При сближении ионов происходит смещение электронной плотности по отношению к ядру и возникает индуцированный дипольный момент (µ_инд), что и приводит фактически к уменьшению  дипольного момента в молекуле вещества.

Видео:Как Решать Задачи по Химии // Задачи с Уравнением Химической Реакции // Химия ПростоСкачать

Расчет объемов газов и растворов веществ, участвующих в химических процессах
 

Задача 211.
Необходимо получить 17 г аммиака. Сколько литров азота и водорода потребуется для этого (выход аммиака составляет 50% от теоритического) и сколько 20 % раствора соляной кислоты необходимо для нейтрализации этого количества аммиака?
Решение:
1. Количество вещества аммиака:

n(NH₃) = m(NH₃)/M(NH₃) = 17/17 = 1 моль.

2. Реакция образования аммиака из водорода и азота идет имеет вид:

N₂ + 3H₂ = 2NH₃.

3. Количество вещества азота, необходимого для реакции:

n(N₂) = [0,5•n(NH₃)]/0,5 =(0,5 • 1)/0,5 = 1 моль.

4. Объем азота при н. у., ytj,необходимый для реакции:

V(N₂) = n(N₂)•Vm = 1•22,4 = 22,4 л.

5. Количество вещества водорода, потребного для реакции:

n(H₂) = 1,5•n(NH₃)/0,5 = 3 моль.

6.Объем водорода при н. у., необходимый для реакции:

V(H₂) = n(H₂)•Vm = 3•22,4 = 67,2 л.

7. Уравнение реакции нейтрализация аммиака соляной кислотою имеет вид:

NH₃ + HCl = NH₄Cl.

8 .Количество вещества хлороводорода, необходимого для нейтрализации 1 моль аммиака:

n(HCl) = n(NH₃) = 1 моль.

9 .Вес хлороводорода, необходимый для реакции:

m(HCl) = n(HCl)•M(HCl) = 1•36,5=36,5 г.

10. Вес 20%-го раствора соляной кислоты:

m_(p-p)=m(HCl)/w%(HCl) = 36,5/0,2 = 182,5 г.

11. По справочным данным плотность (d) 20%-й соляной кислоты составляет 1,0980 г/мл .

12. Объем раствора 20% соляной кислоты: V_(p-p)=m_(p-p)/d_(p-p) = 182,5/1,0980 = 166,2 мл.

Характеристика состояния электрона в атоме с определенным набором квантовых чисел

Задача 212.
1) Охарактеризуйте состояние в атоме электрона с набором квантовых чисел: n = 4;  l = 1;  m = 0;  m_s =  +1/2.
2) Может ли электрон характеризоваться следующими наборами квантовых чисел:
а) n = 1, l= 2, m = -1, m_s = -1/2;
б) n = 2, l= 0, m = 0, m_s = -1/2;
в) n = 3, l= 0, m = 1, m_s = +1/2;
г) n = 4, l= 3, m = -3, m_s = +1/2.
Решение:
1. Охарактеризуйте состояние в атоме электрона с набором квантовых чисел: n = 4;  l = 1;  m = 0;  m_s =  +1/2.  
Значение квантовых чисел на внешнем электроном уровне: n = 4;  l = 1;  m = 0;  m_s =  +1/2 соответствуют электрону, расположенному на 3d-подуровне, что может характеризовать электронное строение атома галлия.

Электронное строение атома галия

1) электронная формула атома галлия в порядке возрастания энергий орбиталей:

1s²2s²2p⁶3s²3p⁶4s²3d¹⁰4p¹

2) электронная формула атома галлия в порядке следования уровней:

1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d¹⁰4s²4p¹

3) сокращенная электронная конфигурация Ga:

[Ar]3d¹⁰4s²4p¹

У атома данного элемента на внешнем электронном слое на 4р-подуровне находится один неспаренный электрон со спином +1/2. Таким образом, у атома галлия на внешнем энергетическом уровне будет заполнена единственная АО 4s-подуровня и на 4р-подуровня единственный электрон будет находиться на 1-й АО, а остальные две р-орбитали будут не заполнены.

2. Так как n указывает число энергетических уровней, а l — ориентацию АО в пространстве, то на s-подуровне число m имеет единственное значение 0, на р-подуровне оно будет иметь значения -1, 0, +1, на d-подуровне – будет иметь значения -2, -1, 0, +1, +2, на f-подуровне – соответственно -3, -2, -1, 0, +1, +2, +3. Число  m_s — спин электрона. Он возникает за счёт вращения электрона вокруг собственной оси. Электроны в атоме должны отличаться хотя бы одним квантовым числом (принцип Паули), поэтому в атомной орбитали могут находиться не более двух электронов, различающиеся своими спинами (+1/2) и (-1/2). 
а) n = 1, l = 2, m = -1, m_s = -1/2. 
Этим значениям кваноаых чисел не соответствует характеристика ни одного электрона, так как главному квантовому числу n = 1. соответствует орбитальное квантовое число «l» только со значением «0».
б) n = 2, l = 0, m = 0, m_s = -1/2.
Так как n, l определяет ориентацию АО в пространстве, то на s-подуровне m имеет единственное значение 0. Этот набор квантовых чисел может харектирозовать электрон, который находится на 2s-подуровне и имеет левостороннее вращение вокруг своей оси.
в) n = 3, l= 0, m = 1, m_s = +1/2.
Так как n, l определяет ориентацию АО в пространстве, то на s-подуровне m имеет единственное значение 0. Этот набор квантовых чисел не может харектирозовать электрон, так как s-лектрон не может находиться на р-орбитали.
г) n = 4, l= 3, m = -3, m_s = +1/2.
Так как n, l определяет ориентацию АО в пространстве, то на f-подуровне m имеет значения:  -3, -2, -1, 0, +1, +2, +3. Этот набор квантовых чисел может харектирозовать электрон, который находится на 4f-подуровне и имеет правостороннее вращение вокруг своей оси.
Так как n, l определяет ориентацию АО в пространстве, то на s-подуровне число m имеет единственное значение 0, на р-подуровне оно будет иметь значения -1, 0. +1, на d-подуровне – будет иметь значения -2, -1, 0, +1, +2, на f-подуровне – соответственно -3, -2, -1, 0, +1, +2, +3. Число  ms — спин электрона. Он возникает за счёт вращения электрона вокруг собственной оси. Электроны в атоме должны отличаться хотя бы одним квантовым числом (принцип Паули), поэтому в атомной орбитали могут находиться не более двух электронов, различающиеся своими спинами (+1/2) и (-1/2). 

Реакции ионного обмена

Задача 213.
Напишите реакции ионного обмена (молекуляное уравнение, полное и сокращенное ионное уравнение) для системы:
Al₂(SO₄)₃ + Ba(NO₃)₂ = ? +
Решение:
Al₂(SO₄)₃ + 3Ba(NO₃)₂ + 3BaSO₄ + 2Al(NO₃) — (молекулярное уравнение);
2Al³⁺ + 3SO₄^2- + 3Ba²⁺ + 6NO₃^— = 3BaSO₄ + 2Al³⁺ + 6NO₃^— (полное ионно-молекулярное уравнение);
3Ba³⁺ + 3SO₄^2- = 3BaSO₄ (сокращенное ионно-молекулярное уравнение).

Вычисление  потери осадка вследствие растворимости

Задача 214.
Вычислите массу CaSO₄ содержащегося в 200 мл насыщенного водного раствора и в 200 мл 0,025 М раствора H₂SO₄. В каком из растворов и во сколько раз меньше потери осадка вследствие растворимости?
Решение:
V(СаSO₄) = 200 мл = 0,2 л;
M(CaSO₄) = 136,1406 г/моль;
ПР(CaSO₄) = 2,4 ^. 10^-5.
Уравнение диссоциации CаSO4 имеет вид:

CаSO₄ ⇔ Ca²⁺ + SO₄^2-.

1. Вычисление массы CaSO₄ содержащегося в 200 мл насыщенного водного раствора
Обозначим искомую растворимость соли CаSO₄ через S моль/л. Тогда в насыщенном растворе соли содержится по S моль/л ионов Ca²⁺ и  SO₄^2-.
Выражение произведения растворимости сульфата кальция можно записать как: 

ПР(CаSO₄)  = [Ca²⁺] • [SO₄^2-] = S * S = S².

Отсюда

S = 2,4 ^. 10^-5 = 4,9 ^. 10^-3 моль/л.
Рассчитаем массу СаSO₄ в 200 мл раствора, учитывая, что  M(СаSO₄) = 136,1406 г/моль, получим:
m(СаSO₄) = S • M(СаSO₄) • V(СаSO₄) =  [(4,9 ^. 10^-3 моль/л) • 136,1406 г/моль) • 0,2 л]  = 0,1334 г.
2. Вычисление массы CaSO₄ содержащегося в в 200 мл 0,025 М раствора H₂SO₄
Пусть S — растворимость CaSO4 в данных условиях, тогда S = [Ca²⁺]. Однако концентрация cульфат-ионов в растворе [SO₄^2-] = S + 0,025. Первое слагаемое показывает, какую концентрацию ионов создает сульфат кальция, а второе — серная кислота. Если S << 0,1,то [SO₄^2-] = 0,025 моль/л, тогда
S’(CaSO₄) = S • 0,025 = (4,9 ^. 10^-3) • 0,025 = 0,0001225 = 1,225 ^. 10^-4 моль/л.
Рассчитаем массу СаSO₄ в 200 мл раствора, учитывая, что  M(СаSO₄) = 136,1406 г/моль, получим:
m'(СаSO4) = S • M(СаSO₄) • V(СаSO₄) =  [(1,225 ^. 10^-4 моль/л) • 136,1406 г/моль) • 0,2 л]  = 0,0033 г.

Ответ: m(СаSO₄) = 0,1334 г; m'(СаSO₄) = 0,0033 г.

Задача 215.
В жаркий летний день Игорь достал из холодильника бутылку сладкого газированного напитка, сделал несколько глотков и оставил ее на столе, не закрыв. Через некоторое время напиток показался ему не таким вкусным. Что произошло? Поясните, почему.
Решение:
Потому что при производстве газированных напитков используется угольная кислота (углекислый газ), образуется раствор, насыщенной углекислым газом. А в результате открытия бутылки пароисходит разрушение углекислоты, что сопровождается выделением СО₂. Также в открытую бутылку проникет кислород из воздуха, что приводит к частчному окислению ароматизаторов и других веществ, а это сказывается на изменении вкуса газированного напитка.