В.В.Загорский
Трудные темы школьного курса химии

Элементы химической термодинамики и кинетики

Урок 5 . Решение задач

Тест по элементарной термодинамике и кинетике
(средняя школа и 1 курс)

В каждом задании выберите правильные ответы

1. В ходе самопроизвольной химической реакции теплота:

1) всегда выделяется;
2) всегда поглощается;
3) может выделяться или поглощаться;
4) может не выделяться и не поглощаться; 5) не знаю

2. С выделением тепла протекает химическая реакция, описываемая уравнением

1) CaO + H₂O - Q = Ca(OH)₂
2) CaCO 3 = CaO + CO₂ - Q
3) 2 CH₄ + Q = C₂H₂ + 3 H₂
4) 2 NH₃ = N₂ + 3 H₂ - Q
5) не знаю

3. При стандартных условиях тепловой эффект реакции:

N₂ + 3 H₂= 2 NH₃ равен +92 кДж

Стандартная энтальпия образования аммиака равна:

1) - 92 кДж/моль; 2) - 184 кДж/моль; 3) - 46 кДж/моль; 4) + 46 кДж/моль; 5) не знаю

4. Выберите неверные утверждения. Тепловой эффект реакции

1) не зависит от направления реакции;
2) определяется состоянием исходных веществ;
3) определяется состоянием продуктов реакции;
4) зависит от числа промежуточных стадий реакции;
5) не знаю

5. Реакция хлорида натрия с нитратом серебра в растворе протекает до конца, потому что:

1) исходные вещества относятся к солям;
2) хлорид серебра не растворяется в воде;
3) ионы натрия и серебра имеют одинаковый положительный заряд;
4) исходные вещества – сильные электролиты;
5) не знаю

6. Какие факторы могут сместить равновесие процесса вправо:

CH₄ + H₂O_пар CO + 3H₂ - Q

1) повышение давления; 2) повышение температуры;
3) использование катализатора; 4) понижение давления; 5) не знаю

7. Для увеличения выхода аммиака по уравнению реакции

N₂ + 3H₂ 2 NH₃ + Q необходимо одновременно:
1) повысить температуру, понизить давление;
2) повысить давление, понизить температуру;
3) повысить давление и температуру;
4) понизить давление и температуру;
5) не знаю

8. Изменение давления смещает равновесие в системе:

1) N₂ + O₂ 2NO 2) S + O₂ SO₂
3) 2H₂ + O₂ 2H₂O 4) CO₂ C + O₂
5) не знаю

9. Во сколько раз изменится скорость элементарной реакции 2А + В = 2 С, если концентрацию вещества А уменьшить в 2 раза?

1) увеличится в 4 раза; 2) уменьшится в 2 раза;
3) уменьшится в 4 раза; 4) увеличится в 2 раза; 5) не знаю

10. Скорость реакции, протекающей по уравнению H₂ + I₂ = 2HI , не зависит от

1) общего объема газовой смеси 2) давления водорода
3) температуры газовой смеси 4) давления иода; 5) не знаю

11. Правило Вант-Гоффа выражается так:

1) v = с/ t;
2) v = k[A] a [B] b ;

3) ;
4) pV = n RT;
5) не знаю

ОТВЕТЫ

Вводный тест по общей химии
(средняя школа и 1 курс)

1. 3) может выделяться или поглощаться; 4) может не выделяться и не поглощаться
2. 1) CaO + H₂O - Q = Ca(OH)₂
3. 3) - 46 кДж/моль
4. 1) не зависит от направления реакции; 4) зависит от числа промежуточных стадий реакции
5. 2) хлорид серебра не растворяется в воде
6. 2) повышение температуры; 4) понижение давления
7. 2) повысить давление, понизить температуру

8. 3) 2H₂ + O₂ 2H₂O

9. 3) уменьшится в 4 раза

10. 1) общего объема газовой смеси

11. 3)

 

Задачи вступительных экзаменов МГУ на тему "Равновесие" [ ]

Обычно задачи на эту тему оказываются трудными, потому что для их решения конкретные знания химии сами по себе не помогают; но от абитуриента требуется “математическое видение” проблемы и перевод химических величин (моль) в достаточно простые алгебраические выражения. Не все готовы к тому, что на экзамене по химии им придется не вспоминать вызубренное, а мыслить “по математически”.

Приведенные ниже задачи взяты из сборника: Кузьменко Н.Е., Еремин В.В., Чуранов С.С., Сборник конкурсных задач по химии – М.: Экзамен, 2001 – 576 с. ; в [квадратных скобках] указаны страницы, где находятся условия и решения (ответы).

1. (Химфак-97, вариант ПО-97-1[стр.290])

Один моль аммиака поместили в сосуд объемом 20 л и нагрели до 600 0 C. Давление в сосуде оказалось равным 435 кПа. Рассчитайте степень разложения аммиака.

2. (Химфак-весна-98; ВКНМ-98; Химфак-заочн.-99, вариант СО-98-1 [стр. 93])

Смешали по три моля веществ А, В, С. После установления равновесия А + В = 2С в системе обнаружили 5 молей вещества С. Рассчитайте константу равновесия. Определите равновесный состав смеси (в мольных %), полученной смешением веществ А, В, С в мольном соотношении 3:2:1 при той же температуре.

3. (Химфак-весна-93; Химфак-заочн.-94; Химфак-весна-94; ВКНМ-96, вариант 171-94-2 [стр. 55]. Это одна из самых трудных конкурсных задач Химфака МГУ)

Имеется смесь азота и водорода, которая на 5% легче гелия. После пропускания смеси над нагретым катализатором образовался аммиак, в результате чего смесь стала тяжелее гелия при тех же условиях. Рассчитайте область допустимых значений для выхода реакции.

4. (Химфак-весна-93, вариант 171-93-4 [стр. 49])

Уксусную кислоту массой 25 г растворяют в воде, и объем раствора доводят до 1 л. Определите концентрацию ионов H + в полученном растворе, если константа диссоциации уксусной кислоты равна 1,8*10 –5 . Изменением концентрации кислоты при диссоциации пренебречь.

 

Задачи “Равновесие”. Решения

1. [Сборник, стр. 560]

Количество (моль) газов после реакции: PV/RT = 435*20/(8,31*873) = 1,20 моль

Если разложилось х моль аммиака, то схема разложения:

Осталось NH₃ (1-х); получилось N₂ (х/2) + H₂ (3х/2)

Из уравнения: 1,20 моль = (1-x) + x/2 + 3x/2 = 1+x

получим x = 0,2 моль.

Ответ: Степень разложения аммиака 20%

2. [Сборник, стр. 412]

Соотношение количеств веществ (моль) соответствует соотношению их коэффициентов в уравнении. Если С стало на 2 моля больше (5 из 3), то количества А и В уменьшились на 1 моль каждое. В результате при установлении равновесия стало 5 моль С, по 2 моль А и В.

Константа равновесия:

К = [С] ² / ([А][В]) = 25/2*2 = 6,25

 

Второй случай:

Мольное соотношение то же; примем за х число молей прореагировавших А и В (они одинаковы):

К = (1+2х) ² /{(3-х)(2-х)} = 6,25

х = 1,115

 

Ответ: Мольные доли веществ в равновесной смеси:

(А) = (3-1,115)/6 = 0,314 ;

(В) = (2-1,115)/6 = 0,148 ;

(С)= 0,538

 

3. [Сборник, стр. 371]

Пусть в исходной смеси было X моль N₂ и Y моль H₂ .

Средняя молярная масса смеси на 5% легче гелия или 0,95*4:

М ср. = (28X + 2Y)/(X + Y) = 0,95*4 = 3,8 ;

Тогда Y = 13,44X

Реакция: N₂ + 3 H₂ = 2 NH₃

Если прореагировало a моль N₂ и 3a моль H₂, получим после реакции:

(X - a) + (Y - 3a) + 2a = 14,44X - 2a ( моль )

Масса смеси после реакции (выразим через Х, так как Y = 13,44X):

28X + 2Y = 54,9 X г

Средняя молярная масса смеси после реакции > 4 г/моль (по условию):

Мср. = 54,9X/(14,44X - 2a) > 4 ;

тогда : a > 0,3575X

Выход реакции – это доля прореагировавшего азота (коэффицент в реакции 1):

a/X;

Смесь станет тяжелее гелия (М ср. > 4) при a/X > 35,75%

Ответ: выход аммиака больше 35,75%

4. [Сборник, стр. 361]

Уксусная кислота – слабая, и концентрация ионов H ⁺ в ее растворе не равна концентрации кислоты, как в случае разбавленных растворов сильных кислот.

Диссоциацию уксусной кислоты можно упрощенно записать в виде равновесия: CH3₃COOH « H ⁺ + CH₃COO ^–

Константа равновесия процесса:

K = {[H ⁺ ]*[CH3₃COO ^– ]}/[CH3₃COOH]

В 1л содержится 25/60 = 0,417 моль кислоты; обозначим a степень ее диссоциации, равную отношению продиссоциировавших молекул к общему числу молекул в растворе. Если концентрация кислоты С, то получится a С моль ионов H ⁺ и столько же ионов CH3₃COO ^– . В растворе останется (1- a )С моль CH3₃COOH.

Тогда константа диссоциации:

Для дальнейших расчетов можно сделать важное допущение: при малой константе диссоциации можно пренебречь величиной a по сравнению с 1:

В курсе общей химии такое преобразование иногда называют “закон разбавления Оствальда”.

Тогда:

Ответ: 2,74*10 –3 М

Трудная задача вступительных экзаменов МГУ на тему «Кинетика»

Пример: Факультет фундаментальной медицины МГУ, 2002 год, вариант М-2002-1:

Две реакции протекают с одинаковой скоростью (w₁ = w₂ ) при 20⁰С, температурный коэффициент скорости первой реакции равен 6, второй – 3. Как будут относиться скорости реакций w₂ /w₁ , если реакции проводить при 60⁰С?

Решение:

Строго говоря, правильный ответ на такой вопрос: “Не знаю”.

Разница в 40⁰С слишком велика, чтобы считать g постоянным, а сам температурный коэффициент зависит от температуры в соответствии с уравнением Аррениуса:

(см. задачи из того же сборника “Письменный экзамен по химии МГУ-2002” – вариант C-2002-1). Эта зависимость выражается в том, что для двух разных температур даже при постоянстве энергии активации соотношение скоростей (констант скоростей) включает произведение абсолютных температур, а не только их разность:

k₁ /k₂ = [Aexp(-E _A /RT₁ )]/[ Aexp(-E _A/RT₂ )] = exp(E _A /R)(1/T₂ - 1/T₁ ) =

= exp(E _A /R)[(T₁ - T2)/T₂T₁ ]

Из формулы получается, что при одинаковой разности в 10⁰ разница скоростей будет больше при более низких температурах (будет меньше знаменатель выражения, находящегося в степени).

Задача, где был проведен такой анализ, предлагалась абитуриентам Химического факультета МГУ на заочном этапе экзаменов в 1994 г. Следовательно, для корректности задачи из варианта М-2002-1 в условии обязательно должно быть оговорено, что g можно считать постоянным.

Авторский ответ: ₁ = 6; ₂ = 3; DT = 60 - 20 = 40 ⁰

Тогда отношение скоростей: ( ₂^DT/10 )/ ( ₁ ^{D T/10} ) = 3 ⁴ /6 ⁴ = 1/16