6 заданий по физической и коллоидной хим

ФИЗИЧЕСКАЯ ХИМИЯ
Задание №1: Термохимия. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .      4
Задание №2: Способы выражения концентрации растворов . . . . . .     6
Задание №3: Фазовая диаграмма жидкого раствора двух летучих компонентов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .     
9
Задание №4: Химическое равновесие . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .                                      23
Задание №5: Термодинамика электрохимических систем. . . . . . . .     25
Задание №6: Зависимость скорости реакции от температуры. . . . .     31
  












6 задач вариант № 23











Задание №1
Термохимия
Таблица 1.2 – Индивидуальные задания

№
вариан-та    Реакция    №
вариан-та    Реакция
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11

12    2Н2+СО = СН3ОН (ж)
4НС1+О2 = 2Н2О+2С12
NH4Cl(тв) = NH3 + 3O2
2N2+6H2O (ж) = 4NH3+3O2
4NO+6H2O (ж) = 4NH3+5O2
2NO2 = 2NO+O2
N2O4 = 2NO2
Mg(OH)2 = MgO+H2O (г)
СаСО3 = CaO+CO2
Ca(OH)2 = CaO+H2O (г)
S(ромб) + 2H2O(ж) =SO2 + 2H2
S(ромб) + 2CO2 = SO2 +2CO    13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25    2SO2 + O2 = 2SO3(г)
SO2 + Cl2 =SO2Cl2(г)
CO + 3H2 = CH4 + H2O (г)
2CO + SO2 = S(ромб) +2CO2
CO + Cl2 = COCl2(г)
CO2 + H2 = CO + H2O (г)
CO2 + 4H2 = CH4 +2H2O(ж)
2CO2 = 2CO + O2
CH4 + CO2 = 2CO + 2H2
C2H6 = C2H4 +H2
C2H5OH(ж) = C2H4 + H2O(ж)
CH3CHO (г) +H2 = C2H5OH(ж)
С6H6(ж) + 3H2  = C6H12(ж)


Задание №2
Способы выражения концентрации растворов
Таблица 2.1 – Индивидуальные задания

№ ва-    Масс. доля    Вещество    Т, К    d,
рианта
    ω2 в-ва А, вес.%    А    В    
    кг/м3
1    97    СВr3СНО    H2O    323    2628
2    94    СВr3СНО    H2O

    313    2566
3    91    СВr3СНО    H2O    313    2485
4    87    СВr3СНО    H2O    313    2340
5    80    СВr3СНО    H2O    313    2106
6    73    СВr3СНО    H2O    313    1938
7    63    СВr3СНО    H2O    313    1725
8    45    СВr3СНО    H2O    313    1476
9    72    C6H5(SO3H)    H2O    298    1281
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25




    66
61
80
62
57
50
43
37
30
23
17
12
80
60
40
20    C6H5(SO3H)
C6H5(SO3H)
C6H3(OH) 3
(CH2)4O2
C10H8
C10H8
C10H8
C10H8
C10H8
C10H8
C10H8
C10H8
C6H14
C6H14
C6H14
C6H14    H2O
H2O
H2O
H2O
CH3COCH3
CH3COCH3 CH3COCH3 CH3COCH3 CH3COCH3 CH3COCH3 CH3COCH3 CH3COCH3 CH3COCH3 CH3COCH3 CH3COCH3 CH3COCH3
298
298
293
293
293
293
293
293
293
293
293
293
293
293
293
293


    1256
1235
1208
1041
992
968
945
921
900
875
850
835
765
741
719
692





Задание №3
Фазовая диаграмма жидкого раствора
двух летучих компонентов
зависимости от того, какого из них больше в системе по сравнению с азеотропом.
ЗТаблица 3.3 – Индивидуальные задания

№ варианта    
Система    Молярная доля А, %    
Т, К
        х – жидкая фаза    у - пар    
1    А – HNO3    0,0    0,0    373
    B – H2O    8,4    0,6    379,5
        12,3    1,8    385
        22,1    6,6    391,5
        30,8    16,6    394,6
        38,3    38,3    394,9
        40,2    60,2    394,0
        46,5    75,9    391,0
        53,0    89,1    385
        61,5    92,1    372
        100,0    100,0    357



№ варианта    
Система    Молярная доля А, %    
Т, К
        х – жидкая фаза    у - пар    
2    А – HNO3    0,0    0,0    391,1
    B – С2Н4О2    10,0    3,0    395,1
        20,0    8,0    399,5
        33,3    34,0    401,6
        40,0    47,0    400,3
        50,0    82,0    393,3
        60,0     96,0    378,0
        100,0    100,0    358,3
3    A – HF       4,95    0,8    374,6
    B – H2O    9,2    1,8    375,8
        18,9    6,4    379,8
        22,8    10,6    381,4
        27,9    17,8    383,3
        33,8    30,5    384,7
        34,4    32,1    385,0
        35,8    35,8    385,4
        39,7    47,5    384,4
        44,4    63,3    381,7
        50,3    81,0    374,7
        52,2    86,2    371,9
        56,0    92,2    369,9
        58,2    95,8    359,6
        61,7    98,9    352,0
        79,8    98,2     318,1
        87,9    99,5    306,5
        100,0    100,0    292,4
4    A – H2O    0,0    0,0    435,0
    B – C6H4O2    2,0    10,0    431,8
    (фурфурол)    4,0    19,0    427,8
        6,0    36,0    419,0
        8,0    68,0    395,5
        10,0    81,1    382,5
        20,0    89,0    373,6
        30,0    90,5    371,7
        50,0    90,8    370,9
        90,8    90,8    370,9
        96,0    90,8    370,9
        98,0    92,0    37, 1
        99,0    94,5    371,6
        100,0    100,0    373,0
5    А – Н2О    3,9    26,7    384,5
    В – С4Н10О    4,7    29,9    383,6
    (н-бутиловый     5,5    32,3    382,6
    спирт)    7,0     35,2       381,8
        25,7    62,9    370,9
        27,5    64,1    370,2
        29,2    65,5    369,7




№ варианта    
Система    Молярная доля А, %    
Т, К
        х – жидкая фаза    у - пар    
        30,5    66,2    369,3
        49,6    73,6    366,5
        50,6    74,0    366,4
        55,2    75,0    365,9
          57,7    75,0    365,8
        97,5    75,2    365,7
        98,0    75,6    366,0
        98,8    80,8    366,7
        99,2    84,3    368,4
        99,4    88,4    369,8
        99,7    92,9    371,7
        99,9    98,1    372,5
6    А – Н2О    13,5    40,1    370,8
    В – С4Н10О    15,0         42,0    370,1
    (изо-бутиловый     15,9    43,7    369,6
    спирт)    17,2    44,6    369,0
        39,7    62,6    363,3
        40,5    63,3    363,2
        56,4    66,0    362,5
        60,5    66,7    362,4
        67,0    67,0    362,2
        97,5    67,2    362,5
        97,8    67,3    363,1
        98,6    71,4    364,5
        99,1    78,2    366,4
        99,8    95,7    371,9
7    А – Н2О    0,0    0,0    377,5
    В – С5Н12О    18,9    42,7    367,8
    (2-метил-    34,2    55,3    365,3
    3-бутил-2-ол)    53,8    63,4    364,3
        66,7    65,7    364,1
        75,7    66,9    364,2
        82,4    67,5    364,25
        87,5    68,1    364,3
        91,6    69,1    364,4
         94,9.    70,3    364,8
        97,7    75,7    366,4
        99,5    91,0    369,0
        100,0    100,0    373,3
8    А – СS2    0,0    0,0    329,2
    В – CН3СОСН3    1,9    8,3    327,0
        4,8    18,5    324,4
        13,4    35,1    319,6
        18,6    44,3.    317,0
            29,1    52,8    314,4
        38,0    57,4    313,3
        44,8    59,8    312,8




№ варианта    
Система    Молярная доля А, %    
Т, К
        х – жидкая фаза    у - пар    
        53,6    62,7    312,3
        65,3    66,1    312,1
        78,9    70,5    312,3
        87,9    76,0    313,5
        96,8    88,6    315,5
        100,0    100,0    319,3
9    А – СН3ОН    0,0    0,0    349,7
    В – СС14    0,2    2,0    349,1
        0,4    12,0    345,4
        1,3    24,2    340,6
        1,7    26,4    339,9
        3,0    38,3    335,0
         5,1    44,5    332,4
        10,7    49,0    330,2
        12,4    50,0    330,0
        24,8    52,2    329,3
        40,1    53,7    328,8
        45,3    54,1    328,8
        55,0    55,2    327,7
        56,6    55,2    328,7
        72,5    59,1    329,0
        76,4    30,3    329,4
        81,3    63,0    329,8
        83,8    64,9    330,1
        88,3    69,6    331,2
        91,8    75,3    332,5
        94,8    82,3    333,9
        97,9    91,0    335,8
        99,3    96,7    337,1
        100,0    100,0    337,7
10    А – СН3ОН    0,0    0,0    351,5
    В – С6Н6    2,4    17,5    341,2
        3,6    30,1    336,9
        4,7    43,5    333,3
        5,9    51,1    330,7
        6,3    53,4    330,3
        9,2    54,6    329,8
        24,9    59,9    329,4
        84,7    71,3    330,6
        64,5    64,5    329,4
        78,5    66,6    329,9
        90,2    77,1    330,3
        94,1    84,4    332,6
        98,3    93,6    334,9
        100,0    100,0    336,1
11    А – СН3ОН    0,0    0,0    363,2
    В – С6Н6    2,8    31,0    342,4




№ варианта    
Система    Молярная доля А, %    
Т, К
        х – жидкая фаза    у - пар    
        5,0    39,5    339,8
        5,7    42,0    338,7
         9,0    48,5    334,4
        11,8    56,5    332,0
        27,0    57,5    331,0
        44,0    58,5    330,8
        58,6    61,0    330,7
        69,5    62,5    330,6
        81,7    65,5    331,1
        88,3    70,0    331,9
        90,2        73,0    332,9
        94,5    82,2    333,2
        96,8    90,0    335,4
        98,8    94,2    336,4
12    А-С2Н6O    0,0    0,0    352,8
    B – C6H6    4,0    15,1    348,2
        15,9    35,3    342,5
        29,8    40,5    341,2
        42,1    43,6    340,8
        53,7    46,6    341,0
        62,9    50,5    341,74
        71,8    54,9    342,0
        79,8    60,6    343,3
        87,2    68,3    344,8
        93,9    78,7    347,4
        100,0    100,0    351,1
13    А – С3Н6О    0,0    0,0    337,7
    В – СН3ОН    4,8    14,0    335,9
        17,6    31,7    333,1
        28,0    42,0    331,3
        40,0    51,6    330,2
        60,0    65,6    329,1
        80,0    80,0    328,6
        95,0    94,0    328,6
        98,2    97,6      329,1
        100,0    100,0    329,5
14    А – С3Н6О    0,0    0,0    332,9
    В – СНС13    7,9    6,0    333,3
        14,3    11,6    334,2
        46,2    52,0    335,0
        18,6    16,0    334,8
        26,6    23,5    335,2
        39,4    39,4    335,4
        53,6    59,8    334,3
        61,8    69,8    333,3
        71,5    79,2    331,9
        77,0    84,8    331,2




№ варианта    
Система    Молярная доля А, %    
Т, К
        х – жидкая фаза    у - пар    
        82,1    90,1    330,2
        91,5    95,4    329,0
        100,0    100,0    328,2
15    А – С3Н6О    0,0    0,0    334,3
    В – СНС13    18,6    10,3    336,0
        34,0    31,8    336,8
        46,8    51,5    336,4
        57,8    65,2    335,2
        67,3    75,7    334,0
        75,5    83,2    332,9
        82,7    89,0    331,8
        89,2    93,6    330,8
        94,9    97,3    330,0
        100,0    100,0    329,0
16    А – С3Н8О    0,0    0,0    373,0
    В – Н2О    1,0    11,0    368,0
        2,0    21,6    365,0
        4,0    32,0    363,5
        6,0    35,1    362,3
        10,0    37,2    361,5
        20,0    39,2    361,1
        30,0    40,4    360,9
        40,0    42,4    360,8
        50,0    45,2    360,9
        60,0    49,2    361,3
        70,0    55,1    362,0
        80,0    64,1    363,5
        85,0    70,4    364,5
        90,0    77,8    365,8
        96,0    90,0    367,0
        100,0    100,0    370,3
17    А-С4Н10О    0,0    0,0    325,6
    (диэтиловый эфир)    18,0    22,5'    324,5
    В – С6H12O2    28,2    32,2    324,1
    (бутилацетат)    35,5    36,3    323,8
        37,0    37,0    323,7
        43,5    41,6    323,8
        59,1    50,4    324,2
        76,5    64,5    325,3
        86,8    75,2    326,5
        31,3    37,5    349,9
        92,1     83,3    327,7
        100,0    100,0    329,1
18    А-С4Н10O    0,0    0,0    353,6
    (диэтиловый эфир)    16,1    21,0    351,2
    В – С6H12O2    31,3    37,5    349,9
    (бутилацетат)    47,4    47,9    349,4



№ варианта    
Система    Молярная доля А, %    
Т, К
        х – жидкая фаза    у - пар    
        61,3    57,8    349,5
        77,7    70,5    350,2
        87,3    80,7    351,3
        100,0    100,0    353,3
19    А-С4Н10O    0,0     0,0     399,0
    (диэтиловый эфир)    21,9    33,4    394,2
    В – С6H12O2    37,2    48,2    391,9
    (бутилацетат)    51,4    58,0    390,9
        66,4    69,2    390,1
        72,2    74,1    389,9
        77,9    78,6    389,8
        84,7    84,4    390,0
        89,6    88,0    390,1
        100,0    100,0    390,5
20    А – СНС13    0,0    0,0    337,9
    В – СН3ОН    2,9    8,3    337,1
        6,3    16,1    335,4
        10,3    24,0    333,7
        15,2    32,3    332,1
        21,2    41,2    330,5
        28,7    48,8    328,9
        38,5    54,2    327,5
        51,8    58,9     .    326,7
        70,72    67,8    326,7
        84,7    82,3    330,0
        100,0    100,0    334,4
21    А-СС14    0,0    0,0    350 ;9
    В-СH3CH3OH    3,2    16,6    347,8
        7,0    26,5    345,4
        11,4    35,4    343,3
        16,6    43,5    341,4
        23,0    49,8    339,6
        31,0    53,6    338,3
        41,1    56,9    337,4
        55,67    59,7    336,9
        63,0    63,0    336,6
        72,9    66,9    337,3
        89,0    84,0    343,0
        100,0    100,0    348,9
22    А – СС14    0,0    0,0    347,1
    В – С4Н8O2    0,5    0,8    347,0
    (этилацетат)    7,3    10,0    346,3
        15,9    20,2    345,8
        28,0    32,4    345,2
        35,2    38,9    344,9
        42,9    45,9    344,7
        51,3    52,8    344,6




№ варианта    
Система    Молярная доля А, %    
Т, К
        х – жидкая фаза    у - пар    
        57,2    57,7    344,6
        58,8    58,7    344,6
        61,3    61,0    344,6
        69,3    67,5    344,8
        79,2    76,5    345,1
        89,4    87,1    345,6
        100,0    100,0    346,4
23    А – С6Н5СН3    0,0    0,0    381,0
    В – изо-    6,6    13,1    378,2
    С4Н10О    11,4    21,8    376,6
        15,0    26,7    375,8
        21,1    33,4    374,9
        33,3    42,1    374 2
        35,5
44,1    44,2
48,0    374,1
373,8
        55,0    53,6    373,5
        58,8    54,4    373,6
        63,8    57,0    373,9
        68,2    59,8    374,4
        76,2    64,1    374,9
        80,3    67,4    375,5
        84,4    71,2    376,3
        87,0    73,6    376,8
        89,7    77,3    377,7
        96,5    87,0    380,2
        100,0    100,0    383,4
24    А – транс-    0,0    0,0    337 6
    С2Н2Сl2     0,7     5,1     336,4
    В – СН3ОН    2,1    13,8    339,9
        2,8    16,8    333,5
        5,8    30,4    329,5
        11,2    45,2    325,3
        13,4    48,5    324,1
        18,7    53,8    321,1
        24,6     59,3    319,0
        29,4    65,3    317,8
        34,3    .   68,0    317,3
        43,8    72,8    316,0
        73,7    .   76,0    315,0
        76,9    76,9    314,9
        88,6    79,0    315,3
        96,5    83,0    316,1
        98,7    90,6    317,8
        99,6    94,4    319,0
        100,0    100,0    321,3
25    А– цис-    0,0    0,0    337,6
    С2Н2Сl2     2,9
4,8    8,9
13,7    336,3
334,8



№ варианта    
Система    Молярная доля А, %    
Т, К
        х – жидкая фаза    у - пар    
    В – СН3ОН    7,0    18,7    333,6
        13,6    33,1    331,0
        16,9    37,1    329,9
        19,6    39,1    329,0
        25,9    45,4    327,5
        31,4    50,4    326,7
        36,5    53,9    326,1
        40,0    55,9    325,6
        42,6    57,6    325,4
        51,3    60,9    325,0
        57,1    63,4    324,8
        65,1    65,1    324,5
        70,5    65,5    324,8
        85,0    70,8    325,3
        91,6    74,0    325,9
        98,6    84,0    328,4
        99,6    87,3    329,3
        99,8    93,9    330,8
        100,0    100,0    333,3


Таблица 3.4 – Индивидуальные задания
№ варианта    а    Т3    № варианта    а    Т3
1    55    388    14    55    334,5
2    60    394    15    55    336
3    65    383    16    80    365
4    50    372    17    65    325
5    50    368    18    75    350,5
6    35    365    19    65    390,25
7    25    367    20    25    330,5
8    25    317    21    25    343
9    25    333    22    25    345,4
10    80    331    23    80    377
11    10    335    24    25    320
12    75    345    25    25    339
13    60    329,25            







Задание №4
Химическое равновесие
Для химической реакции (1.1) выражение константы равновесия через:
•    парциальные давления участников реакции:
                                               ,
•    мольные концентрации:
                                               ,                                       (4.1)
•    мольные доли:
                                               .
Величины Kp, Kc и KN для одной и той же реакции взаимосвяза-ны:
                      и   ,                    (4.2)
где Δn – изменение числа молей вещества в системе [см. уравнения (1.5) и (1.6)]; Р0 – общее давление в системе. При решении задач сле-дует учитывать, что при подсчете ∆n по уравнению (1.6) стехиометри-ческие коэффициенты веществ в конденсированной фазе приравни-ваются к нулю, т.е. не учитываются.
Степень превращения вещества в реакции есть отношение чис-ла молей вещества, вступившего в реакцию, к исходному числу молей этого вещества:
                                      .                                    (4.3)
Направление реакций определяют по величине энергии Гиббса, которую вычисляют по уравнению изотермы химической реакции:
                        ,                          (4.4)
где давления р есть любые по величине давления участников реакции, выраженные в атмосферах.
Реакция течет слева направо при ΔG < 0, справа налево при ΔG > 0  и находится в равновесии при ΔG = 0.

Задача:
В закрытом сосуде емкостью V = 0,05 м3 находятся 1 моль веще-ства А и 12 моль вещества В. В результате химической реакции
                                       А + 4В ↔ D
установилось равновесие. При этом общее давление P0 в системе со-ставило 4,51×105 Па. Вычислить равновесные концентрации всех реа-гентов, величину константы равновесия при 298 К и степени превра-щения веществ А и В.
В какую сторону будет протекать реакция при парциальных дав-лениях А, В и С: 3×104 Па, 3,5×104 Па и 5×104 Па соответственно.

Решение:
1) Выразим количества реагентов по мере протекания реакции. При этом принимаем, что к равновесию образовалось х молей вещест-ва D:

Вещество:    А    В    D
До начала реакции, моль:    1     12     0
В равновесии, моль:     А = (1 – х)
B = (12 – 4х)
D = х


2) Общее число молей в системе при равновесии:
     общ =  А +  B +  D = 1 – х + 12 – 4х + х = 13 – 4х.             (2.3)
3) По уравнению Менделеева – Клапейрона:
                     , откуда  .                       (2.4)
4) Решаем совместно уравнения (2.3) и (2.4):
     моль, откуда:
                         моль.
5) Равновесные концентрации участников реакции:
                    моль/м3;
               моль/м3;
                        моль/м3.
6) Константа равновесия реакции по уравнению (4.1):
             м12/моль4.
7) Степени превращения исходных веществ по уравнению (4.2):
                        ;
                    .

Таблица 4.1 – Индивидуальные задания
№ варианта    Уравнение реакции
1    А + 4В = 1/2С
2    1/2А + 3В = С
3    А + 4В = 2С
4    2А + 4В = ЗС
5    2А + 5В = 2С
6    2А + 3В = С
7    А + 6В = 2С
8    3А + 6В = ЗС
9    1/2А + 5В = 3С
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
    2А + 5В = ЗС
2A + 8B = 3C
2A + 3B = 2C
3A + 1/2B = C
3A + 1/2B = C
1/2A + 5B = 2C
3A + 3B = 3C
5A + 5B = 3C
A +2B = 1/2C
2A +2B = C
2A + B = 1/2C
2A +3B = C
2A +6B = 2C
3A +3B = C
1/2A + 4B = 1/2C
3A +7B = 4C


Задание №5
Термодинамика электрохимических систем
Для термодинамически обратимой электрохимической реакции в изобарно-изотермических условиях изменение энергии Гиббса равно максимальной полезной работе
                                          ,                                        (5.1)
где Е – электродвижущая сила (ЭДС) электрохимической системы, т.е. разность потенциалов окислительно-восстановительных пар сис-темы  ; n – число электронов, участвующих в реакции.
Для электрохимической реакции
                                            bB + eE ↔ qQ + rR                                   (5.2)                                
уравнение изотермы реакции
                                  ,                       (5.3)
где Ка – термодинамическая константа равновесия реакции,   – ак-тивности участников реакции. Комбинируя уравнения (5.3) и (5.1), получаем
                                    .                              
В этом уравнении оба слагаемые в правой части уравнения имеют смысл ЭДС. Первое слагаемое называется стандартной ЭДС
                                           .                                  (5.4)
Она численно равна ЭДС системы при стандартных условиях, т.е. при температуре 298, 15 К, давлении 1 атм и единичных молярных кон-центрациях участников реакции. Стандартная ЭДС является разно-стью стандартных потенциалов окислительно-восстановительных пар системы
                                                   .                                      (5.5)
Любая ЭДС, в том числе и стандартная, всегда положительна, поэтому  .
Окончательно ЭДС системы определяется уравнением
                                     .                                  (5.6)
Комбинируя уравнения (5.4) и (5.5), можно получить выражение для расчета константы равновесия реакции
          или      .       (5.7)
Реакция (5.2) обязательно окислительно-восстановительная, по-этому ее можно переписать
                            Ox1 + Red2 ↔ Red1 + Ox2,
где Ox и Red – окисленная и восстановленная формы обоих участни-ков реакции. Тогда, с учетом уравнения (5.5), уравнение (5.6) можно переписать
                         (5.8)
или
             ,     (5.9)
где индексом 1 обозначена окислительно-восстановительная пара с бóльшим потенциалом, чем у пары 2.
Из уравнения (5.9) величина потенциала окислительно-восстановительной пары Ox/Red
                            .
Это выражение называют формулой Нернста.
Потенциал окислительно-восстановительной пары в электрохи-мическом элементе реализуется на электродах. Окислительно-восстановительный электрод представляет собой инертный металл (не участвующий в электродной реакции), чаще всего платину, помещен-ную в электролит, в котором находятся окисленная и восстановленная формы вещества. На платине происходит обмен электронами между этими формами вещества для установления термодинамического рав-новесия на электроде.
Такой окислительно-восстановительный электрод записывается как
                                         Pt | Ox, Red.
Тогда электрохимическая система, состоящая из двух электродов, за-писывается как
                                      Pt | Ox, Red || Red, Ox | Pt.
Здесь знак || обозначает границу раздела между электролитами обоих электродов.
Величины стандартных электродных потенциалов   и реакции, происходящие на электродах, приведены в многочисленных справочниках, а также в таблице 5.1. Все электродные реакции в таб-лицах записаны как реакции восстановления. Однако в электрохими-ческой системе на одном электроде идет реакция восстановления, а на другом – обязательно реакция окисления. Причем реакция восстанов-ления идет на электроде с более положительным стандартным потен-циалом, а на другом электроде – реакция окисления.
При решении задач необходимо учитывать, что активности ве-ществ в твердой фазе, участвующих в электрохимических реакциях, приравниваются к единице.
Если в электрохимической реакции принимают участие Н+ или  , то при решении задач принять рН раствора равным единице. Температура 293 К.



Задача:
Для окислительно-восстановительного элемента типа
Pt| A,B||C,D|Pt
написать уравнение электрохимической реакции в элементе, вычис-лить ЭДС элемента при указанных активностях ai (моль/л) участников реакции и константу равновесия реакции при Т = 293 К.
А – V3+, B – V2+, C – , D – MnO2; aA = 0,02; aB = 0,1; aC = 0,08; aD = 0,001; рН = 1.

Таблица 5.1 – Стандартные потенциалы электрохимических ре-акций
№
п/п    Электрод
Pt | Ox, Red
    Электрохимическая реакция
на электроде    φ0, В
1    Pt | U4+, U3+    U4+ + e ↔ U3+    –0,607
2    Pt | Cr3+, Cr2+    Cr3+ + e ↔ Cr2+    –0,408
3    Pt | V3+, V2+    V3+ + e ↔ V2+    –0,225
4    Pt |  ,
+ e ↔  
+0,05
5    Pt | Sn4+, Sn2+    Sn4+ + 2e ↔ V2+    +0,15
6    Pt | Cu2+, Cu+    Cu2+ + e ↔ Cu+    +0,153
7    Pt |  , , H+
+ 4 H+ +2e ↔  
+0,33
8    Pt| ,
+e ↔
+0,36
9    Pt |  ,
+ 2e ↔
+0,536
10    Pt | , ,
+ H2O +2e ↔  +2
+0,66
11    Pt | , ,
+H2O +2e ↔  + 2
+0,89
12    Pt | , ,H+
+2 H+ +2e ↔  +H2O
+1,19
13    Pt | Tl3+, Tl+    Tl3++ 2e  ↔ Tl+    +1,25
14    Pt |  , Cr3+, H+
+14 H+ +6e ↔ Cr3+ + 7H2O     +1,33
15    Pt | , Mn2+, H+
+ 8 H+ + 5e ↔Mn2+ + 4H2O     +1,51
16    Pt | Ce4+, Ce3+    Ce4+ + e ↔ Ce3+    +1,61
17    Pt | , MnO2, H+
+ 4 H+ + 3e ↔MnO2 + 2H2O    +1,695
18    Pt | Co3+, Co2+    Co3+ + e ↔ Co2+    +1,81
19    Pt | ,
+ 2e ↔ 2
+2,01

Решение:
1) Рассматриваемая электрохимическая система:
                    Pt | V3+, V2+ ||  , MnO2, H+ | Pt.
2) Электродные реакции и стандартные электродные потенциа-лы (см. таблицу 5.1):
           V3+ + e ↔ V2+;                                     φ0 =  –0,225 В;    (5.10)
            + 4H+ + 3e ↔MnO2 + 2H2O;   φ0 = +1,695 В.     (5.11)
3) Справа налево (окисление) идет электродная реакция (5.11), т.к. ее потенциал более положительный:
                      MnO2 + 2H2O →  + 4H+ + 3e
а слева направо течет электродная реакция (5.10):
                                        V3+ + e → V2+.
4) Электроны не могут накапливаться ни в каком месте электро-химической системы, поэтому обе реакции следует уравнять по их ко-личеству:
                       MnO2 + 2H2O →  + 4H+ + 3e
                                    3V3+ + 3e → 3V2+,
Тогда суммарная реакция в электрохимической системе:
              MnO2 + 2H2O + 3V3+ →  + 4H+ + 3V2+.          
5) Согласно уравнению (5.8), с учетом того, марганцевому элек-троду соответствует индекс 1, а ванадиевому – индекс 2 (т.к. у перво-го потенциал более положительный), ЭДС системы:
.  (5.12)
Здесь следует под знак логарифма включать активности H2O, H+ и  , если они участвуют в реакции.
Вычисляем молярную концентрацию H+. По условию
                                      рН =  ,
тогда
                                  моль/л = 0,1 моль/л.
Принимаем, что активность протонов равна их концентрации
                                        = 0,1 моль/л.
По условию задачи активности всех участников реакции малы, поэтому можно принять, что электролит состоит практически из воды. Рассчитаем молярную концентрацию  воды в воде. Количество вещества воды
                     = 55,5 моль,
где М – масса воды в литре воды, μ – молекулярная масса воды. Тогда
                               =55,5 моль/л,
где V – объем килограмма воды.
Подставляем численные значения величин в формулу (5.12) с учетом того, что  = 1 (т.к. MnO2 является твердым веществом) и получаем величину ЭДС электрохимической системы:
         1,762 В.
6) По формуле (5.7) вычисляем величину константы равновесия реакции:
1,39×1099.

Таблица 5.2 – Индивидуальные задания
№ вари-анта    A    B    C    D    aA    aB    aC    aD
1    U4+    U3+    

0,01    0,02    0,01    0,01
2    Cr3+     Cr2+    

0,005    0,015    0,001    0,03
3    V3+     V2+    

0,009    0,014    0,001    0,07
4    Sn4+     Sn2+    

0,02    0,01    0,08    0,15
5    Cu2+     Cu+    

0,018    0,005    0,1    0,15
6    



0,005    0,15    0,1    0,001
7    Tl3+     Tl+    
Cr3+    0,06    0,06    0,04    0,005
8    Ce4+,     Ce3+    
MnO2    0,006    0,1    0,08    0,002
9    Co3+     Co2+    

0,04    0,009    0,06    0,001
10    U4+    U3+    

0,1    0,006    0,01    0,007
11    Cr3+     Cr2+     ,
MnO2    0,007    0,0`16    0,02    0,05


№ вари-анта    A    B    C    D    aA    aB    aC    aD
12    V3+     V2+      
Mn2+    0,14    0,009    0,002    0,08
13    Sn4+     Sn2+    

0,08    0,04    0,02    0,007
14    Cu2+     Cu+    

0,15    0,005    0,005    0,01
15    



0,016    0,007    0,001    0,1
16    Tl3+     Tl+    

0,06    0,008    0,04    0,003
17    Ce4+     Ce3+    

0,08    0,06    0,007    0,005
18    Co3+     Co2+    
Cr3+    0,1    0,05    0,02    0,01
19    Cu2+     Cu+     ,
MnO2    0,08    0,007    0,02    0,005
20    Cr3+     Cr2+    

0,01    0,02    0,01    0,04
21    



0,009    0,04    0,02    0,02
22    Tl3+     Tl+    

0,012    0,1    0,01    0,1
23    Sn4+     Sn2+    

0,04    0,08    0,06    0,003
24    Tl3+     Tl+    
MnO2    0,02    0,01    0,08    0,001
25    V3+     V2+    

0,1    0,05    0,02    0,01


Задание №6
Зависимость скорости реакции от температуры
Скорость химической реакции есть количество вещества n, про-реагировавшего за единицу времени τ в единице объема V:
                       .
Таким образом, для гомогенной реакции скорость реакции есть изме-нение молярной концентрации исходных веществ в единицу времени.
Зависимость скорости реакции от концентрации исходных ве-ществ (кинетическое уравнение в дифференциальной форме), напри-мер, для реакции
                         аА + bВ → продукты реакции
выражается законом действующих масс:
                                    ,
где k – константа скорости, численно равная скорости реакции при единичных концентрациях исходных веществ.
Зависимость скорости реакции от температуры приближенно выра¬жается правилом Вант-Гоффа:
                                         ,                                     (6.1)
где  и  – константы скорости при температурах Т1 и Т2, γ –  тем-пературный коэффициент скорости реакции (коэффициент Вант-Гоффа).
Зависимость скорости реакции от температуры выражается так-же урав¬нением Аррениуса, которое в дифференциальной форме имеет вид
                                         ,
где Е* – энергия активации реакции, т.е. энергия, необходимая для то-го, чтобы вступил в реакцию моль вещества. В интегральной форме это уравнение:
                                          ,                               (6.2)
                                           ,
                                             ,                               (6.3)
где k0 – постоянная (предэкспоненциальный множитель).

Задача:
По значениям констант скоростей реакции при двух температу-рах определить энергию активации, константу скорости при  темпера-туре Т3 и температурный коэффициент скотости.
Т1 = 302 К; Т2 = 333 К; Т3= 325 К;
k1 = 0,925 мин-1×моль-1×л; k2 = 40,0 мин-1×моль-1×л.

Решение:
1) По формуле (6.2) энергия активации
        
                  Дж/моль = 101,7 кДж/моль.
2) По формуле (6.3):
    мин-1×моль-1×л.
3) Константа скорости при Т3:
    мин-1×моль-1×л.

Таблица 6.1 – Индивидуальные задания

№ вари-анта    
Реакция    
Т1, К    k1,
мин-1×
моль-1×л    
Т2, К    k2,
мин-1×
моль-1×л    
Т3, К
1    Н2 + Вr2 → 2НВr    574,5    0,0856    497,2    0,00036    483,2
2    Н2 + Вr2 → 2НВr    550,7    0,0159    524,6    0,0026    568,2
3    Н2 + I2 → 2НI    599,0    0,00146    672,0    0,0568    648,2
4    Н2 + I2 → 2НI    683,0    0,0659    716,0    0,375    693,2
5    2НI → Н2 + I2    456,2    0,942×10-6    700,0    0,00310    923,2
6    2НI → Н2 + I2    628,4    0,809×10-4    780,4    0,1059    976,2
7    2NO → N2 + O2    1525,2    47059    1251,4    1073    1423,2
8    2N2O → 2N2 + О2    986,0    6,72    1165,0    977,0    1053,2
9    N2O5 → N2O4 + ½ О2    298,2    0,00203    288,2    0,475×10-3    338,2
10    PH3 → P(г) + 1½H2    953,2    0,0183    918,2    0,0038    988,2
11    SO2Cl2 → SO2 + Cl2    552,2    0,609×10-4    593,2    0,132×10-2    688,2
12    КС1О2 + 6FeSO4 + 3H2SO4 → KCl + 3Fe2(SO4)3 + 3H2O    283,2    1,00    305,2    7,15    383,2
13    CO + H2O → CO2 +H2    288,2    0,00031    313,2    0,00815    303,2
14    COCl2 → CO + Cl2    655,0    0,53×10-2    745,0    67,6×10-2    698,2
15    C2H5ONa + СН3I→С2Н5ОСН3 + NaI    273,3    0,0336    303,2    2,125    288,2
16    СН2ОНСН2С1 + КОН → СН2ОНСН2ОН + КС1    297,7    0,68    316,8    5,23    303,2
17    СН3С1СООН+Н2О → СН2ОНСООН + НС1    353,2    0,222×10-4    403,2    0,00237    423,2
18    СН3СО2С2Н5 + NaOH → CH3CO2Na + C2H5OH    282,6    2,307    318,1    21,65    343,2
19    СН3СО2СН3 + Н2О → СН3СО2Н + СН3ОН    298,2    0,653-10-3    308,2    1,663×10-3    313,2
    (в водном растворе ка-тализатора 01 н. НС1)                    
20    СН3СО2СН3 + Н2О → СН3СО2Н + СН3ОН    298,2    16,09×10-3    308,2    37,84×10-3    323,2
    (в водном растворе ка-тализатора 01 н. НС1)                    



№ ва-ри-анта    
Реакция    
Т1, К    k1,
мин-1×
моль-1×л    
Т2, К    k2,
мин-1×
моль-1×л    
Т3, К
21    СН3СО2С2Н5 + Н2О → СН3СО2Н + С2Н5ОН    273,2    2,056×10-5    313,2    109,4×10-5    298,2
    (в водном растворе ка-тализатора 01 н. НС1)                    
22    2СН2О + NaOH → HCO2Na + CH3OH    323,2    5,5×10-3    358,2    294,0×10-3    338,2
23    (CH3)2SO4 + NaI → CH3I + Na(CH3)SO4    273,2    0,029    298,2    1,04    285,8
24    C6H5CH2Br + C2H5OH → C6H5CH2OC2H5 + HBr    298,2    1,44    338,2    2,01    318,2
25    C12H22O11 + Н2О → С6Н12О6 + С6Н12О6    298,2    0,765    328,2    35,5    313,2