Органическая, физическая и коллоидная химия (стр. 9 )

3. Какой  объем  0,5 н.  раствора  NH4OH надо прибавить к 50 мл 0,2 н. раствора CuBr2, чтобы получить отрицательный золь?

4. Белок  с  рН(ИЭТ) = 8,2 поместили в раствор, в котором кон-центрация ионов водорода в 100 раз больше, чем в воде. Напишите схему заряда белка.

ПРИМЕРЫ РЕШЕНИЯ ТИПОВЫХ ЗАДАЧ

ПО ФИЗИЧЕСКОЙ И КОЛЛОИДНОЙ ХИМИИ

Задача 1. На основе табличных данных рассчитайте ДH°298,  ∆S°298 и ∆G°298 для реакции CH4 + CO2 = 2CO + 2H2(г).  Возможно ли ее самопроизвольное протекание в прямом направлении при стандартной температуре? Может ли  изменение температуры повлиять на направление протекания данного процесса? Если да, то при какой температуре направление протекания реакции изменится?

Решение. Запишем уравнение заданной реакции и из приложения 5 выпишем справочные данные:

  CH4  +  CO2  =  2CO  +  2H2(г)

ДH°298 кДж/моль  52,28  –393,51  –110,50  0

S°298 Дж/моль∙К  219,4  213,6  197,4  130,6

∆G°298 кДж/моль  68,12  –394,38  –137,27  0

Используя следствие из закона Гесса, можно рассчитать:

ДH°298реакции = ∑ n ДH°298конечных веществ  − ∑ n ДH°298исходных веществ,

ДH°298реакции  =  (ДH°298 (СО) ∙ 2 + ДH°298 (Н2) ∙ 2) − (ДH°298 (СН4) +

+ ДH°298(СО2)) = (–110,50 ∙ 2) + 0 ∙ 2 − (52,28) − (–393,51) =

= 120,23 кДж.

Так как ДH°298  реакции > 0, значит прямая реакция эндотермическая.

∆S°298реакции = (S°298(СО) ∙ 2 + S°298 (Н2) ∙ 2) − (S°298 (СН4)  +  + S°298 (СО2)) = 197,4 ∙ 2 + 130,6 ∙ 2 − 219,4 − 213,6 = 223,0 Дж/К.

∆G°298реакции = (∆G°298 (СО) ∙ 2 + ∆G°298 (Н2) ∙ 2) − (∆G°298 (СН4) + 

+ ∆G°298(СО2)) = (–137,27) ∙ 2 + 0 ∙ 2 – 68,12 – (–394,38) =

= 51,72 кДж.

Так как ∆G°298 > 0, реакция самопроизвольно не протекает в прямом направлении при стандартной температуре.

Анализируя соотношение энтальпийного и энтропийного факторов при стандартных условиях для данной реакции ДH°298 > 0 и ∆S°298 > 0, можно сказать, что реакция возможна только при изменении температуры:

∆G°298 =  ДH  −  Т ∙ ∆S, при равновесии ∆G°298 =  0;

ДH − Т ∙ ∆S = 0, следовательно, Т = ДH ∕ ∆S = 120,23 / 223 ∙ 10-3 =  = 539,15 К.

Таким образом, протекание реакции в прямом направлении возможно при температуре выше 539,15 К.

Задача 2. Водный раствор К2SO4 имеет массовую долю 12 % (0,12), плотность 1,14 г/мл и кажущуюся степень диссоциации – 85 % (0,85) при температуре 25 °С. Вычислите молярную концентрацию, моляльную концентрацию, температуру замерзания, температуру кипения и осмотическое давление раствора.

Решение. Возьмем 1 л раствора, его масса равна:

m = 1000 мл · 1,14 г/мл = 1140 г.

Масса растворенного вещества равна:

m = 1140 · 0,12 = 136,8 г.

Масса воды равна:

m = 1140 г – 136,8 = 1003,2 г = 1,0032 кг.

Молярная концентрация равна:

  С = m / ( M · V) = 136,8 / (174 · 1) = 0,79 моль/л.

Моляльная концентрация равна:

Сm = m / ( M ·  mрастворителя) = 136,8 / (174 ·  1,0032) = 0,78 моль/кг.

При диссоциации К2SO4 образуются 3 иона, значит, а = 3. Изотонический коэффициент равен:

i = 1 + б ∙ (a – 1) = 1+ 0,85 · (3 – 1) = 1,7.

Криоскопическая константа для воды равна К = 1,86. Эбуллиоскопическая константа для воды равна Е = 0,52.

Таким образом, понижение температуры замерзания равно:

ДТ = i · К · Сm = 1,7  ·  1,86 · 0,78 = 2,47,

а температура замерзания раствора равна:

tзам. = 0 – 2,47 = –2,47 оС.

Повышение температуры кипения:

ДТ = i · Е · Сm = 1,7 · 0,52  ·  0,78 = 0,69,

а температура кипения раствора равна:

tкип. = 100 + 0,69 = 100,69 оС.

Осмотическое давление раствора рассчитываем по закону Вант-Гоффа: 

Росм. =  i · С · R · Т = 1,7 ·  0,79 · 103  · 8,31 · 298 = 3325 кПа.

Задача 3. Вычислить рН раствора  HCOOH с молярной концентрацией 0,0075 моль/л, если степень диссоциации равна 5,4 %. Какова реакция среды?

Решение.  Концентрация ионов водорода в растворе муравьиной кислоты:

С(Н+)  = б  ∙  С = 0,054  ∙ 0,0075 = 4,05 ∙ 10–4 моль/л.

С помощью калькулятора вычисляем рН:

рН = –lg C(H+) = –lg (4,05 ∙ 10–4) = 3,39;

рН = 3,39, что  меньше 7, следовательно, среда кислая.

Задача 4. Вычислить рН раствора NаOH  с молярной концентрацией 0,0056 моль/л, если степень диссоциации равна 94 %. Какова реакция среды?

Решение.  Концентрация гидроксид-ионов  в растворе гидроксида натрия:

  С (ОН–)  = б ∙ С = 0,94 ∙ 0,0056 =  5,26 ∙ 10–3 моль/л.

Вычисляем рОН и рН:

рОН = –lgC(ОH–) = –lg(5,26 ∙ 10–4)= 2,28,

рН= 14−рОН = 14−2,28 = 11,72;

рН=11,72, что  больше 7, следовательно, среда щелочная.

Задача 5. Вычислить константу гидролиза (Кг), степень гидролиза (в), рН раствора цианида натрия KCN с молярной концентрацией 0,02 М.

Решение. Соль KCN образована сильным основанием и слабой кислотой, следовательно, гидролиз соли идет по аниону, среда щелочная:

CN–  + НОН ↔  НCN  +  ОН–;

Кг =  10–14 / Ккислоты  =  10–14 / 4,3 ⋅ 10–7 = 2,3 · 10–8.

Зная константу гидролиза, рассчитываем степень гидролиза в и концентрацию гидроксид-ионов С(ОН–):

Кг =  в2 · Сс, отсюда в = = 1,07 ∙ 10–3;

С (ОН–)  = в ∙ Сс = 1,07 ∙ 10–3 ∙ 0,02 =  2,14 ∙ 10–5 моль/л.

Вычисляем рОН и рН:

рОН = – lg C (ОH–) = – lg (2,14 ∙ 10–5) = 4,67,

рН = 14 − рОН =  14 − 4,67 = 9,33;

рН = 9,33, что больше 7, следовательно, среда щелочная. 

Задача 6.  Вычислить рН буферного раствора, состоящего из 80 мл 0,15 М раствора CH3COOH и 20 мл 0,1 М раствора CH3COONa. Константа  электролитической  диссоциации  уксусной  кислоты равна 1,85 ⋅ 10–5. 

Решение.  По уравнению буферной смеси концентрация водородных ионов в буферном растворе определяется:

[H+] = K , или С(Н+) = К ,

где Скислоты – концентрация кислоты; 

Ссоли – концентрация соли в приготовленной буферной смеси. 

Концентрация кислоты и соли в смеси может быть рассчитана по данным задачи:

Скислоты == 0,12;  Ссоли = = 0,02 моль/л,

где  80 и 20 – объемы  кислоты и соли,  взятые  для  приготовления  бу-

  ферного раствора, мл;

20+80 – общий объем раствора.

Полученные величины подставляются в уравнение буферной смеси:

С(Н+) = 1,85 ⋅ 10–5 ⋅ = 1,11 ⋅ 10–4 моль/л.

Далее находим величину рН:

рН = – lg C(H+) = – lg (1,11 ⋅ 10–4) = – (lg1,11 – 4 ⋅ lg10) = 4 – 0,045 = 3,955.

задача 7. Написать формулу мицеллы гидрозоля хлорида сереб­ра, полученного при взаимодействии сильноразбавленного ра­створа хлорида калия с избытком нитрата серебра. Опреде­лить направление движения гранулы при электрофорезе.

Решение.  1. Записать уравнение реакции, приводящее к получению золя, например:

AgNO3 + KCl → AgCl↓ + KNO3.

2. Установить состав ядра коллоидной частицы. Это веще­ство, образующее осадок – АgС1; хлористое серебро имеет ионную кристаллическую решетку, состоит из ионов Аg+ и С1–. Состав ядра – mАgС1 (m –  некоторое чис­ло).  В избытке – АgNО3.

3. Сравнить ионы вещества, находящиеся в растворе в избытке, с ионами, входящими в состав ядра: ядро – Аg+С1–; вещество в избытке Аg+NO3–. Одноименные или близкие по химической природе ионы мо­гут быть ионами-стабилизаторами (потенциалопределяющими ионами), ионы-стабилизаторы в данном случае Ag+.

4. Записать выделенные две части мицеллы – ядро и слой потенциалопределяющих ионов. В  нашем случае это mAgCl nAg+.

5. Обратить внимание на заряд образующейся системы, в данном случае – положительный.

6. Выбрать противоионы. Это тоже ионы вещества, нахо­дящиеся в избытке. В данном случае АgNO3 дает: Аg+  (потенциалопределяющие ионы) и  NO3– (противоионы). 

7. Продолжить схему строения мицеллы, записав слой противоионов:

  mАgС1  nАg+  (n – x) NO3-.

  ядро  потенциалопределяющие  противоионы

  ионы 

Противоионы взаимодействуют со слоем потенциалопределя­ющих ионов кулоновскими силами. Поэтому число этих ионов (n – х) неско-лько меньше количества потенциалопределяю­щих ионов (n).

8. Зафиксировать знак заряда записанной вами системы – коллоидной частицы:

  mАgСl  nAg+  (n – х) NO3-.

  ядро не заряжено  положительно  отрицательно

  заряженный  слой  заряженный слой

Поскольку n  > (n – х), то вся система заряжена положитель­но.