Строение атома и периодическая система

Задания для СРС

Ввиду ограниченности времени по лабораторным занятиям часть лекционного материала студенты должны освоить самостоятельно и решить задачи своего варианта по следующим темам:

 

1. Строение атома и периодическая система.

2. Химическое равновесие.

3. Свойства разбавленных растворов неэлектролитов.

4. Реакции обмена в растворах электролитов.

5. Ионное произведение воды. Водородный показатель. Гидролиз солей.

 

Каждое задание выполняется на двойном листе, титульный лист обязателен. Содержание задания и теоретическое введение писать не нужно. Сдавать задания по мере прохождения указанных тем на лекции.

 

Тема 1

Примеры решения задач

Пример 1.1. Написать электронную формулу атома ванадия ₂₃V и:

а) подчеркнуть валентные электроны; б) указать электронное семейство, период, группу, подгруппу, в которых находится элемент; в) изобразить графически валентные энергетические уровни; г) охарактеризовать квантовыми числами валентные электроны; д) составить формулу высшего оксида ванадия и соответствующего ему гидроксида.

Решение. а) Порядковый номер ванадия (V) в периодической системе 23. Следовательно, положительный заряд ядра равен +23 и столько же электронов в атоме ванадия вращается вокруг ядра. Поскольку ванадий находится в 4 периоде, электроны располагаются на 4-х энергетических уровнях следующим образом: ₂₃V 2е, 8е, 11е, 2е. Запись электронной конфигурации атома по уровням и подуровням имеет вид 1 s ²2 s ²2 p ⁶3 s ²3 p ⁶ 3 d ³4 s ². Валентные электроны ванадия 3 d ³4 s ².

б) Ванадий относится к d-электронному семейству и расположен в 4 периоде, VВ группе (побочная подгруппа). Валентные энергетические уровни ванадия 3d и 4s и валентные электроны располагаются на них следующим образом:

в)

г) Каждый электрон в атоме характеризуется набором четырех квантовых чисел: n, l, ml, ms. Главное квантовое число n обозначается арабской цифрой и равно номеру уровня, на котором находится электрон. Для 3d электронов главное квантовое число n равно 3, для 4s электронов – n = 4.

В электронных формулах орбитальное квантовое число обозначается буквой l. Напоминаем:

Значения l 0 1 2 3

Буквенные обозначения s p d f.

Для электронов, находящихся на d-подуровне, l = 2; для электронов

s -подуровня l = 0.

Электроны находятся на разных орбиталях, которые ориентированы по разным направлениям. Ориентацию АО в пространстве определяет магнитное квантовое число m_l, значение которого зависит от орбитального квантового числа l. Если l =2, m_l принимает значение –2, –1, 0, +1, +2; при l = 0 m_l = 0.

Спиновое квантовое число ms принимает значения +½ и –½. Таким образом, электроны состояния 3 d ³ и 4 s ² характеризуются следующими квантовыми числами:

 

N	n	l	ml	ms
			-2	+1/2
			-1	+1/2
				+1/2
				+1/2
				-1/2

д) Формула высшего оксида ванадия V₂O₅. Это кислотный оксид и в качестве гидроксида ему соответствует кислота НVO₃.

Пример 1.2. Какие орбитали атома заполняются электронами раньше 5 d или 6 s; 4 f или 6 p?

Решение. Последовательность заполнения орбиталей осуществляется в соответствии с правилом Клечковского и определяется суммой (n + l). Для подуровня 5 d сумма (n + l) равна (5+2) = 7, для подуровня 6 s (6+0) = 6. В первую очередь заполняются орбитали с меньшей энергией, следовательно, вначале заполняется 6 s, потом 5 d. Для подуровней 4 f и 6 р сумма (n + l) одинакова (4+3) = 7 и (6+1) = 7. При одинаковом значении суммы (n + l) раньше заполняется подуровень с меньшим n, следовательно, 4 f.

Пример 1.3. Записать электронную конфигурацию ионов Fe³⁺ и S^2–.

Решение. Электронная конфигурация атома железа

₂₆Fe⁰ 1 s ²2 s ²2 p ⁶3 s ²3 p ⁶3 d ⁶4 s ². Если атом железа отдаст три электрона, он превратится в ион: Fe⁰ – 3e → Fe³⁺. В первую очередь атом отдает электроны с более высокого энергетического уровня и подуровня. Электронная конфигурация ионов Fe³⁺ имеет вид 1 s ²2 s ²2 p ⁶3 s ²3 p ⁶3 d ⁵4 s ⁰. Электронная конфигурация атома серы ₁₆S⁰ 1 s ²2 s ²2 p ⁶3 s ² 3 p ⁴. Приняв два электрона S⁰ + 2e → S^2–, атом серы превращается в ион S^2–, электронная конфигурация которого 1 s ²2 s ²2 p ⁶3 s ²3 p ⁶.

Пример 1.4. Какую высшую и низшую степени окисления проявляют фосфор, сера, хлор? Составить формулы соединений данных элементов, отвечающих этим степеням окисления.

Решение. Данные элементы находятся соответственно в VA, VIA, VIIA-группах и имеют электронную конфигурацию внешнего энергетического уровня 3 s ²3 p ³; 3 s ²3 p ⁴; 3 s ²3 p ⁵.

Для большинства элементов главных подгрупп высшая степень окисления равна номеру группы, в которой находится элемент, а низшая степень окисления равна разности N–8, (N – номер группы). Ответ на вопрос задачи см. в табл.

 

Задачи

Билет 1.1

1. Написать электронную формулу ₃₁Ga и: а) подчеркнуть валентные электроны; б) указать электронное семейство, период, группу, подгруппу, в которых находится элемент; в) изобразить графически валентные энергетические уровни; г) охарактеризовать квантовыми числами валентные электроны; д) составить формулу высшего оксида галлия и соответствующего ему гидроксида.

2. Какую атомную орбиталь выберет очередной электрон: а) 4d или 5s;

б) 5p или 4d; в) 5f или 4d; г) 5p или 6s; д) 5f или 6s. Ответ обосновать.

3. У какого элемента пятого периода – молибдена или теллура – сильнее выражены металлические свойства? Ответ мотивировать, записав электронные конфигурации атомов этих элементов. Какой из них образует газообразное соединение с водородом? Составить формулу этого соединения.

 

Билет 1. 2

1. Написать электронную формулу ₄₀Zr и: а) подчеркнуть валентные электроны; б) указать электронное семейство, период, группу, подгруппу, в которых находится элемент; в) изобразить графически валентные энергетические уровни; г) охарактеризовать квантовыми числами валентные электроны; д) составить формулу высшего оксида циркония и соответствующего ему гидроксида.

2. Среди приведенных ниже электронных конфигураций указать невозможные и объяснить причину невозможности их реализации: а) 1 р ³; б) 3 р ⁶; в) 3 s²; г) 2 s ²; д) 2 d ⁵; е) 5 d ²; ж) 3 f ¹²; з) 2 р ⁴; и) 3 р ⁷.

3. Какую низшую и высшую степени окисления проявляют Si, As, Se, I? Составить формулы соединений данных элементов с водородом и кислородом, отвечающих этим степеням окисления.

 

Билет 1.3

1. Написать электронную формулу ₃₂Ge и: а) подчеркнуть валентные электроны; б) указать электронное семейство, период, группу, подгруппу, в которых находится элемент; в) изобразить графически валентные энергетические уровни; г) охарактеризовать квантовыми числами валентные электроны; д) составить формулу высшего оксида германия и соответствующего ему гидроксида.

2. Записать электронные конфигурации нейтральных атомов по заданным электронным конфигурациям ионов: а) 1 s ²2 s ²2 p ⁶3 s ²3 p ⁶3 d ¹⁰4 s ²4 p ⁶ (Э^–);

б) 1 s ²2 s ²2 p ⁶3 s ²3 p ⁶3 d ⁶4 s ⁰ (Э³⁺); в) 1 s ²2 s ²2 p ⁶3 s ²3 p ⁶3 d ¹⁰4 s ²4 p ⁶4 d ¹⁰5 s ²5 p ⁶ (Э^2–);

г) 1 s ²2 s ²2 p ⁶3 s ²3 p ⁶4 s ⁰ (Э²⁺). Указать символы и названия элементов, для которых приведены электронные конфигурации.

3. Исходя из степени окисления атомов соответствующих элементов, дать мотивированный ответ на вопрос, какой из двух гидроксидов является более сильным основанием: Cr(OH)₂ или Cr(OH)₃; CuOH или Cu(OH)₂; Fe(OH)₂ или Fe(OH)₃

Билет 1.4

1. Написать электронную формулу ₇₅Re и: а) подчеркнуть валентные электроны; б) указать электронное семейство, период, группу, подгруппу, в которых находится элемент; в) изобразить графически валентные энергетические уровни; г) охарактеризовать квантовыми числами валентные электроны; д) составить формулу высшего оксида рения и соответствующего ему гидроксида.

2. Какие из электронных формул, отражающих строение невозбужденного атома некоторого элемента неверны: а) 1s²2s²2p⁵3s¹; б) 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d⁴; в)1s²2s²2p⁶; г) 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶4s²; д) 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶4s³? Почему? Атомам каких элементов отвечают правильно составленные электронные формулы?

3. У какого из p-элементов VII группы – хлора или йода – сильнее выражены неметаллические свойства? Почему? Исходя из высшей степени окисления элементов, написать формулы кислородсодержащих кислот.

 

Билет 1.5

1. Написать электронную формулу ₄₂Mo и: а) подчеркнуть валентные электроны; б) указать электронное семейство, период, группу, подгруппу, в которых находится элемент; в) изобразить графически валентные энергетические уровни; г) охарактеризовать квантовыми числами валентные электроны; д) составить формулу высшего оксида молибдена и соответствующего ему гидроксида.

2. Составить формулы электронной структуры ионов элементов IV периода, которые по электронному строению аналогичны атому аргона.

3. Составить формулы оксидов и гидроксидов элементов третьего периода, отвечающих их высшей степени окисления. Как изменяется кислотно-основной характер этих соединений при переходе от натрия к хлору? Написать уравнения реакций, доказывающих амфотерность гидроксида алюминия.

 

Билет 1.6

1. Написать электронную формулу ₃₄Se и: а) подчеркнуть валентные электроны; б) указать электронное семейство, период, группу, подгруппу, в которых находится элемент; в) изобразить графически валентные энергетические уровни; г) охарактеризовать квантовыми числами валентные электроны; д) составить формулу высшего оксида селена и соответствующего ему гидроксида.

2. Составить формулы электронной структуры ионов: Hg²⁺; Pb²⁺; Cr³⁺; I^1-

3. Каков вероятный характер оксидов марганца: MnO; Mn₂O₃; MnO₂; MnO₃; Mn₂O₇? Составить формулы соответствующих им гидроксидов.

 

Билет 1.7

1. Написать электронную формулу ₄₁Nb и: а) подчеркнуть валентные электроны; б) указать электронное семейство, период, группу, подгруппу, в которых находится элемент; в) изобразить графически валентные энергетические уровни; г) охарактеризовать квантовыми числами валентные электроны; д) составить формулу высшего оксида ниобия и соответствующего ему гидроксида.

2. В атоме элемента имеется 5 электронных слоев и 2 внешних электрона. Какими квантовыми числами они характеризуются?

3. Исходя из положения Ca, Ga, W в периодической системе, составить формулы водородного соединения кальция, оксида галлия, вольфрамовой кислоты, отвечающие их высшим степеням окисления.

 

Билет 1.8

1. Написать электронную формулу ₅₀Sn и: а) подчеркнуть валентные электроны; б) указать электронное семейство, период, группу, подгруппу, в которых находится элемент; в) изобразить графически валентные энергетические уровни; г) охарактеризовать квантовыми числами валентные электроны; д) составить формулу высшего оксида олова и соответствующего ему гидроксида.

2. Какое число электронов содержит атом, если следующий электрон должен сделать выбор между 5p и 4d атомной орбиталью? Какую из них и почему он предпочтет? Атом какого элемента при этом образуется? Написать его электронную формулу.

3. Написать формулы высших оксидов и их гидроксидов для элементов с порядковыми номерами 4; 37; 75. Написать уравнения реакций, доказывающих амфотерный характер гидроксида бериллия.

 

Билет 1.9

1. Написать электронную формулу ₈₁Tl и: а) подчеркнуть валентные электроны; б) указать электронное семейство, период, группу, подгруппу, в которых находится элемент; в) изобразить графически валентные энергетические уровни; г) охарактеризовать квантовыми числами валентные электроны; д) составить формулу высшего оксида таллия и соответствующего ему гидроксида.

2. Почему при заполнении атомной орбитали очередной электрон идет:

а) на 4s, а не на 3d; в) на 3d, а не на 4p; в) на 4p, а не на 5s?

3. Какую низшую и высшую степень окисления проявляют

а) Si; б) N; в) Se; г) Br? Составить формулы соединений данных элементов, отвечающих этим степеням окисления.

 

Билет 1.10

1. Написать электронную формулу ₅₂Te и: а) подчеркнуть валентные электроны; б) указать электронное семейство, период, группу, подгруппу, в которых находится элемент; в) изобразить графически валентные энергетические уровни; г) охарактеризовать квантовыми числами валентные электроны; д) составить формулу высшего оксида теллура и соответствующего ему гидроксида.

2. Пользуясь правилом Гунда, распределить электроны по атомным орбиталям, отвечающим возбужденному состоянию атомов P, Al, Si, S, Ni.

3. Исходя из положения металла в периодической системе, дать мотивированный ответ на вопрос, какой из двух гидроксидов более сильное основание:

а) Ba(OH)₂ или Mg(OH)₂; б) Ca(OH)₂ или Fe(OH)₂; в) Cd(OH)₂ или Sr(OH)₂?

 

Билет 1.11

1. Написать электронную формулу ₄₈Cd и: а) подчеркнуть валентные электроны; б) указать электронное семейство, период, группу, подгруппу, в которых находится элемент; в) изобразить графически валентные энергетические уровни; г) охарактеризовать квантовыми числами валентные электроны; д) составить формулу высшего оксида кадмия и соответствующего ему гидроксида.

2. Написать электронные формулы атомов и ионов:

а) Cl⁰, Cl‾; б) Mn⁰, Mn²⁺.

3. Определить по формулам высших соединений номер группы, в которых находится элемент: а) Э₂O₅, ЭCl₄, ЭН₃; б) ЭО₂, НЭ, Э₂О₇; в) Н₂Э, Э₂О₃, ЭО.

 

Билет 1.12

1. Написать электронную формулу ₃₅Br и: а) подчеркнуть валентные электроны; б) указать электронное семейство, период, группу, подгруппу, в которых находится элемент; в) изобразить графически валентные энергетические уровни; г) охарактеризовать квантовыми числами валентные электроны; д) составить формулу высшего оксида брома и соответствующего ему гидроксида.

2. Сколько неспаренных электронов содержат невозбужденные атомы:

а) B; б) S; в) As; г) Cr; д) Hg?

3. Марганец образует соединения, в которых он проявляет степени окисления +2, +3, +4, +6, +7. Составить формулы его оксидов и гидроксидов, отвечающих этим степеням окисления.

 

Билет 1.13

1. Написать электронную формулу ₃₃As и: а) подчеркнуть валентные электроны; б) указать электронное семейство, период, группу, подгруппу, в которых находится элемент; в) изобразить графически валентные энергетические уровни; г) охарактеризовать квантовыми числами валентные электроны; д) составить формулу высшего оксида мышьяка и соответствующего ему гидроксида.

2. Написать электронные формулы атомов и ионов:

а) Na⁰, Na⁺; б) N⁰, N^3-; в) Mn⁰, Mn²⁺, Mn⁷⁺.

3. Назвать элемент по следующим данным: а) элемент 4 периода, высший оксид Э₂О₇, с водородом образует газообразное соединение НЭ;

б) элемент 5 периода, высший оксид ЭО₂, с водородом газообразных соединений не образует; в) элемент 4 периода, высший оксид ЭО, с водородом дает солеобразное соединение ЭН₂.

 

Билет 1.14

1. Написать электронную формулу ₈₂Pb и: а) подчеркнуть валентные электроны; б) указать электронное семейство, период, группу, подгруппу, в которых находится элемент; в) изобразить графически валентные энергетические уровни; г) охарактеризовать квантовыми числами валентные электроны; д) составить формулу высшего оксида свинца и соответствующего ему гидроксида.

2. Написать электронные формулы ионов: а) Sn²⁺; б) Sn⁴⁺; в) Cr³⁺; г) Br^1-.

3. Составить формулы водородного соединения германия; оксида молибдена; рениевой кислоты, отвечающие их высшим степеням окисления.

 

Билет 1.15

1. Написать электронную формулу ₃₉Y и: а) подчеркнуть валентные электроны; б) указать электронное семейство, период, группу, подгруппу, в которых находится элемент; в) изобразить графически валентные энергетические уровни; г) охарактеризовать квантовыми числами валентные электроны; д) составить формулу высшего оксида иттрия и соответствующего ему гидроксида.

2. Определить по правилу Клечковского последовательность заполнения атомных орбиталей, характеризующихся суммой (n+l): а) 5; б) 6; в) 7.

3. Один из элементов III группы образует оксид с массовой долей кислорода 25,6 %. Рассчитать молярную массу элемента и назвать этот элемент. (Ответ: 69,7 г/моль).

 

Билет 1.16

1. Написать электронную формулу ₄₉In и: а) подчеркнуть валентные электроны; б) указать электронное семейство, период, группу, подгруппу, в которых находится элемент; в) изобразить графически валентные энергетические уровни; г) охарактеризовать квантовыми числами валентные электроны; д) составить формулу высшего оксида индия и соответствующего ему гидроксида.

2. Назвать элементы, внешний энергетический уровень атомов которых выражается электронной конфигурацией np ⁴. Написать полную электронную конфигурацию атома одного из этих элементов и указать электронное семейство.

3. Составить формулы оксидов и гидроксидов элементов II периода, отвечающих их высшей степени окисления. Как изменяется кислотно-основной характер этих соединений при переходе от лития к фтору?

 

Билет 1.17

1. Написать электронную формулу ₈₃Bi и: а) подчеркнуть валентные электроны; б) указать электронное семейство, период, группу, подгруппу, в которых находится элемент; в) изобразить графически валентные энергетические уровни; г) охарактеризовать квантовыми числами валентные электроны; д) составить формулу высшего оксида висмута и соответствующего ему гидроксида.

2. Сколько свободных 3d АО имеют возбужденные атомы:

а) Cl; б) V; в) Mn?

3. Вычислить молярную массу и назвать элемент, высший оксид которого отвечает формуле Э₂О₅, образует с водородом газообразное соединение, массовая доля водорода в котором 8,82 %. (Ответ: 31 г/моль).

 

Билет 1.18

1. Написать электронную формулу ₅₅Cs и: а) подчеркнуть валентные электроны; б) указать электронное семейство, период, группу, подгруппу, в которых находится элемент; в) изобразить графически валентные энергетические уровни; г) охарактеризовать квантовыми числами валентные электроны; д) составить формулу высшего оксида цезия и соответствующего ему гидроксида.

2. Для каких подуровней сумма (n + l) равна 6: а) 6d, 7s, 3f; б) 7p, 3s, 2p;

в) 6p, 5d, 4p; г) 5f, 4s, 3p; д) 4d, 5p, 6s?

3. Вычислить массовую долю (в %) элементов в высших оксидах:

а) селена; б) рения; в) осмия; г) индия. (Ответ: 62,2%; 76,9%; 74,8%; 82,7%).

 

Билет 1.19

1. Написать электронную формулу ₇₂Hf и: а) подчеркнуть валентные электроны; б) указать электронное семейство, период, группу, подгруппу, в которых находится элемент; в) изобразить графически валентные энергетические уровни; г) охарактеризовать квантовыми числами валентные электроны; д) составить формулу высшего оксида гафния и соответствующего ему гидроксида.

2. Сколько свободных f-орбиталей содержится в атомах элементов с порядковыми номерами 59, 60, 90, 93? Пользуясь правилом Гунда, распределить электроны по орбиталям для атомов этих элементов.

3. У какого элемента IV периода – хрома или селена сильнее выражены металлические свойства? Какой из этих элементов образует газообразное соединение с водородом? Ответ мотивировать строением атомов Cr и Se.

 

Билет 1.20

1. Написать электронную формулу ₅₆Ba и: а) подчеркнуть валентные электроны; б) указать электронное семейство, период, группу, подгруппу, в которых находится элемент; в) изобразить графически валентные энергетические уровни; г) охарактеризовать квантовыми числами валентные электроны; д) составить формулу высшего оксида бария и соответствующего ему гидроксида.

2. Атомы каких элементов имеют следующее строение внешних электронных слоев: а) 4d⁴5s¹; б) 4s²4p⁴. К какому электронному семейству и подгруппе они относятся?

3. Какую низшую степень окисления проявляет водород, фтор, углерод, азот? Составить формулы соединений кальция с данными элементами в этой их степени окисления.

Тема 2

Химическое равновесие

 

Химическим равновесием называется такое состояние реагирующей системы, при котором скорость прямой реакции равна скорости обратной реакции. Закон действия масс для обратимых процессов: в состоянии химического равновесия при постоянной температуре отношение произведения концентраций продуктов реакции к произведению концентраций исходных веществ есть величина постоянная. Она называется константой равновесия и обозначается К_с. Для реакции nА + mВ ↔ рС + qD константа равновесия имеет вид:

, где

[A], [B], [C], [D] – равновесные концентрации реагирующих веществ;

n, m, p, q – коэффициенты перед веществами А, В, C, D

Химическое равновесие остается неизменным до тех пор, пока условия равновесия (концентрация, температура, давление), при которых оно установилось, сохраняются постоянными. При изменении условий равновесие нарушается. Через некоторое время в системе вновь наступает равновесие, характеризующееся новым равенством скоростей и новыми равновесными концентрациями всех веществ. Переход системы из одного равновесного состояния в другое называется смещением равновесия.

Изменение концентрации

При увеличении концентрации исходных веществ и уменьшении концентрации продуктов реакции равновесие смещается в сторону прямой реакции. При увеличении концентраций продуктов реакции и понижении концентраций исходных веществ равновесие смещается в сторону обратной реакции. Например, в реакции

2СО + О₂ ↔ 2СО₂

увеличение концентраций СО, О₂ (исходные вещества) или уменьшение концентрации СО₂ (продукт реакции) приводит к смещению равновесия вправо. Увеличение концентрации СО₂ или понижение концентраций исходных веществ СО, О₂ смещает равновесие влево.

 

Изменение температуры

При повышении температуры равновесие смещается в направлении эндотермической, при понижении – в направлении экзотермической реакции. Например, в равновесной системе

N₂ + O₂ ↔ 2NO. ∆Н⁰_х.р. = 180,5 кДж

прямая реакция эндотермическая, поэтому повышение температуры приводит к смещению химического равновесия в сторону прямой реакции, а понижение температуры – в сторону обратной реакции.

 

Изменение давления

При повышении давления равновесие смещается в сторону реакции, идущей с уменьшением числа молекул газа, при понижении давления – в сторону реакции, идущей с увеличением числа молекул газа. Так, в системе

N₂ + 3H₂ ↔ 2NH₃

в левой части 4 молекулы, а в правой −2, поэтому при увеличении давления равновесие смещается вправо (там 2 молекулы газа), а при уменьшении влево (4 молекулы газа).

 

Примеры решения задач

Пример 2.1. При некоторой температуре в системе

N₂ (г) + 3Н₂ (г) 2NH₃ (г) равновесные концентрации составляли (моль/л):

[N₂] = 1,5; [H₂] = 1,7; [NH₃] = 2,6. Вычислить константу равновесия этой реакции и исходные концентрации азота и водорода.

Решение. Константа равновесия данной реакции выражается уравнением . Подставляя данные задачи, получаем: .

Исходные концентрации азота и водорода находим на основе уравнения реакции. Согласно уравнению реакции на образование 2 моль NH₃ расходуется 1 моль N_.2. По условию задачи образовалось 2,6 моль NH₃, на что израсходовалось 1,3 моль N₂. Учитывая равновесную концентрацию азота, находим его исходную концентрацию: = 1,5 + 1,3 = 2,8 моль/л.

По уравнению реакции на образование 2 моль NH₃ необходимо 3 моль H₂, а для получения 2,6 моль NH₃ требуется 3×2,6 / 2 = 3,9 моль H₂. Исходная концентрация водорода С_Н2 = 1,7 + 3,9 = 5,6 моль/л. Таким образом, К_С = 0,92; исходные концентрации = 2,8 моль/л, = 5,6 моль/л.

Пример 2.2. Реакция протекает по уравнению А + В D + F. Определить равновесные концентрации реагирующих веществ, если исходные концентрации веществ А и В, соответственно, равны 2 и 1,2 моль/л, а константа равновесия реакции К_С = 1.

Решение. Так как все вещества в данной реакции реагируют в одинаковых соотношениях, обозначим изменение концентрации всех реагирующих веществ через x. К моменту установления равновесия образовалось х моль D и х моль F и соответственно [D] = x; [F] = x. По уравнению реакции на столько же уменьшились концентрации А и В, т. е. [A] = 2 – x; [B] = 1,2 – x. Подставим равновесные концентрации в выражение константы равновесия:

К_С= ; 1= ; х = 0,75.

Отсюда равновесные концентрации: [D] = 0,75 моль/л; [F] = 0,75 моль/л; [A] = 2 – 0,75 = 1,25 моль/л; [B] = 1,2 – 0,75 = 0,45 моль/л.

Пример 2.3. Реакция протекает по уравнению 2SO₂ + O₂ 2SO₃. В каком направлении сместится химическое равновесие, если объем системы уменьшить в 3 раза?

Решение. До изменения объема скорости прямой и обратной реакций выражались уравнениями:

v_пр = ; v_обр = .

При уменьшении объема в 3 раза концентрация каждого из реагирующих веществ увеличится в 3 раза. После увеличения концентрации скорость прямой реакции стала: v_пр = k₁×(3 )²×(3 ) = k₁× 9 × 3 = 27k₁ ,

т. е. возросла в 27 раз; а скорость обратной – v_обр = k₂× (3 )² = k₂× 9 = 9k₂ , т. е. возросла в 9 раз. Следовательно, равновесие сместится в сторону прямой реакции (вправо).

Пример 2.4. В какую сторону сместится химическое равновесие реакции А + В D, если повысить температуру на 30 ^оС? Температурные коэффициенты скорости прямой и обратной реакции, соответственно, равны 2 и 3.

Решение. При повышении температуры на 30° скорость прямой реакции возрастет в раз, а скорость обратной в раз. Так как скорость обратной реакции возросла в 27 раз, а скорость прямой в 8 раз, то равновесие этой реакции при повышении температуры сместится в сторону обратной реакции (влево).

Пример 2.5. Как изменятся скорости прямой и обратной реакции, если в системе 2NO (г) + О₂ (г) 2NO₂ (г) уменьшить давление в 2 раза? Произойдет ли при этом смещение равновесия? Если да, то в какую сторону?

Решение. До уменьшения давления выражения для скорости прямой и обратной реакции имели вид v_пр = k₁ , v_обр = k₂ .

При уменьшении давления в 2 раза концентрации каждого из реагирующих веществ уменьшаются в 2 раза, так как общий объем системы увеличивается в 2 раза. Тогда

; .

В результате уменьшения давления скорость прямой реакции уменьшилась в 8 раз, а скорость обратной – в 4 раза. Таким образом, скорость обратной реакции будет в 2 раза больше, чем прямой, и смещение равновесия произойдет в сторону обратной реакции, т. е. в сторону разложения NO₂.

Пример 2.6. В каком направлении сместится равновесие реакции

COCl₂ ↔ СО + Cl₂, ∆H⁰_х.р. = +112,5 кДж а) при повышении давления;

б) с понижением температуры; в) при уменьшении концентрации хлора.

Решение. а) При повышении давления равновесие смещается в сторону реакции, идущей с уменьшением числа молекул газа, при понижении давления – в сторону реакции, идущей с увеличением числа молекул газа. В левой части приведенной реакции 1 молекула (COCl₂), а в правой – 2 (1 СО + 1 Cl₂), поэтому при повышении давления равновесие смещается в сторону обратной реакции;

б) При понижении температуры равновесие смещается в сторону экзотермической реакции, при повышении температуры – в сторону эндотермической. В нашем примере прямая реакция эндотермическая (∆H⁰_х.р. > 0), а обратная – экзотермическая, следовательно, при понижении температуры равновесие сместится в сторону обратной реакции;

в) При увеличении концентрации исходных веществ и уменьшении концентрации продуктов реакции равновесие смещается в сторону продуктов реакции. При уменьшении концентрации хлора (продукта реакции) равновесие сместится в сторону прямой реакции, т.е. в сторону образования продуктов реакции.

Задачи

2.1. При нагревании диоксида азота в закрытом сосуде до некоторой температуры равновесие реакции 2NO₂ 2NO + O₂ установилось при следующих концентрациях: [NO₂] = 0,4 моль/л; [NO] = 1 моль/л; [O₂] = 0,5 моль/л. Вычислить константу равновесия для этой температуры и исходную концентрацию диоксида азота. (Ответ: 3,125; 1,4 моль/л).

2.2. Реакция протекает по уравнению АВ А + В. При некоторой температуре из 1 моль АВ, находящегося в закрытом сосуде емкостью 20 л, разлагается 0,6 моль АВ. Определить константу равновесия. (Ответ: 0,045).

2.3. Константа равновесия реакции N₂O₄ 2NO₂ равна 0,16 при 375 К. Равновесная концентрация NO₂ равна 0,09 моль/л. Вычислить равновесную концентрацию N₂O₄. (Ответ: 0,051 моль/л).

2.4. Рассчитать равновесную концентрацию О₃ и константу равновесия в реакции 3О₂ (г) 2О₃ (г), если начальная масса О₂ равна 24 г, а равновесная концентрация О₂ равна 0,6 моль/л. (Ответ: 0,1 моль/л; 0,046).

2.5. Используя справочные данные табл. 1 приложения, рассчитать ΔН⁰_х.р. реакции, протекающей по уравнению 2NO₂ (г) 2NO (г) + O₂ (г) и определить, в какую сторону сместится равновесие при охлаждении системы.

2.6. Рассчитать равновесные концентрации газообразных веществ в гетерогенной системе FeO (к) + CO (г) Fe (к) + CO₂ (г), если начальная концентрация СО составляла 2 моль/л, константа равновесия К_С = 0,6.

(Ответ: 1,25 моль/л; 0,75 моль/л.).

2.7. При состоянии равновесия системы N₂ + 3H₂ 2NH₃ концентрации веществ были (моль/л): [N₂] = 0,3; [H₂] = 0,9; [NH₃] = 0,4. Рассчитать, как изменятся скорости прямой и обратной реакции, если концентрации всех участвующих в реакции веществ увеличить в 4 раза. В каком направлении сместится равновесие? (Ответ: 256; 16).

2.8. Вычислить константу равновесия для гомогенной системы:

CO (г) + H₂O (г) СO₂ (г) + H₂ (г), если равновесные концентрации реагирующих веществ (моль/л): [CO] = 0,004; [H₂O] = 0,064; [CO₂] = 0,016, [H₂] = 0,016. Чему равны исходные концентрации воды и СО?

(Ответ: 1; 0,08 моль/л; 0,02 моль/л).

2.9. В начальный момент протекания реакции

NiO (к) + Н₂ (г) Ni (к) + H₂O (г) концентрации были равны (моль/л): = 0,5; = 1,7. Рассчитать равновесные концентрации газообразных веществ, если К_С = 5,66. (Ответ: 0,33 моль/л; 1,87 моль/л).

2.10. В реакторе при некоторой температуре протекает реакция

СО₂ + Н₂ СО + Н₂О. Определить константу равновесия, если в начальный момент = 2,15 моль/л, = 1,25 моль/л, а к моменту равновесия прореагировало 60 % начального количества СО₂. (Ответ: 0,8).

2.11. Определить, в какую сторону произойдет смещение равновесия реакции CO₂ (г) + 4Н₂ (г) СН₄ (г) + 2Н₂О (г), ∆Н⁰_х.р = -165 кДж

при следующих воздействиях: а) увеличении давления; б) повышении концентрации СО₂; в) понижении температуры.

2.12. В гомогенной системе установилось равновесие

2H₂S + 3O₂ ↔ 2SO₂ + 2H₂O. Константа равновесия К_С = 3∙10⁵. Исходные вещества или продукты реакции будут преобладать в равновесной смеси веществ?

Вычислить равновесную концентрацию диоксида серы, если равновесные концентрации веществ, участвующих в реакции, равны (моль/л):

[H₂S] = 0,02; [O₂] = 0,30; [H₂O] = 0,40. (Ответ: 4,5 моль/л).

2.13. Рассчитать К_С реакции PCl₅ (г) PCl₃ (г) + Cl₂ (г) при 500 К, если к моменту равновесия разложилось 54 % PCl₅, а исходная концентрация PCl₅ была равна 1 моль/л. (Ответ: 0,634).

2.14. После смешивания газов А и В в системе А (г) + В (г) С (г) +D (г) устанавливается равновесие при следующих концентрациях: [B] = 0,5 моль/л; [C] = 0,2 моль/л. Константа равновесия реакции равна 4×10^-2. Найти исходные концентрации вещества А и В. (Ответ: 2,2 моль/л; 0,7 моль/л).

2.15. Система С (графит) + СО₂ (г) 2СО (г), D