ЗАДАЧИ С РЕШЕНИЯМИ ПО НЕОРГАНИЧЕСКОЙ ХИМИИ

1.Составить уравнение окислительно-восстановительной реакции методом электронного баланса.

ОТВЕТ (пример. Описан подробно алгоритм действий)

Ag + HNO3 → AgNO3 + NO + H2O

Шаг 1. Подсчитаем степени окисления для каждого элемента, входящего в химическую реакцию.

Ag. Серебро изначально нейтрально, то есть имеет степень окисления ноль.

  
Для HNO3 определим степень окисления, как сумму степеней окисления каждого из элементов.

Степень окисления водорода +1, кислорода -2, следовательно, степень окисления азота равна: 

0 - (+1) - (-2)*3 = +5 

(в сумме, опять же, получим ноль, как и должно быть)    

Теперь перейдем ко второй части уравнения.

Для AgNO3 степень окисления серебра +1 кислорода -2, следовательно степень окисления азота равна: 

0 - (+1) - (-2)*3 = +5

Для NO степень окисления кислорода -2, следовательно азота +2

Для H2O степень окисления водорода +1, кислорода -2 

Шаг 2. Запишем уравнение в новом виде, с указанием  степени окисления каждого из элементов, участвующих в химической реакции.  

Ag⁰ + H⁺¹N⁺⁵O^-23 → Ag⁺¹N⁺⁵O^-23 + N⁺²O^-2 + H⁺¹2O^-2 

Из полученного уравнения с указанными степенями окисления, мы видим несбалансированность по сумме положительных и отрицательных степеней окисления отдельных элементов. 

Шаг 3. Запишем их отдельно в виде электронного баланса - какой элемент и сколько теряет или приобретает электронов:
(Необходимо принять во внимание, что элементы, степень окисления которых не изменилась - в данном расчете не участвуют) 

Ag⁰ - 1e = Ag⁺¹ 
N⁺⁵ +3e = N⁺² 

Серебро теряет один электрон, азот приобретает три. Таким образом, мы видим, что для балансировки нужно применить коэффициент 3 для серебра и 1 для азота. Тогда число теряемых и приобретаемых электронов сравняется.

Шаг 4. Теперь на основании полученного коэффициента "3" для серебра, начинаем балансировать все уравнение с учетом количества атомов, участвующих в химической реакции.

• В первоначальном уравнении перед Ag ставим тройку, что потребует такого же коэффициента перед AgNO3 

• Теперь у нас возник дисбаланс по количеству атомов азота. В правой части их четыре, в левой - один. Поэтому ставим перед HNO3 коэффициент 4

• Теперь остается уравнять 4 атома водорода слева и два - справа. Решаем это путем применения коэффииента 2 перед H2O 

Ответ:
3Ag + 4HNO3 = 3AgNO3 + NO + 2H2O

2.Задача на нахождение массовой доли растворенного вещества.

ОТВЕТ (пример. Подробно описан алгоритм.)

В 100 граммах воды (H2O) растворили 25 грамм хлорида алюминия (AlCl3). Определите массовую долю вещества в полученном растворе.

Задачу решаем, используя формулу нахождения массовой доли вещества в растворе:

[pic]

Массовая доля вещества в растворе – это отношение массы растворенного вещества к массе раствора. Выражается в долях единицы или в %. Следует отметить, что массовая доля вещества растворенного в растворе, выраженная в %, называется процентной концентрацией раствора. (ОПРЕДЕЛЕНИЕ НАДО ЗНАТЬ!!!)

Найдем массу раствора, используя формулу:

[pic]

Соответственно:

m (раствора AlCl3) = 100 г + 25 г = 125 (г).

Используя основную формулу нахождения массовой доли вещества в растворе, вычислим массовую долю вещества хлорида алюминия (AlCl3) в растворе:

w (AlCl3) = 25 г/ 125 г = 0,2 или 20 %.

3.Осуществить схему превращений.

ОТВЕТ (пример)

Дана схема превращений:

                                           t°

Cu → Cu Cl2→ Cu(OH)2 → Х

Напишите молекулярные уравнения реакций, с помощью которых можно осуществить указанные превращения. Для второго превращения составьте сокращенное ионное уравнение реакции.

1) Cu + Cl2 = CuCl2

2) CuCl2 + 2NaOH = Cu(OH)2+ 2NaNO3

                    t°

3) Cu(OH)2 →CuO + H2O

Составим сокращенное ионное уравнение второго превращения:

4) 2OH^- + Cu²⁺ = Cu(OH)2

4.Составить уравнение реакций между электролитами в сокращенной ионной, ионной и молекулярной формах.

ОТВЕТ (пример. Дан подробный алгоритм.)

Большое количество химических реакций проходит в растворах. В таких реакциях обмена зачастую участвуют соли, кислоты, основания. Но немало солей, кислот и оснований в растворах диссоциируют на ионы, следовательно реакции в растворах происходят не между молекулами, а между ионами. Такие реакции называют ионными.

В случае если химические реакции в водных растворах электролитов происходят с участием ионов, то и химические уравнения, отражающие ионные реакции, следует записывать не только в молекулярной, но и в ионной форме. Такие уравнения называют ионными уравнениями.

Важно заметить, что для составления ионных уравнений сначала записывают молекулярное уравнение реакции, к примеру˸

NaOH + HCl = NaCl + H2O.

Во второй строке записываем ионных уравнения. Для этого формулы сильных электролитов нужно записать в ионной форме. Для определения силы электролитов можно пользоваться таблицей растворимости, помня, что в сильных электролитов относятся растворимые соединения. Их формулы записываем в ионной форме. Вода является неэлектролитов, в связи с этим ее записываем в молекулярной форме˸

Na ⁺ + OH-+ H ⁺ + Cl-= Na ⁺ + Cl-+ H2O.

Такое уравнение принято называть полным ионных уравнением.

В левой и правой частях ионного уравнения одинаковы ионы Na + (натрий-плюс) и Cl-(хлор-минус). Эти ионы можно удалить из левой и правой частей ионного уравнения, поскольку они не участвуют в реакции. Сокращаем в левой и правой частях уравнения катионы натрия и анионы хлора - и получаем сокращенное ионные уравнения. В нем записаны только те частицы, которые реально взаимодействуют в растворе˸

OH-+ H + = H2O.

Реакции обмена в растворах электролитов проходить до конца, в случае если один из продуктов реакции является неэлектролитом. В этом случае происходит сочетание ионов, образующих неэлектролитов, и они выходят из сферы реакции. Это возможно, в случае если в результате реакции˸

1) образуется нерастворимая вещество (выпадает осадок),

2) выделяется газ,

3) образуется вода или другой слабый электролит (Н2S, Н2СО3, Н2SО3)

В случае если выполняется хотя бы одно из этих условий, реакция происходит до конца и является необратимой. В случае если же эти условия не выполняются, то при смешивании растворов образуется смесь ионов и реакция является обратимой.

Для прогнозирования возможности протекания реакций ионного обмена в растворах электролитов следует использовать таблицу растворимости.

В итоге получим:

NaOH + HCl = NaCl + H2O

Na ⁺ + OH-+ H ⁺ + Cl-= Na ⁺ + Cl-+ H2O.

OH-+ H + = H2O.

5.Задача на нахождение молярной концентрации раствора.

Вычислите молярную концентрацию 20%-го раствора хлорида калия (плотность раствора= 1,13 г/мл).

[pic]

6.Задача на нахождение молярной концентрации ионов в водном растворе.

ОТВЕТ (пример). Вычислите концентрацию ионов (ОН^-) водного раствора, имеющего значение pH = 8,2.

Решение задачи

Из соотношения: [pic]

Находим: [pic]

pOH – показатель основности раствора, pOH, равная отрицательному десятичному логарифму концентрации в растворе ионов OH⁻: [pic]

Используя, формулу, вычислите концентрацию ионов:

pOH = 14 – 8,2 = 5,8

Отсюда:

- lg [OH^-] = 5,8

Вычислите концентрацию ионов:

[OH^-] = 10^-5,8 = 0,0000016 = 1,6 ⋅ 10^-6 (моль/л).

Ответ: концентрация ионов (ОН^-) водного раствора равна 1,6 ⋅ 10^-6 моль/л.

7.Составить уравнение реакций между электролитами в сокращенной ионной, ионной и молекулярной формах.

ОТВЕТ (пример) . Составьте молекулярное и ионно-молекулярное уравнения взаимодействия в растворе между CuSO4 и NaOH.

Реакции в водных растворах электролитов являются реакциями между ионами. Они протекают практически необратимо в тех случаях, когда в результате их взаимодействия образуются малорастворимые, газообразные вещества или слабодиссоциирующие соединения.

Реакции ионного обмена записывают в молекулярной форме, полной ионно-молекулярной и сокращенной ионно-молекулярной формах.

В полной ионно-молекулярной форме в виде ионов записывают только сильные электролиты, все остальные – в виде молекул. В сокращенной ионно-молекулярной форме оставляют только те ионы и молекулы, которые принимают участие в реакции.

Чтобы составить ионно-молекулярное уравнение, нужно:

-        составить молекулярное уравнение реакции;

-        записать это уравнение с учетом электролитической дисоциации, т.е.  сильные электролиты записать в виде ионов, все остальные вещества – в виде молекул. Получится полное ионно-молекулярное уравнение;

-        исключить из обеих частей полного ионно-молекулярного уравнения  одинаковые ионы;

-        записать сокращенное ионно-молекулярное уравнение в окончательном виде.

Пример 1. Составьте молекулярное и ионно-молекулярное уравнения взаимодействия в растворе между CuSO4 и NaOH.

Решение.

Составляем уравнение реакции взаимодействия веществ в молекулярной форме:

CuSO4 + 2NaOH = Cu(OH)2 + Na2SO4

По таблице растворимости солей в воде  устанавливаем, что к сильным электролитам относятся растворимые в воде соли CuSO4 и Na2SO4, Cu(OH)2 – малорастворимое соединение, NaOH – сильный электролит (приложение, табл.2).

Составим полное ионно-молекулярное уравнение, записав растворимые соли и сильное основание в виде ионов, а осадок Cu(OH)2 в виде молекулы:

Cu2+ + SO42– + 2Na+ + 2OH– = Cu(OH)2 + 2Na2+ + SO42–

Исключаем из обеих частей полного ионно-молекулярного уравнения одинаковые ионы

Cu2+ + SO42– + 2Na+ + 2OH– = Cu(OH)2 + 2Na2+ + SO42–

Записываем сокращенное ионно-молекулярное уравнение:

Cu2+ + 2OH– = Cu(OH)2

8.Задача на определение pH раствора по известной его концентрации.

ОТВЕТ (пример). Вычислить рН раствора, в котором концентрация ионов ОН^- =10^-5 моль/л.

Решение:

Используем  формулу рН + рОН = 14.

Следовательно, рН = 14 – рОН; но рОН = - Ig ОН^-.

Тогда рН = 14 – (-Ig [ОН^-]) = 14 + Ig10^-5 = 14 – 5 = 9

9. Составить уравнение реакций гидролиза солей в сокращенной ионной, ионной и молекулярной формах.

ОТВЕТ (пример)

Составьте уравнения реакций гидролиза следующих солей в сокращенной ионной, ионной и молекулярных формах: а) NaNO2; б) K2CO3; в) NH4Cl. Укажите реакцию среды в растворах этих солей.

а) NaNO2 = NaOH и HNO2
NO2- + HOH = HNO2 + OH- гидролиз соли в сокращенной ионной форме
NO2- + Na+ + H2O = HNO2 +Na+ + OH- гидролиз соли в ионной форме
NaNO2 + H2O = HNO2 + NaOH гидролиз соли в молекулярной форме

pH>7, реакция среды щелочная

б) К2СO3 = KOH и H2CO3
1 ступень.

CO32- + H+ + OH- = HCO3- + OH- гидролиз соли в сокращенной ионной форме
CO32- + 2K+ + H2O = HCO3- + 2K+ + OH- гидролиз соли в ионной форме
К2СO3 + H2O = KHCO3+ + KOH гидролиз соли в молекулярной форме
2 ступень.

HCO3- + HOH = H2CO3 + OH- гидролиз соли в сокращенной ионной форме
HCO3- + 2K+ + H2O = H2CO3 + 2K+ + OH- гидролиз соли в ионной форме
KHCO3 + H2O = H2CO3 + KOH гидролиз соли в молекулярной форме

pH>7, реакция среды щелочная

в) NH4Cl = NH4OH и HCl
NH4+ + H+ + OH- = NH4OH + H+ гидролиз соли в сокращенной ионной форме
NH4+ + Cl- + H2O = NH4OH + H+ + Cl- гидролиз соли в ионной форме
NH4Cl + H2O = NH4OH+ HCl гидролиз соли в молекулярной форме

pH<7, реакция среды кислая

10.Задача на смещение равновесия обратимой химической реакции.

ОТВЕТ (пример)

Укажите, как повлияет:

а) повышение давления;

б) повышение температуры;

в) увеличение концентрации кислорода на равновесие системы:

а)2CO (г) + O2 (г) ↔ 2CO2 (г) + Q

По принципу Ле Шателье, при увеличении давления, равновесие смещается в сторону образования веществ, занимающих меньший объём, следовательно равновесие сместится вправо, т.е. в сторону образования СО2, в сторону прямой реакции (→).

б) По принципу Ле Шателье, при повышении температуры, равновесие смещается в сторону эндотермической реакции (-Q), т.е. в сторону обратной реакции – реакции разложения СО2 (←), т.к. по  закону сохранения энергии:

Q - 2CO (г) + O2 (г) ↔ 2CO2 (г) + Q

в) При увеличении концентрации кислорода равновесие системы смещается в сторону получения СО2 (→) т.к.  увеличение концентрации реагентов (жидких или газообразных) смещает в сторону продуктов, т.е. в сторону прямой реакции.

11.Задача на расчет скорости химической реакции.

ОТВЕТ (пример)

Задача №1

Реакция протекает по уравнению А+В = 2С. Начальная концентрация вещества А равна 0,22 моль/л, а через 10 с — 0,215 моль/л. Вычислите среднюю скорость реакции.

Решение:

Используем формулу для расчёта

υ = ± ΔС/Δτ = ± (0,215-0,22)/(10-0) = 0,0005 моль/л ∙ с

Задача №2

Вычислите, во сколько раз увеличится скорость реакции при повышении температуры от 30 до 70 ^∘ С, если температурный коэффициент скорости равен 2.

Решение:

По правилу Вант-Гоффа

υ=υ0·γ ^(t2-t1)/10

По условию задачи требуется определить υ/υ0:

υ/υ0=2 ^(70-30)/10 = 2⁴ = 16

Задача №3

Запишите кинетическое уравнение для следующих уравнений реакций:

А) S(тв) + O2 (г) = SO2 (г)

Б) 2SO2 (г) + O2 (г) = 2SO3 (ж)

Решение:

Согласно закону действующих масс, который действует для газов и жидкостей:

υ = к1 C (O2)

υ = к2 C²(SO2)·C (O2)

Задача №4

Как изменится скорость реакции:

S (тв) + O2 (г) = SO2 (г)

при увеличении давления в системе в 4 раза?

Решение:

Запишем кинетическое уравнение для реакции до повышения давления в системе. Обозначим концентрацию кислорода

С(О2) = а, концентрация серы - твёрдого вещества не учитывается.

υ = к1 а

При повышении давления в 4 раза, объём уменьшается в 4 раза, следовательно концентрация газа кислорода увеличится в 4 раза и кинетическое уравнение примет вид:

υ^' = к1 4а

Определяем, во сколько раз возрастёт скорость реакции:

υ^' /υ = к1 4а / к1 а = 4

Следовательно, при повышении давления в 4 раза, скорость данной реакции увеличится в 4 раза.

Задача №5

Как изменится скорость реакции:

2SО2 (г) + O2 (г) = 2SO3 (г)

при увеличении давления в системе в 2 раза?

Решение:

Запишем кинетическое уравнение для реакции до повышения давления в системе. Обозначим концентрацию SO2

С(SО2) = а, концентрация кислорода C(O2) = b.

υ = к1 а²·b

При повышении давления в 2 раза, объём уменьшается в 2 раза, следовательно концентрация газа кислорода и SO2 увеличится в 2 раза и кинетическое уравнение примет вид:

υ^' = к1 (2а)²·2b = к14а²·2b= к18а²·b

Определяем, во сколько раз возрастёт скорость реакции:

υ^' /υ = к1 8а²·b / к1 а²·b =8

Следовательно, при повышении давления в 2 раза, скорость данной реакции увеличится в 8 раз

12.Задача. Вычисление объема полученного газа, если известна масса исходного вещества.

Пример. Рассчитайте объем (н.у) оксида серы (IV),который образуется при сжигании серы массой 6,4 г.

S+O2=SO2

Дано:

m=6.4 г

Найти:

V-?

Решение:

n=m/M=6.4 г/64 г/моль=0.1 моль.

V=Vm*n=22.4л/моль*0.1 моль= 2.24 л

Ответ. При сжигании 6,4 г серы образуется SO2 объемом 2,24 л.

13.Задача на разбавление растворов.

Пример. Сколько граммов раствора с массовой долей серной кислоты 96% необходимо влить в 1 л воды, чтобы получить раствор с массовой долей  10%

Для решения данной задачи используем правило креста.

Чистый растворитель (воду) можно представить как раствор с массовой долей растворенного вещества 0%

[pic]

Определим m раствора с ω (H2SO4) = 96%, который надо влить в 1 л воды:

10 г H2SO4 надо влить в  86 г воды

х г                   —                            1000 г

х = 116,28 г

m (р-ра H2SO4) = 116,28 г

14.Задача. Вычисление количества вещества (или объема)  газа, необходимого для реакции с определенным количеством вещества (или объемом) другого газа.

Пример:

Сколько литров кислорода необходимо для сгорания 89,6 литров водорода?

Решение:

1.Объем газа пропорционален количеству вещества:
v = 22,4 л/моль • n,
где 22,4 — молярный объем, т.е. объем одного моля любого газа,
n — количество вещества (моль)

2. Записываем над уравнением реакции имеющиеся данные, а под уравнением — число моль согласно уравнению (равно коэффициенту перед веществом):
89,6 л x л
2H2 + O2 = 2H2O
2 моль 1 моль

3. Составляем пропорцию:
89,6 л — x л
2 моль — 1 моль
(или с пояснением:
для сгорания 89,6 л водорода требуется x л кислорода,
а для 2 моль — 1 моль)

4. Находим x:
x = 89,6 л • 1 моль / 2 моль = 44,8 л

Ответ: 44,8 л.

15.Задача. Вычисление массовой доли (%) химического элемента в веществе, формула которого приведена.

Пример. Рассчитайте массовые доли фосфора в РН3, Р2О5, Н3РО4

Сначала запишем формулы соединений. Затем рассчитаем вес 1 молекулы данного соединения (найти молекулярную массу). Теперь составим пропорцию: вес молекулы взять за 100%, а вес фосфора в соединении – будет – Х. отсюда находим массовую долю фосфора в соединении.

P2O5 М=31*2+16*5=142

142 – 100%

62 – Х

Отсюда находим Х=62*100/142=44%

16.Задача. Вычисление массы исходного вещества, если известно количество вещества одного из продуктов

реакции.

Пример:

Сколько граммов соляной кислоты  необходимо для получения 4 моль хлорида цинка?

Решение:

1. Записываем уравнение реакции: Zn+ 2HCl = ZnCl2 +H2↑

2. Записываем над уравнением реакции имеющиеся данные, а под уравнением – число моль согласно уравнению (равно коэффициенту перед веществом):
   x моль      4 моль
   Zn +2HCl = ZnCl2 +H2↑
   2 моль      1 моль

3. Составляем пропорцию:
   x моль – 4 моль
   2 моль – 1 моль

4. Находим x:
   x = 4 моль • 2 моль / 1 моль = 8 моль

5. Находим молярную массу соляной кислоты: M (HCl) = 1 35,5 = 36,5 (г/моль)
   (молярную массу каждого элемента, численно равную относительной атомной массе, смотрим в периодической таблице  под знаком элемента и округляем до целых, кроме хлора, который берется 35,5)

6. Находим требуемую массу соляной кислоты: m (HCl) = M • n = 36,5 г/моль • 8 моль = 292 г

Ответ: 292 г.

17.Составить окислительно-восстановительную реакцию методом электронного баланса.

Составление уравнения реакции взаимодействия оксида марганца (IV) с концентрированной соляной кислотой (с помощью этой реакции в лабораторных условиях получают хлор).

Запишем формулы исходных и конечных веществ реакции:

НCl + МnО2 → Сl2 + MnСl2 + Н2О

Покажем изменение степеней окисления атомов до и после реакции:

[pic]

Эта реакция окислительно-восстановительная, так  как изменяются степени окисления атомов хлора и марганца. НCl - восстановитель, MnО2 — окислитель. Составляем электронные уравнения:

[pic]

и находим коэффициенты при восстановителе и окислителе. Они соответственно равны 2 и 1. Коэффициент 2 (а не 1) ставится потому, что 2 атома хлора со степенью окисления -1 отдают 2 электрона. Этот коэффициент уже стоит в электронном уравнении:

2НСl + MnO2 → Сl2 + MnСl2 + Н2О

Находим коэффициенты для других реагирующих веществ. Из электронных уравнений видно, что на 2 моль HCl приходится 1 моль MnО2. Однако, учитывая, что для связывания образующегося двухзарядного иона марганца нужно еще 2 моль кислоты, перед восстановителем следует поставить коэффициент 4. Тогда воды получится 2 моль. Окончательное уравнение имеет вид

4НCl + МnО2 = Сl2 + MnСl2 + 2Н2О

Проверку правильности написания уравнения можно ограничить подсчетом числа атомов одного какого-либо элемента, например хлора: в левой части 4 и в правой 2 + 2 = 4.

Поскольку в методе электронного баланса изображаются уравнения реакций в молекулярной форме, то после составления и проверки их следует написать в ионной форме.

Перепишем составленное уравнение в ионной форме:

4Н⁺ + 4Сl^- + МnО2 = Сl2 + Мn²⁺ + 2Сl^- + 2Н2О

и после сокращения одинаковых ионов в обеих частях уравнения получим

4Н⁺ + 2Cl^- + MnO2 = Сl2 + Mn²⁺ + 2Н2О

18.Задача. Вычисление массы продукта реакции, если известно количество вещества одного из исходных веществ.

Пример:

Сколько г хлорида цинка можно получить, имея 0,5 моль соляной кислоты?
Решение:

1. Записываем уравнение реакции.

2. Записываем над уравнением реакции имеющиеся данные, а под уравнением – число моль согласно уравнению (равно коэффициенту перед веществом):
          0,5 моль x моль
   Zn 2HCl = ZnCl2 H2↑
          2 моль   1 моль

3. Составляем пропорцию:
   0,5 моль – х моль
   2 моль – 1 моль

4. Находим x:
   x = 0,5 моль • 1 моль / 2 моль = 0,25 моль

5. Находим молярную массу хлорида цинка:
   M(ZnCl2) = 65 35,5 • 2 = 136 (г/моль)

6. Находим массу соли:
   m (ZnCl2) = M • n = 136 г/моль • 0,25 моль = 34 г

Ответ: 34 г.

19.Задача. Вычисление массы продукта реакции, если для его получения взят раствор с определенной массовой долей (%) исходного вещества.

Пример:

Сколько граммов хлорида цинка получится при растворении избытка цинка в 20 граммах 10%-ного раствора соляной кислоты?

Решение:

1) Находим массу HCl в растворе:

m HCl = 20г • 10% : 100% = 2 г

2) Находим количество вещества HCl:

M (HCl) = 35,5 1 = 36,5 г/моль

n = m/M = 2 г : 36,5 г/моль = 0,055 моль

3) Подписываем данные над уравнением реакции, а число моль согласно уравнению (равно коэффициентам) под ним:
0,055 моль   x моль
Zn 2HCl = ZnCl2 H2↑
     2 моль  1 моль

Составляем пропорцию:
0,055 моль – x моль
2 моль – 1 моль

Находим x:

x = 0,055 моль • 1 моль / 2 моль = 0,028 моль

4) Находим массу соли:

M (ZnCl2) = 65 35,5 • 2 = 136 г/моль

m = M • n = 136 г/моль • 0,028 моль = 3,8 г

Ответ: 3,8 г.

(Если подставлять в уравнение не моли, а граммы, то получится точнее – 3,7 г)

20.Задача на нахождение молярной концентрацию раствора.

Пример. Раствор объемом 500 мл содержит NaOH массой 5 г. Определить молярную концентрацию этого раствора.