Электронный экзаменатор

Верхов нахватаетесь и думаете, что можете быть студентами; нет, господа, надо основательно изучать предмет.

. Юность

Электронный экзаменатор

Э П О Х А

Зимняя сессия

Примеры решения экзаменационных заданий

:

Составители

,

М И С и С

Задание 1

Вопрос 1

К раствору, содержащему одну из солей — K2SO4, Al2(SO4)3, (CH3COO)2Fe, K2SO3, добавили индикатор метиловый оранжевый. В результате раствор стал красным. Какая соль была взята?

Решение. Используя табличные данные, определяем, что индикатор метиловый оранжевый имеет красную окраску при рН < 3,1, т. е. в кислотной среде. Рассмотрим природу перечисленных солей.

1. Сульфат калия K2SO4 представляет собой соль сильного основания и сильной кислоты, следовательно, гидролизу не подвергается. Растворы этой соли имеют нейтральную среду (рН = 7).

2. Сульфат алюминия Al2(SO4)3 относится к солям, образованным слабым основанием и сильной кислотой, поэтому за счёт частичного гидролиза реакция среды раствора этой соли будет кислотной (рН < 7).

3. Ацетат железа (II) (СH3COO)2Fe — соль слабого основания и слабой кислоты, заметно гидролизована, но реакция среды в её растворе близка к нейтральной (рН ~ 7).

4. Сульфит калия K2SO3 является солью сильного основания и слабой кислоты, вследствие чего из-за гидролиза раствор данной соли имеет щелочную реакцию (рН > 7).

Итак, наблюдения указывают, что был взят сульфат алюминия Al2(SO4)3.

Вопрос 2

Составьте схему, иллюстрирующую распределение электронов на предпоследнем подуровне атома марганца. Укажите значения квантовых чисел для третьего по счету электрона этого подуровня.

Решение. Электронное строение атома Mn можно описать электронной формулой [Ar]3d54s2. Предпоследний подуровень в этом атоме 3d, на котором 5 электронов располагаются в соответствии с правилом Хунда:

↑

↑

↑

↑

↑

Рассмотрим, каковы значения квантовых чисел для третьего по счёту электрона этого подуровня.

1. Главное квантовое число n, судя по номеру электронного уровня, равно трём.

2. Орбитальное квантовое число l для электронов d-подуровня всегда равно двум.

3. Магнитное квантовое число m , пробегая для орбиталей данного подуровня все целочисленные значения от –2 до +2, здесь равно нулю.

4. Наконец, спиновое квантовое число для первого электрона любой орбитали принимается равным ½ .

Вопрос 3

Выберите верный ответ, отвечающий взаимосвязи дипольного момента химической связи µ и разности значений электроотрицательности ΔЭО образующих её атомов:

— с ростом ΔЭО μ падает;

— с ростом ΔЭО μ остается постоянным;

— с ростом ΔЭО μ растет;

— эти величины не связаны между собой.

Решение. Чем больше атомы, образующие химическую связь, различаются по электроотрицательности ЭО, тем сильнее общие электроны оттянуты к одному из атомов, тем полярнее связь. Если вспомнить, что мерой полярности связи является дипольный момент μ, становится ясным — зависимости последнего от ΔЭО отвечает третий вариант.

Вопрос 4

Через щелочной раствор иодида калия пропустили хлор. Составьте уравнение протекающей реакции.

Решение. В этой реакции в роли окислителя выступает активнейший неметалл хлор, а восстановителя — иодид калия, где атом I–I имеет очевидную возможность повысить свою степень окисления до +V. В результате Cl0 переходит в свою низшую степень окисления –I в форме хлорида калия KCl, а иодид калия KI окисляется до иодата калия KIO3. Уравнения полуреакций для этого процесса, протекающего в щелочной среде, выглядят следующим образом:

Cl2 + 2ē = 2Cl–.

I– + 6OH– – 6ē = IO3– + 3H2O.

Умножая уравнение первой полуреакции на 3 и складывая их, получим ионное, а затем и молекулярное уравнения данной окислительно-восстановительной реакции.

3Cl2 + I– + 6OH– = 6Cl– + IO3– + 3H2O.

3Cl2 + KI + 6KOH = 6KCl + KIO3 + 3H2O.

Вопрос 5

Предприятие сбросило стоки, содержащие 56 мг/л КОН, в близлежащий водоем. В результате вся рыба в водоеме погибла. Чему равно значение рН сточных вод?

Решение. Определим молярную концентрацию С гидроксида калия. С учётом того, что М (КОН) = 39 + 16 + 1 = 56 г/моль, С равно 56 · 10–3 / 56 = 10–3 моль/л. Для раствора сильного электролита, каковым является калиевая щёлочь, при столь низкой концентрации степень электролитической диссоциации близка к 1, и концентрация гидроксид-ионов совпадает с С. Концентрацию ионов Н+ находим, обращаясь к ионному произведению воды :

[H+] = Kв / [OH–] = 10–14 / 10–3 = 10–11 моль/л.

Искомое значение рН сточных вод составляет

pH = – lg [H+] = – lg 10–11 = 11.

Вопрос 6

После прокаливания образца карбоната кальция при 1000оС масса остатка составила 16 г. Определите объем выделившегося газа при данной температуре и атмосферном давлении.

Решение. Эта реакция протекает по уравнению

t

СаСО3 = СаО + СО2↑.

Для нормальных условий объём углекислого газа в расчёте на 1 моль оксида кальция (М (СаО) = 40 + 16 = 56 г/моль) составляет 22,4 л. Чтобы найти объём выделившегося в условиях эксперимента газа при н. у., обратимся к пропорции:

56 г — 22,4 л

16 г — V0

——————

V0 = 16 · 22,4 / 56 = 6,4 л.

Искомое значение объёма СО2 при данной температуре и атмосферном давлении находим, используя известное уравнение PV / T = P0V0 / T0 с учётом того, что по условию Р = Р0 :

V0T 6,4 · (273 + 1000)

V = —— = ——————— = 30 л .

T0 273

Вопрос 7

В результате заболевания студента его температура поднялась до 38,6 оС. Приняв удельную теплоемкость и массу больного соответственно равными 3,5 кДж·кг-1·К-1 и 60 кг, определите массу образца Cu, взаимодействие которого с О2 сопровождается выделением такого же количества теплоты.

Решение. Количество теплоты Q, выделившееся при заболевании этого бедняги, исходя из условия задачи, определяем по формуле

Q = cmΔT = 3,5 · 60 · (38,6 – 36,6) = 420 кДж.

Табличное значение стандартной энтальпии образования CuO составляет ΔНºf = –156 кДж/моль. Это значит, что при взаимодействии одного моля меди (М = 63,5 г/моль) с кислородом в условиях, близких к стандартным, выделяется указанное количество теплоты. Искомую массу образца Cu находим из пропорции:

63,5 г — 156 кДж

x — 420 кДж

————————

x = 63,5 · 420 / 156 = 0,17 кг.

Вопрос 8

Определите чему равна масса хлорида натрия, который растворили в 1,5 л воды, если полученный раствор (α =72%) затвердевает при –1,53 оС.

Решение. Растворённое вещество относится к бинарным электролитам; значение изотонического коэффициента Вант-Гоффа i для него составляет

i = α(n – 1) + 1 = 0,72(2 – 1) + 1 = 1,72.

Для определения моляльной концентрации раствора Cm воспользуемся вытекающим из закона Рауля соотношением ΔТз = i КкрCm. Понижение температуры затвердевания раствора здесь составляет ΔТз = 0 – (–1,53) = 1,53 К, значение криоскопической константы воды равно 1,86.

ΔТз 1,53

Cm = —— = ———— = 0,48 моль/1000 г H2O.

i Ккр 1,72 · 1,86

С учётом величины молярной массы NaCl, равной 23 + 35,5 = 58,5 г/моль, масса соли, приходящаяся на 1000 г H2O, составляет 58,5 · 0,48 = 28 г. На 1,5 л воды (её масса 1500 г) будет приходиться хлорида натрия в полтора раза больше, т. е. 28 · 1,5 = 42 г.

Задание 2

Вопрос 1

Укажите, для какого из перечисленных веществ стандартная энтальпия образования не равна нулю.

F2(г), Fe(т), He(г), Hg(т), I2(т)

Решение. Стандартная энтальпия образования простых веществ равна нулю, если они при стандартных условиях (давление 101,3 кПа и температура 298 К) находятся в своих устойчивых формах. Из данных простых веществ это не относится к ртути, которая, как известно, является единственным жидким при обычных условиях металлом. Следовательно, искомое вещество Hg(т) .

Вопрос 2

При взаимодействии азотной кислоты с сульфидом меди (II) образовались нитрат меди (II), оксид азота (II), сера и вода. Составьте уравнение реакции и укажите в ответе коэффициент перед формулой вещества, которое восстанавливается.

Решение. Используем для составления уравнения этой реакции метод полуреакций. Запишем уравнение полуреакции окисления, приняв во внимание, что сульфид меди (II) нерастворим в воде:

CuS – 2ē = Cu2+ + S↓.

В роли окислителя, т. е. вещества, которое восстанавливается, принимая электроны, здесь выступает азотная кислота HNO3. Запишем для неё уравнение полуреакции:

NO3– + 4H+ + 3ē = NO↑ + 2H2O.

Умножим эти уравнения на 3 и 2, соответственно. После их суммирования приходим к следующему ионному, а затем и молекулярному уравнению:

3CuS + 2NO3– + 8H+ = 3Cu2+ + 2NO↑ + 3S↓ + 4H2O.

3CuS + 8НNO3 = 3Cu(NO3)2 + 2NO↑ + 3S↓ + 4H2O.

Коэффициент перед НNO3 здесь равен восьми.

Вопрос 3

Определите, какое из данных веществ — Ba(OH)2, Be(OH)2, Cu(OH)2, Fe(OH)2 — относится к сильным электролитам.

Решение. Из многочисленных металлов Периодической системы только щелочные (Li, Na, K и др.), а также щелочноземельные (Ca, Sr, Ba) металлы образуют гидроксиды, которые относятся к сильным электролитам, т. е. веществам, в водном растворе практически целиком распадающимся на ионы. Здесь таким гидроксидом является Ва(ОН)2.

Вопрос 4

Вставьте слова «падает» или «растёт» в данные утверждения.

В Периодической системе:

—  от серы к теллуру атомный радиус … ;

—  от хлора к иоду энергия ионизации … ;

—  от бериллия к кислороду электроотрицательность … .

Решение. В Периодической системе атомный радиус элементов в периодах уменьшается, а в подгруппах (прежде всего, в главных) увеличивается. Наоборот, энергия ионизации и электроотрицательность в периодах имеют тенденцию к росту, а в подгруппах — к снижению. Следовательно, в VIA подгруппе, где расположены сера, селен и теллур, их атомный радиус растёт, в VIIA подгруппе от хлора к брому и иоду энергия ионизации падает, а электроотрицательность во 2-м периоде от бериллия к кислороду растёт.

Вопрос 5

При 294 кПа и 57 ºС образец некоторого газообразного неметалла с массой 150 г занимает объём 50 л. Что это за неметалл?

Решение. Для определения молярной массы М неизвестного газа воспользуемся уравнением Клапейрона—Менделеева PV = (m/M)RT , где Р — давление, Па; V — объём, м3; Т — температура, К; R = 8,31 Дж/(К·моль) — универсальная газовая постоянная.

mRT 150 г · 8,31 Дж/(К·моль) · (273 + 57) К

M = —— = ———————————————— = 28 г/моль.

PV 294 · 103 Па · 50 · 10–3 м3

Искомый неметалл — азот.

Вопрос 6

В результате обработки соляной кислотой 1,33 г сплава алюминия с медью выделилось 83 мл газа (н. у.). Каково содержание меди в сплаве?

Решение. Из компонентов сплава способен вытеснять водород из соляной кислоты только Al, так как Cu в ряду напряжений металлов стоит после водорода. В соответствии с законом эквивалентов 1 г-экв алюминия, масса которого равна 27 / 3 = 9 г, вытесняет 1 г-экв водорода, занимающий при н. у. объём 11,2 л. Далее составляем следующую пропорцию:

9 г Al вытесняет 11200 мл водорода

x г Al вытесняет 83 мл водорода

——————————–—————

x = 9 · 83 / 11200 = 0,067 г.

Таким образом, на медь в образце сплава приходится 1,33 – 0,067 = 1,263 г, а её содержание в сплаве составляет 1,263 / 1,33 = 95%.

Вопрос 7

Реактор заполнили газообразным селеноводородом H2Se (давление и температура в системе 101,3 кПа и 308 ºС). Через 7 сек количество этого вещества уменьшилось в 3 раза. Чему равна скорость реакции разложения H2Se (ммоль·л–1·с–1) ?

Решение. В соответствии с известным уравнением PV = nRT начальная концентрация H2Se, равная числу его молей n в единице объёма, может быть определена из соотношения C1 = n/V = P/RT. Подставляя исходные значения параметров эксперимента в указанную формулу, получим

101,3 · 103 Па

C1 = —————————————— = 21 моль/м3.

8,31 Дж/(К·моль) · (273 + 308) К

Учитывая, что в 1 моле 103 миллимоля, а 1 м3 равен 103 л, C1 = 21 ммоль/л. По прошествии 7 сек концентрация H2Se упадёт до C2 = 21 / 3 = 7 ммоль/л. Итак, в наших условиях скорость реакции разложения селеноводорода составит

ΔC C2 – C1 7 – 21

v = – —— = – ——— = – ——— = 2 ммоль·л–1·с–1.

Δτ τ2 – τ1 7

Вопрос 8

Определите, чему равно значение длины волны де Бройля для атома лития, движущегося со скоростью 2,8 км/с. Величину постоянной Планка примите равной 6,6 · 10–34 кг·м2/с.

Решение. Для нахождения искомой величины, характеризующей волновые свойства микрочастиц, воспользуемся уравнением де Бройля λ = h/mv, где h — постоянная Планка, m — масса частицы, движущейся со скоростью v. Массу атома Li можно выразить как частное от деления его молярной массы на число Авогадро. Проведём вычисления:

6,6 · 10–34 кг·м2 ·с–1 · 6 · 1023 моль–1

λ = ———————–——————— = 2 · 10–11 м.

6,9 · 10–3 кг·моль–1 · 2,8 · 103 м·с–1

Задание 3

Вопрос 1

В каком из данных галогенидов щелочных металлов — CsF, KBr, LiI, NaCl — степень ионности связи максимальна?

Решение. Ионную химическую связь могут образовать атомы элементов, сильно отличающихся по электроотрицательности — например, щелочные или щелочноземельные металлы и галогены. Степень ионности связи зависит от активности металла и неметалла. В главных подгруппах Периодической системы с увеличением порядкового номера элемента металлические свойства элементов возрастают, а неметаллические — убывают.

Из числа представленных металлов самым активным и наименее электроотрицательным является цезий. Напротив, фтор — наиболее активный неметалл, обладающий самой высокой электроотрицательностью. Итак, степень ионности связи будет максимальной во фториде цезия CsF.

Вопрос 2

Определите, куда сместится равновесие в системе

С(т) + Н2О(г) & СО(г) + Н2О(г), ΔН > 0

при повышении: а) температуры; б) давления.

Решение. В соответствии с принципом Ле Шателье в равновесной системе нагревание приводит к преимущественному протеканию процесса, сопровождающегося поглощением теплоты (ΔН > 0). Следовательно, повышение температуры будет благоприятствовать протеканию в нашей системе прямой реакции, т. е. равновесие сместится вправо.

Рассуждая аналогичным образом, с учётом того, что обратная реакция сопровождается падением давления из-за уменьшения числа молей газов в системе, приходим к выводу, что повышение давления обеспечит преимущественное протекание обратной реакции. Иными словами, равновесие сместится влево.

Вопрос 3

Подберите коэффициенты к уравнению реакции

KMnO4 + H2O2 + H2SO4 → MnSO4 + O2 + K2SO4 + H2O.

Решение. В этой реакции окислителем является перманганат калия, в состав которого входит Mn в своей высшей степени окисления VII, а восстановителем — пероксид водорода, где О–I способен повысить свою степень окисления до нулевой. Используем метод полуреакций:

2 5

MnO4– + 8H+ + 5ē = Mn2+ + 4H2O

H2O2 – 2ē = O2 + 2H+

—————————–—————————————

2MnO4– + 16H+ + 5H2O2 = 2Mn2+ + 8H2O + 5O2 + 10H+

После преобразований получим:

2MnO4– + 6H+ + 5H2O2 = 2Mn2+ + 8H2O + 5O2.

Окончательное уравнение реакции выглядит следующим образом:

2KMnO4 + 5H2O2 + 3H2SO4 = 2MnSO4 + 5O2 + K2SO4 + 8H2O.

Вопрос 4

Укажите, заполнение какого из этих подуровней электронами противоречит положениям квантовой механики.

		↑
↑↓	↑↓	↑
	↑	↑	↑
↑↓	↑↓	↑↓	↑↓	↓	↑	↑

Решение. В соответствии с правилом, сформулированным немецким физиком Хундом, в пределах одного подуровня число электронов с параллельными спинами должно быть максимальным. Этому правилу не удовлетворяет изображённый на схеме ниже других f-подуровень.

Вопрос 5

На основании приведённых термохимических уравнений определите, чему равна энтальпия перехода ΔН графита в алмаз:

С(графит) + О2(г) = СО2(г), ΔН 1 = –94 ккал

С(алмаз) + О2(г) = СО2(г), ΔН 2 = –94,5 ккал.

Решение. Известно, что с термохимическими уравнениями можно производить обычные алгебраические действия. Вычтем из первого уравнения второе и перенесём все члены со знаком «минус» в правую часть:

С(графит) = С(алмаз), ΔН = ΔН 1 – ΔН 2.

Энтальпия перехода графита в алмаз равна

ΔН = –94 –(–94,5) = 0,5 ккал/моль.

Вопрос 6

Найдите, чему равна нормальность раствора едкого кали, на нейтрализацию 80 мл которого израсходовано 70 мл 0,4 М раствора серной кислоты.

Решение. Воспользуемся известным соотношением, вытекающим из закона эквивалентов:

Nк · Vк = Nщ · Vщ,

где Nк и Vк — нормальность и объём раствора кислоты, Nщ и Vщ — нормальность и объём раствора щёлочи.

Поскольку серная кислота относится к двухосновным, её нормальная концентрация в 2 раза больше, чем молярная, т. е. Nк = 0,8 г-экв/л. Рассчитаем величину Nщ:

Nщ = Nк · Vк / Vщ = 0,8 г-экв/л · 70 мл / 80 мл = 0,7 г-экв/л.

Таким образом, был использован 0,7 н. раствор КОН.

Вопрос 7

Дано 160 г оксида серы (VI). Чему равна масса образца кислорода, содержащего такое же число атомов?

Решение. Прежде всего подсчитаем значения молярных масс оксида серы (VI) и кислорода:

М (SO3) = 32 + 3 · 16 = 80 г/моль и М (О2) = 2 · 16 = 32 г/моль.

Количество оксида серы (VI) составляет 160 / 80 = 2 моль, а число молекул SO3 в данном образце равно 2NA, где NA — число Авогадро. В каждой молекуле этого соединения 4 атома, следовательно, наш образец содержит 8NA атомов.

Столько же атомов в образце кислорода, молекулы которого двуатомны. Очевидно, последний содержит 4NA молекул; количество этого вещества составляет 4 моль, а масса образца равна 4 · 32 = 128 г.

Вопрос 8

Анализ образца минерала доломита (Ca, Mg)CO3 показал, что ионов кальция в нём в полтора раза больше, чем магния. Чему равно содержание кальция в этом образце (%)?

Решение. Если различные металлы входят в состав минерала в переменном соотношении, общепринято их символы заключать в круглые скобки. В нашем случае это относится к Са2+ и Mg2+ в доломите. Исходя из результатов анализа конкретного образца данного минерала, для описания состава образца можно предложить формулу Са3Mg2(CO3)5. Соответственно, его относительная молекулярная масса равна

Mr = 3 · 40 + 2 · 24 + 5 · 12 + 15 · 16 = 468.

Искомое содержание кальция в образце составляет (3 · 40) / 468 = 26%.