Моль. Еквіваленти й еквівалентні маси простих і складних речовин. Закон еквівалентів.

МЕТОДИЧНІ ВКАЗІВКИ

ЩОДО ВИКОНАННЯ РОЗРАХУНКОВОЇ РОБОТИ

З НАВЧАЛЬНОЇ ДИСЦИПЛІНИ

«ХІМІЯ»

ДЛЯ СТУДЕНТІВ ДЕННОЇ ФОРМИ НАВЧАННЯ НАПРЯМУ

6.050502 − «ІНЖЕНЕРНА МЕХАНІКА»

КРЕМЕНЧУК 2007

Методичні вказівки щодо виконання розрахункової роботи з навчальної дисципліни «Хімія» для студентів денної форми навчання напряму 6.050502 − «Інженерна механіка»

Укладач асист. Л.М. Корнійко

Рецензент к.б.н., проф. В.В. Никифоров

Кафедра екології

Затверджено методичною радою КДПУ

Протокол № ____ від___________________________ 2007 р.

Заступник голови методичної ради ____________доц. С.А. Сергієнко

ЗМІСТ

Вступ …………………………………………………………………………………4

Еквівалент…………………………………………………………………………....5

Будова атома…………………………………………………………………………9

Енергетика хімічних процесів……………………………………………………..13

Хімічна спорідненість……………………………………………………………...20

Хімічна кінетика……………………………………………………………………29

Засоби вираження концентрацій…………………………………………………..37

Властивості розчинів……………………………………………………………….42

Іонно-молекулярні реакції обміну………………………………………………...47

Електрохімічні процеси……………………………………………………………51

Окисно-відновні реакції…………………………………………………………....51

Електродні потенціали……………………………………………………………..57

Електроліз…………………………………………………………………………...63

Корозія металів……………………………………………………………………..68

Таблиця варіантів…………………………………………………………………..73

Список літератури …………………………………………………………………75

ВСТУП

У результаті вивчення хімії студент повинен знати: сучасний стан і шляхи розвитку хімії, її роль у науково-технічному проґресі, у створенні нових матеріалів, у раціональному використанні природних ресурсів, основні закони хімії та закономірності будови речовин, періодичний закон і періодичну систему Д.І. Менделєєва, типи і характеристику хімічних зв¢язків, будову атома і ядерну хімію, хімічну термодинаміку і кінетику; розчини електролітів і неелектролітів; електролітичну дисоціацію, окислювально-відновні реакції, електрохімічні процеси, комплексні сполуки; уміти використовувати прийоми логічного мислення (аналізу, синтезу, порівняння, узагальнення). Спостерігати і пояснювати хімічні явища, які відбуваються в природі, лабораторії, на виробництві; визначати термодинамічні та кінетичні параметри хімічних процесів; систематизувати і використовувати знання, користуючись навчальною і довідковою літературою; розв¢язувати хімічні задачі, поводитись з найважливішими хімічними сполуками і обладнанням, виконувати хімічні дослідження, дотримуючись правил техніки безпеки.

Студент виконує розрахункову роботу, яка складається із 12 завдань у семестрі.

Відповіді на контрольні запитання слід подати не лише в описовій формі, але й у вигляді формул і хімічних рівнянь. У кінці виконаного контрольного завдання слід навести список використаної літератури.

ЕКВІВАЛЕНТ

Моль. Еквіваленти й еквівалентні маси простих і складних речовин. Закон еквівалентів.

З 1 січня 1963 р. у СРСР уведена Міжнародна система одиниць виміру (СІ), що складається з шести основних одиниць: метр (м) − довжина, кілограм (кг) − маса, секунда (с) − час, ампер (А) − сила струму, кельвін (К) − термодинамічна температура, кандела (кд) − сила світла. XIV Ґенеральна конференція з мір і ваги (1971) затвердила як сьому основну одиницю Міжнародної системи моль (моль), що містить стільки ж структурних елементів, скільки міститься атомів у вуглеці - 12 масою 0,012 кг. При застосуванні моля структурні елементи повинні бути специфікованими й можуть бути атомами, молекулами, іонами, електронами й іншими частинками чи специфікованими групами частинок.

Моль речовини відповідає постійній Авоґадро N_A=(6,022045 ±0,000031)· 10²³ моль^-1 структурних елементів. При застосуванні поняття "моль" варто вказувати, які структурні елементи маються на увазі, наприклад моль атомів Н, моль Н₂, моль протонів, моль електронів і под. Так, заряд моля чи електронів дорівнює 6,022 · 10²³ е^- і відповідає кількості електрики, що дорівнює 1 фарадею (F). Маса моля атомів або маса моля молекул (мольна чи молярна маса), виражена в грамах (г/моль), є грам-атомом даного елемента або відповідно грам-молекулою даної речовини в колишньому розумінні.

Еквівалентом речовини називається така його кількість, що з'єднується з 1 молем атомів водню або заміщає ту саму кількість атомів водню в хімічних реакціях.

Еквівалентною масою називається маса 1 еквівалента речовини (г/моль).

Закон еквівалентів: маси (об'єми) взаємодіючих речовин прямо пропорційні їх еквівалентним масам (об'ємам).

, (1)

, (2)

(3)

де m₁, m₂ – маси реагуючих речовин, г; mе₁, mе₂ – їх еквівалентні маси, г/моль;

V₁ ,V₂ – об’єми реагуючих речовин, л; Ve₁ ,Ve₂ – їх еквівалентні об’єми, л/моль.

Приклад 1. При з'єднанні 5,6 г заліза із сіркою утворилось 8,8 г сульфіду заліза. Знайти еквівалентну масу заліза m_еFе і його еквівалент, якщо відомо, що еквівалентна маса сірки дорівнює 16 г/моль.

Розв'язання. З умови задачі виходить, що в сульфіді заліза на 5,6 г заліза припадає 8,8 - 5,6 = 3,2 г сірки. Отже, використовуючи формулу (1), маємо:

, звідки m_eFe=5.6 ·16/3.2=28 г/моль

Приклад 2. Виразіть у молях: а) 6,02· 10²¹ молекул СO₂; б) 1,20 ·10²⁴

атомів кисню, в) 2,00 · 10²³ молекул води. Чому дорівнює мольна (молярна) маса зазначених речовин?

Розв'зання. Моль - це кількість речовини, у якій міститься число часток будь-якого зазначеного сорту, що дорівнює постійній Авоґадро (6,02 ·10²³).

Звідси а) 6,02 · 10²¹ тобто 0,01 моль: 6)1,20 · 10²⁴, тобто 2 моль, в) 2,00 · 10²³, тобто 1/3 моль. Маса моля речовини виражається кг/моль або г/моль. Мольна (молярна) маса речовини в грамах чисельно дорівнює його відносній молекулярній (атомній) масі, вираженій в атомних одиницях маси (а.о.м.). Оскільки молекулярні маси СО₂ і Н₂О й атомна маса кисню відповідно дорівнюють 44, 18 і 16 а.о.м., то їх мольні (молярні) маси дорівнюють:

а) 44 г/моль: б) 18 г/моль; в) 16 г/моль.

Приклад 3. Визначте еквівалент (Е) і еквівалентну масу mе азоту, сірки і хлору в сполуках NH₃, H₂S , НС1.

Розв'язання. Маса речовини і кількість речовини − поняття неідентичні. Маса виражається в кілограмах (грамах), а кількість речовини − у молях. Еквівалент елемента (Е) − це така кількість речовини, що з'єднується з 1 моль атомів водню чи заміщає ту саму кількість атомів водню в хімічних реакціях. Маса 1 еквівалента елемента називається його еквівалентною масою (mе).

Таким чином, еквіваленти виражаються в молях, а еквівалентні маси − у г/моль.

У даних сполуках з 1 моль атомів водню з'єднується 1/3 моль азоту, 1/2 моль сірки і 1 моль хлору. Звідси Е(N)=1/3 моль, Е(S)=1/2 моль, Е(З1)= 1 моль. Виходячи з мольних мас цих елементів, визначаємо їхні еквівалентні маси: m_е(N)= 1/3 · 14 = 4,67 г/моль; m_е(S) =1/2 · 32 = 16 г/моль; m_е(Cl) =1 · 35,45= 35,45 г/моль.

Приклад 4. У якій масі Са(ОН)₂ міститься стільки ж еквівалентів, скільки в 312 г А1(ОН)₃ ?

Розв'язання. Еквівалентна маса А1(ОН)₃ дорівнює 1/3 його мольної маси, тобто 78/3=26 г/моль. Отже, у 312 г А1(ОН)₃ міститься 312/26=12 еквівалентів. Еквівалентна маса Са(ОН)₂ дорівнює 1/2 його мольної маси, тобто 37 г/моль. Звідси 12 еквівалентів складають 37 г/моль · 12 моль = 444 г.

Контрольні запитання

1. Визначте еквівалент і еквівалентну масу фосфору, кисню і брому в сполуках РН₃, Н₂O, НВг.

2. У якій масі NаОН міститься стільки ж еквівалентів, скільки в 140 г КОН?

Відповідь: 100 г.

3. З 1,35 г оксиду металу виходить 3,15 г його нітрату. Обчисліть еквівалентну масу цього металу.

Відповідь: 32,5 г/моль.

4. З 1,3 г гідроксиду металу виходить 2,85 г його сульфату. Обчисліть

еквівалентну масу цього металу.

Відповідь: 9 г/моль.

5. Оксид тривалентного елемента містить 31,58% кисню. Обчисліть

еквівалентну, молярну й атомну маси цього елемента.

6. Чому дорівнює за н.у. еквівалентний об'єм водню? Обчисліть еквівалентну масу металу, якщо на відновлення 1,017 г його оксиду витратилося 0,28 л водню (н.у.).

Відповідь: 32,68 г/моль.

7. Виразіть у молях: а) 6,02·10²² молекул С₂Н₂ ; 6) 1,80·10²⁴ атомів азоту; в) 3,01·10²³ молекул NН₃ . Яка молярна маса зазначених речовин?

8. Обчисліть еквівалент і еквівалентну масу Н₃РO₄ у реакціях утворення:

а) гідрофосфату калію; б) дигідрофосфату калію; в) ортофосфату калію.

9. У 2,48 г оксиду одновалентного металу міститься 1,84 г металу. Обчисліть еквівалентні маси металу і його оксиду. Чому дорівнюють молярна й атомна маси цього металу?

10. Чому дорівнює за н.у. еквівалентний об'єм кисню? На спалювання 1,5 г двовалентного металу потрібно 0,69 л кисню ( н.у.). Обчисліть еквівалентну масу, молярну й атомну маси цього металу.

11. З 3,31 г нітрату металу виходить 2,78 г його хлориду. Обчисліть еквівалентну масу цього металу.

Відповідь: 103,6 г/моль.

12. Напишіть рівняння реакцій Fе(ОН)₃ із хлороводневою (соляною) кислотою, при яких утворяться наступні сполуки заліза: а) хлорид дигідроксозаліза; б) дихлорид гідроксозаліза; в) трихлорид заліза. Обчисліть еквівалент і еквівалентну масу Fе(ОН)₃ у кожній з цих реакцій.

13. Надлишком гідрооксиду калію подіяли на розчини:

а) дигідрофосфату калію; б) нітрату дигідроксовісмуту (III). Напишіть рівняння реакцій цих речовин з КОН і визначте їх еквівалентні маси.

14. У якій кількості Сг(ОН)₃ міститься стільки ж еквівалентів, скільки в 174,96 г Мg(ОН)₂?

Відповідь: 174 г.

15. Надлишком хлороводневої (соляної ) кислоти подіяли на розчини: а) гідрокарбонату кальцію; б) дихлориду гідроксоалюмінію. Напишіть рівняння реакцій цих речовин із НС1 і визначте їх еквіваленти й еквівалентні маси.

16. При окислюванні 16,74 г двовалентного металу утворилося 21,54 г оксиду. Обчисліть еквівалентні маси металу і його оксиду. Чому дорівнюють молярна й атомна маси металу?

17. При взаємодії 3,24 г тривалентного металу з кислотою виділяється 4,03 л водню (н.у.). Обчисліть еквівалентну, молярну й атомну маси металу.

18. Виходячи з мольної маси вуглецю і води, визначте абсолютну масу атома вуглецю і молекули води в грамах.

Відповідь: 2,0·10^-23 г, 3,0·10^-23 г.

19. На нейтралізацію 9,797 г ортофосфорної кислоти витрачено 7,998 г NаОН. Обчисліть еквівалент, еквівалентну масу й основність Н₃РО₄ у цій реакції. На основі розрахунку напишіть рівняння реакції.

Відповідь: 0,5 моль, 44 г/моль, 2.

20. На нейтралізацію 0,943 г фосфористої кислоти Н₃РО₃ витрачено 1,291 г КОН. Обчисліть еквівалент, еквівалентну масу й основність кислоти. На основі розрахунку напишіть рівняння реакції.

Відповідь: 0,5 моль, 41 г/моль, 2.

Література: [2, с. 29-31; 3, с. 33-36; 3, 4, с. 7-11].

БУДОВА АТОМА

Приклад 1. Що таке квантові числа? Яких значень вони можуть набувати?

Розв'язання. Рух електрона в атомі має ймовірний характер. Навколоядерний простір, у якому з найбільшою ймовірністю (0,9-0,95) може знаходиться електрон, називається атомною орбіталлю (АО).

Атомна орбіталь, як будь-яка геометрична фігура, характеризується трьома параметрами (координатами), одержавши назву квантових чисел(п, l, m ). Квантові числа набувають не будь-яких, а визначених, дискретних (перервних) значень. Сусідні значення квантових чисел різняться на одиницю.

Квантові числа визначають розмір (n), форму (l) і орієнтацію (m) атомної орбіталі в просторі. Займаючи ту чи іншу атомну орбіталь, електрон утворює електронну хмару, що в електронів того самого атома може мати різну форму. Форми електронних хмар аналогічні АО. Їх також називають електронними чи атомними орбіталями.

Електронна хмара характеризується чотирма квантовими числами (n, l, m_I,, m_S). Ці квантові числа пов'язані з фізичними властивостями електрона, і число n (головне квантове число) характеризує енергетичний рівень електрона;

число l − момент кількості руху,

число m_I − магнітний момент,

число m_S − спін.

Спін електрона виникає за рахунок обертання його навколо власної осі. Електрони в атомі повинні відрізнятися хоча б одним квантовим числом (принцип Паулі), тому в АО може знаходитися не більш двох електронів, що відрізняються своїми спінами (m = +1/2; −1/2).

Приклад 2. Складіть електронні формули атомів елементів з порядковими номерами 16 і 22. Покажіть розподіл електронів цих атомів за квантовими осередками.

Розв'язання. Електронні формули відображають розподіл електронів у атомі за енергетичними рівнями, підрівнями. Електронна конфігурація позначається групами символів nl^X , де n − головне квантове число, l − орбітальне квантове число, x − число електронів у даному підрівні. При цьому варто враховувати, що електрон займає той енергетичний підрівень, на якому він має найменшу енергію − менша сума (n+l). Послідовність заповнення енергетичних рівнів і підрівнів наступна:

1s→2s→2р→3s→Зр→4s→3d→4р→5s→4d→5р→6s→(5d¹)→4f→5d→6р→ 7s→(6d^1-2)→5f→6d→7р

Оскільки число електронів у атомі того чи іншого елемента дорівнює його порядковому номеру в таблиці Д.І. Менделєєва, то для елементів № 16 (сірка) і № 22 (титан) електронні формули мають вигляд:

₁₆ S 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁴

₂₂Ti 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 3d² 4s²

Електронна структура атома може бути зображена також у вигляді схем розміщення електронів у квантових осередках, що є схематичним зображенням атомних орбіталей (АО). Квантовий осередок позначають у вигляді прямокутника □, кола О, чи лінії ———, а електрони в цих осередках позначають стрілками.

Контрольні запитання

21. Напишіть електронні формули атомів елементів з порядковими номерами 9 і 28. Покажіть розподіл електронів цих атомів за квантовими осередками. До якого електронного сімейства належить кожний з цих елементів?

22. Напишіть електронні формули атомів елементів з порядковими номерами 17 і 26. Розподіліть електрони цих атомів за квантовими осередками. До якого електронного сімейства належить кожний з цих елементів?

23. Яке максимальне число електронів можуть займати s-, р-, d-, f- орбіталі даного енергетичного рівня? Чому? Напишіть електронну формулу атома елемента з порядковим номером 31.

24. Напишіть електронні формули атомів елементів з порядковими номерами 23 і 35. До якого електронного сімейства належить кожний з цих елементів?

25. Які орбіталі атома заповнюються електронами раніше: 4s чи Зd; 5s чи 4р? Чому? Напишіть електронну формулу атома елемента з порядковим номером 21.

26. Ізотоп нікелю-57 утвориться при бомбардуванні α-частинками ядер атомів заліза-54. Складіть рівняння цієї ядерної реакції та напишіть його в скороченій формі.

27. Які орбіталі атома заповнюються електронами раніше: 4d чи 5s; 6s чи 5p? Чому? Напишіть електрону формулу атома елемента з порядковим номером 43.

28. Напишіть електронні формули атомів елементів з порядковими номерами 26 і 35. До якого електронного сімейства належить кожний з цих елементів?

29. Ізотоп кремнію-30 утворюється при бомбардуванні α-частинками ядер атомів алюмінію-27. Складіть рівняння цієї ядерної реакції та напишіть його в скороченій формі.

30. Напишіть електронні формули атомів елементів з порядковими номерами 14 і 40. Скільки вільних d-орбіталей у атомів останнього елемента?

31. Ізотоп вуглецю-11 утворюється при бомбардуванні протонами ядер атома азоту-14. Складіть рівняння реакції та напишіть його у скороченому вигляді.

32. Напишіть електронні формули атомів елементів з порядковими номерами 15 і 28. Чому дорівнює максимальний спін р-електронів в атомів першого і d-електронів в атомів другого елемента?

33. Напишіть електронні формули атомів елементів з порядковими номерами 21 і 23. Скільки вільних d-орбіталей у атомів цих елементів?

34. Скільки і яких значень може набувати магнітне квантове число m_l при орбітальному числі l=0, 1, 2, 3? Які елементи в періодичній системі називають s-, p-, d-, f-елементами? Наведіть приклади.

35. Складіть електронні формули атомів елементів з порядковими номерами 32 і 42, враховуючи, що в останнього відбувається “провал” одного 5s-електрона на 4d-підрівень. До якого електронного сімейства належить кожний з цих елементів?

36. Напишіть електронні формули атомів елементів з порядковими номерами 25 і 34. До якого електронного сімейства належежить кожний з цих елементів?

37. Ізотоп нікелю-57 утвориться при бомбардуванні α-частками ядер атомів заліза-54. Складіть рівняння цієї ядерної реакції та напишіть його в скороченій формі.

38. Напишіть електронні формули атомів елементів з порядковими номерами 21 і 48. До якого електронного сімейства належить кожний з цих елементів?

39. Яке максимальне число електронів можуть займати s-, р-, d-, f-орбіталі даного енергетичного рівня? Чому? Напишіть електронну формулу атома елемента з порядковим номером 31.

40. Напишіть електронні формули атомів елементів з порядковими номерами 9 і 28. Покажіть розподіл електронів цих атомів за квантовими осередками. До якого електронного сімейства належить кожний з цих елементів?

Література: [1, с. 9-30; 2, с. 73-98; 3, с. 54-91; 4, с. 39-52].