Задание 110. Подберите коэффициенты в схемах окислительно-восстановительных реакций. Укажите окислитель и восстановитель

Контрольная работа

Задание 10. Газ массой 1,105 г при 27⁰С и Р=101,3 кПа. Занимает объем 0,8 л. Какова его относительная молекулярная масса?

Дано:

m(газа)=1,105 г= кг

t=27⁰С, Т=300К

Р=101,3 кПа=101,3 ·10³Па

V=0,8 л=0,8 л·10^-3 м³

Найти: Мr(газа)-?

Решение.

По уравнению Клайперона-Менделеева PV=n RT, где n – число молей газа; P – давление газа (например, в атм), V – объем газа (в литрах); T – температура газа (К); R – газовая постоянная (8,34Дж/моль К ).

Связь между термодинамической температурой Т (по шкале Кельвина) и температурой t по Международной практической шкале (шкале Цельсия): T = (t+273 ), тогда Т= 300К. Химическое количество газа равно отношению массы газа к его молярной массе: n=m/M , подставив это выражение в уравнение Клайперона-Менделеева и выразив молярную массу, имеем:

М= = =34г/моль

Тогда относительная молекулярная масса газа равна 34.

Ответ: относительная молекулярная масса газа равна 34.

Задание 35.Какой объем воздуха необходим для полного сгорания 25 кг метилэтилового эфира СН₃ОС₂Н₅, если t = -4⁰С, Р = 1,2×10⁵ Па?

Решение.

Запишем уравнение реакции: СН₃ОС₂Н₅+ 4,5О2 = 3СО₂ + 4Н₂О

Найдем химическое количество эфира:

n(СН₃ОС₂Н₅ ) = m((СН₃ОС₂Н₅)/М( СН₃ОС₂Н₅) = 25000/60=4166,67 моль. По реакции найдем химическое количество кислорода, необходимое для сгорания такого количества эфира:

при сгорании 1 моль эфира затрачивается 4,5 моль кислорода,

то при сгорании 4166,67 моль эфира – х моль кислорода.

Отсюда х=1875 моль. Найдем объем кислорода: V(O₂) = Vm n(O₂), где Vm - молярный объем, равен 22,4 л/моль при н.у., то есть V(O₂) =42000 л.

Если учесть, что объемная доля кислорода в воздухе равна 21%, то

V(возд) = V(O₂)/0,21 = 42000/0,21 = 200000 л

При t = -4⁰С, Р = 1,2×10⁵ Па этот объем воздуха будет равен по формуле объединенного газового закона:

(P₁ V₁)/T₁ = (P₂ V₂)/T_2, отсюда

V₂ = (P₁ V₁ T₂)/(T₁ P₂) = (101,3 10³ 200000 269) /(273 1,2×10⁵) = 166360л или 166,36 м³

269 и 273 - это температура в Кельвинах, соответствующая -4⁰С и 0⁰С соответственно.

Ответ: 166,36 м³

Задание 85. Какую степень окисления может проявлять водород в своих соединениях? Приведите примеры реакций, в которых газообразный водород играет роль окислителя и в которых роль восстановителя. Охарактеризуйте пожарную опасность водорода. Степени окисления элемента водорода и примеры соответствующих соединений.

Ответ: водород – элемент первого периода, первой А группы, электронная формула которого 1s¹. Может принимать следующие степени окисления: +1 (Н₂О, H₂S. NH₃ и др.) ,0 (Н₂),-1( гидриды металлов: NaH, CaH₂).

Реакции с участием соединений, в которых водород проявляет степень окисления +1 – это, например, окислительно-восстановительные реакции, в которых участвует вода, в которой водород проявляет окислительные свойства.

2H⁺¹ ₂O + 2Li = 2LiOH + H⁰ ₂

2H ⁺¹ + 2e = H⁰₂ | окислитель

Li⁰-1е= Li⁺ |2 восстановитель

2H₂O + 2Na = 2NaOH + H₂

Или реакции кислот с металлами, стоящими в ЭХРН до водорода.

2H₂S + 2K = K₂ S + H_{2 В}

Водород – восстановитель:

Н₂⁰+Са⁰ =Са⁺² Н^-1 ₂

Са⁰-2е=Са⁰ восстановитель

Н₂⁰+2е= 2Н^-1 окислитель

В последние десятилетия часто обсуждаются различные возможности использования водорода в качестве энергоносителя.

В пользу водорода, как универсального энергоносителя говорят многие обстоятельства:

1. Для получения водорода может использоваться вода, запасы которой на сегодняшний день представляются значительными.

2. Продукты горения водорода значительно более экологически чистые, чем у бензина и дизельного топлива.

3. Водород может использоваться в существующих двигателях при их небольшой конструктивной доработке.

4. У водорода высокая удельная теплота сгорания; хорошая воспламеняемость водородовоздушной смеси в широком диапазоне температур; высокая антидетонационная стойкость, допускающая работу при степени сжатия до 14; высокая скорость и полнота сгорания.

Практическое использование водорода наталкивается на ряд существенных трудностей, обусловленных в первую очередь с повышенной взрывоопасностью рабочего тела. Проблемы безопасности в водородной технологии связаны с горением водорода, с его криогенным состоянием, коррозионной стойкостью и снижением прочностных свойств материалов при низких температурах, высокой текучестью и проникающей способностью. Все это требует тщательного соблюдения требований техники безопасности при работе с водородом. Согласно многочисленным справочным данным взрывоопасные свойства водородной смеси с воздухом характеризуются следующими данными: область воспламенения 4,12—75% объема, минимальная энергия зажигания — 0,02 мДж, температура самовоспламенения — 783 К, нормальная скорость распространения пламени — 2,7 м/с, критический диаметр — 0,6-10-3 м, минимальное взрывоопасное содержание кислорода — 5 % объема.

Для обеспечения минимальной опасности при обращении с водородом необходимо соблюдение следующих условий:

1. Широкое ознакомление персонала с особенностями водорода как химического продукта.

2. Постоянное повышение надежности средств и способов обеспечения безопасности при выполнении различных технологических операций с водородом.

3. Создание надежных средств индикации утечек водорода.

Совершенно недопустимо попадание воздуха (кислорода) в емкости и трубопроводы, заполненные жидким водородом. Воздух замерзает и осаждается на стенках выше уровня жидкости водорода или опускается на дно емкости. Ломающиеся кристаллы кислорода или твердого воздуха могут являться источником воспламенения или взрыва. по этой причин азот, которым продуваются магистрали и емкости перед заполнением их водородом, должен содержать не более 0,5-1% кислорода.

Разлитый жидкий водород представляет опасность, т.к. он быстро испаряется, образуя пожаро- и взрывоопасные смеси.

Водородное пламя почти невидимо при дневном свете. В связи с этим необходимо использовать датчики для его детектирование. Наиболее распространенные оптические датчики детектируют ультрафиолетовые и инфракрасное излучение. Вздувающиеся краски также успешно используют для этой цели. Эти краски обугливаются и набухают при сравнительно низкой температуре (около 470К) и выделяют едкие газы.

Меры безопасности при обращении с жидким водородом должны исключать возможность неконтролируемой его утечки, а также обеспечивать быструю эвакуацию просочившегося газа.

Для сооружений, расположенных на открытых площадках, хранилищ жидкого водорода, могут быть рекомендованы следующие мероприятия:

1. В зоне проведения работ с жидким водородом необходимо иметь водяной душ, брандспойт или специальный резервуар с водой для смывания жидкого продукта с обрызганных участков технологического оборудования.

2. Резервуары и цистерны для хранения жидкого продукта следует периодически с интервалом в 1-2 года очищать от твердых отложений (кислород, азот и т.п.) путем их размораживания.

3. Необходима тщательная проверка технологического оборудования на герметичность. Признаком утечки водорода из хранилища является образование инея на деталях оборудования.

4. Защитные стены нельзя сооружать около резервуаров хранилищ. Для хорошей циркуляции газов резервуары следует устанавливать таким образом, чтобы они были открыты для доступа воздуха с возможно большего числа сторон.

5. Зона возможной опасности вокруг резервуара в соответствии с инструкцией по технике безопасности должна быть обозначена.

Кроме того, при длительном хранении фосфорорганических отравляющих веществ внутри герметичной полости наряду с другими продуктами распада выделяется в заметных количествах фтористый водород. При его взаимодействии с железом корпуса изделия происходит интенсивное образование водорода — вещества чрезвычайно химически активного. Двухатомная молекула водорода образует соединения со всеми элементами (кроме благородных газов), хорошо растворяется в металлах и относительно легко проникает через них. С фтором водород непосредственно соединяется (даже при температуре — 252°С).

Учёт таких особенностей молекулярного водорода позволяет предположить , что в корпусе химического боеприпасе или герметичной ёмкости с отравляющим веществом происходит процесс накопления водорода до определённого давления, после чего этот элемент начинает диффундировать через металлический корпус ёмкости. При определённом давлении процесс стабилизируется и в дальнейшем может измениться только за счёт изменения количества выделяемого фтористого водорода или температуры наружного воздуха. Поглощённый металлом водород приводит к потере металлом пластичности и прочности. Этот эффект известен как водородное охрупчивание. Он обуславливает появление трещин в результате скопления водорода на различных дефектах кристаллической структуры металла.

Водород, выделяющийся из ёмкостей и боеприпасов внутри бетонных хранилищ, будет скапливаться около потолка и может явиться, кроме того, источником пожарной и взрывной опасностей, так как он в смеси с кислородом воздуха образует аварийно-опасный гремучий газ.

Аналогичные проблемы возникают при хранении радиоактивных отходов. При попадании в хранилище воды происходит её разложение под действием ионизирующих излучений. Радиолиз воды создаёт водород, способный при концентрации более 4 объемных процентов образовать «гремучую» смесь. Концентрация водорода в хранилище из-за конвективного характера его рассеяния пропорциональна температуре наружного воздуха, что приводит к необходимости принудительной вентиляции хранилищ радиоактивных отходов в жаркую погоду.

Задание 60. Какие орбитали атома заполняются электронами раньше: 3d или 4s, 5s или 4р? Почему? Составьте электронную формулу элемента с порядковым номером 21.

Ответ. Следует учитывать, что электрон занимает тот энергетический подуровень, на котором он обладает наименьшей энергией — меньшая сумма n + ℓ (правило Клечковского). Последовательность заполнения энергетических уровней и подуровней следующая:

1s→2s→ 2р→ 3s→ 3р→ 4s→ 3d→ 4р→ 5s→ 4d→ 5р→ 6s→ 5d¹ →4f→ 5d→ 6р→ 7s →6d¹ →5f→ 6d→ 7р.

В нашем случае

D 4s 5s 4р

Значение n3 4 5 4

Значениеl 2 0 0 1

Сумма (n+l) 5 4 5 5

Последовательность заполнения (на основании правил Клечковского):

1 – 4s затем 3d; 1-4 р затем – 5s. 4р заполняется первым, не смотря на равную сумму (n+l), так как n=4, а у 5s n=5, а при одинаковых значениях этой суммы в первую очередь заполняется подуровень с меньшим значением главного квантового числа n.

Элемент с порядковым номером 21 – это скандий

₂₁Сs скандий 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶4s²3d¹

Задание 110. Подберите коэффициенты в схемах окислительно-восстановительных реакций. Укажите окислитель и восстановитель.

10. NaI^-1 + NaI ⁺⁵O₃ + H₂SO₄ = I₂⁰ + Na₂SO₄ + H₂O

2I^-1-2е I₂⁰|5 восстановитель

I ⁺⁵+5 2е I₂⁰|1 окислитель

5NaI +NaIO₃ + 3H₂SO₄ = 3I₂ + 3Na₂SO₄ + 3H₂O

35. KCl ⁺⁵O₃^-2 = KCl^-1 + O₂⁰

Cl ⁺⁵+6е Cl^-1|1 окислитель

O ^-2-2е О₂⁰|3 восстановитель

2KClO₃ = 2KCl + 3O₂

60. Cu⁺² O + N^-3 H₃ = Cu + N₂ + H₂O

Cu⁺²+2е Cu⁰|3 окислитель

2N^-3-6е N₂⁰|1 восстановитель

3CuO +2 NH₃ = 3Cu + N₂ + 3H₂O

Задание 135. При сгорании 1 л паров метанола СН₃ОН выделилось 32,3 кДж теплоты. Вычислить энтальпию образования метанола. Условия стандартные.

Дано:

V(СН₃ОН)= 1л

DНр =-32,3 кДж

Найти: DН⁰(СН₃ОН)-?

Решение. Найдем теплоту сгорания 1 моль (22,4 л) метанола . При сгорании 1л выделилось 32,3 кДж, то при 22,4 моль сгорания метанола – х кДж, х=723,52кДж/моль, то есть DН⁰ _гор (СН₃ОН)=- 723,52кДж/моль.

Запишем уравнение реакции: СН₃ОН+1,5О₂=СО₂+2Н₂О

Для расчета энтальпии образования метанола привлекаем следствие

из закона Гесса: ΔН_(Х.Р.) = ΣΔН⁰(прод.) — ΣΔН⁰(исх.).

Используем найденную нами энтальпию горения метанола и приведенные в приложении энтальпии образования всех (кроме метанола) участников процесса.

По 1-му следствию закона Гесса тепловой эффект этой реакции DН⁰_р-и может быть записан следующим образом:

DН⁰_р-и = DН⁰(СО₂) + 2DН⁰(Н₂О) - DН⁰(СН₃ОН). (1)

DН⁰(СО₂), DН⁰(Н₂О), DН⁰(СН₃ОН) – энтальпии образования веществ. По условию задачи энтальпию образования метанола необходимо рассчитать. По 2-му следствию закона Гесса тепловой эффект этой же реакции равен энтальпии горения этилацетата.

DН⁰_р-и = DН⁰ _гор (СН₃ОН). (2)

Величину DН⁰ _гор (СН₃ОН ) мы нашли. Объединив уравнения (1) и (2) можно записать:

DН⁰ _гор (СН₃ОН) = DН⁰(СО₂) + 2DН⁰(Н₂О) - DН⁰(СН₃ОН).

Тогда энтальпия образования этилацетата DН⁰(СН₃ОН) может быть рассчитана следующим образом:

DН⁰(СН₃ОН) = DН⁰(СО₂) + 2DН⁰(Н₂О) -DН⁰ _гор (СН₃ОН)= (–393,5) + 2×(–241,8) – (-723,52) = - 153,57 кДж/моль.

Полученная величина означает, что при образовании 1 моль метанола выделяется 153,57 кДж тепла (DН<0).