Контрольная работа по "Химия"

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Строение атома

1. Запишите электронную конфигурацию атома ванадия в основном состоянии и все квантовые числа его неспаренных электронов. Сколько свободных d-орбиталей содержится на предпоследнем энергетическом уровне? Какие химические свойства проявляет атом ванадия?

 

Решение:

V23 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d3 4s2 У ванадия 2 свободных 3d-орбитали, т.к. на 3d у него находится три электрона, которые занимают три 3d-орбитали (для d - максимум 5).

Химические свойства:

Ванадий – элемент с высокой химической стойкостью, в нормальных условиях он инертен. При комнатной температуре на ванадий не воздействует воздух, морская вода и растворы щелочей, металл устойчив к неокисляющим кислотам, кроме плавиковой кислоты. Коррозийная стойкость ванадия в соляной и серной кислотах намного выше, чем у нержавеющей стали и титана.

При нагревании ванадия до температуры 300 градусов по Цельсию, он начинает поглощать кислород и становится довольно хрупким. При нагревании до температуры 600-700 градусов по Цельсию, ванадий начинает интенсивно окисляться, образуя пятиокись V2O5 и низшие оксиды. При нагревании химического элемента выше 700 градусов по Цельсию в токе азота начинает образовываться нитрид VN (tпл 2050°C), он устойчив и в кислотах, и в воде. При достижении высокой температуры ванадий начинает взаимодействовать с углеродом, при этом образуется тугоплавкий карбид VC (температура плавления 2800 градусов по Цельсию), который обладает очень высокой твердостью.

Ванадий даёт соединения 2-й, 3-й, 4-й и 5-й валентностей, в соответствии с этим известны следующие окислы: VO и V2O3 (основной характер), VO2 (амфотерный), V2O5 (кислотный). Соединения двух- и трехвалентного ванадия неустойчивы и выступают сильными восстановителями. Соединения высших валентностей имеют практическое значение. В аналитической химии используется способность ванадия образовывать соединений различной валентности, к тому же данный факт обусловливает каталитические свойства V2O5. Пятиокись ванадия способна растворяться в щелочах, образуя ванадаты.

Ванадий образует с галогенами летучие галогениды составов которых выглядит так VX2 (X = F, Cl, Br, I), VX4 (X = F, Cl, Br), VX3, VF5, а также несколько оксогалогенидов (например, VOF3, VOCl2, VOCl и др.).

Давайте рассмотрим основные химические реакции с ванадием.

При нагревании до температуры выше 600 градусов по Цельсию ванадий взаимодействует с кислородом, в результате чего образуется оксид ванадия (V):

4V + 5O2 = 2V2O5.

Оксид ванадия (IV) образуется и при горении элемента на воздухе:

V + O2 = VO2.

При достижении температуры выше 700 градусов по Цельсию ванадий реагирует с азотом, образуя нитрид:

2V + N2 = 2VN.

При нагревании ванадия до температуры 200–300 градусов по Цельсию, он реагирует с галогенами. С хлором образуется хлорид ванадия (IV), с фтором - фторид ванадия (V), с йодом – йодид ванадия (II), с бромом – бромид ванадия (III),:

V + 2Cl2 = VCl4,

2V + 5F2 = 2VF5,

V + I2 = VI2,

2V + 3Br2 = 2VBr3.

Ванадий при достижении 800 градусов по Цельсию с углеродом образует карбид:

V + C = VC.

При спекании с кремнием и бором на высоких температурах образуется силицид и борид:

3V + Si = V3Si,

V + 2B = VB2.

При нагревании ванадий реагирует с фосфором и серой:

V + P = VP, может  быть образование VP2,

2V + 3S = V2S3, может быть образование VS и VS2.

С водородом ванадий образует твердые растворы.

Ванадий располагается до водорода в ряду напряжений металлов, но, за счет защитной пленки, он довольно инертен, при этом не растворяется в воде, соляной кислоте, на холоде не вступает в реакции с разбавленной азотной и серной кислотами.

Ванадий реагирует с плавиковой кислотой, образуя фторидный комплекс:

2V + 12HF = 2H3[VF6] + 3H2;

Реагирует с концентрированной азотной кислотой, образуя нитрат ванадина:

V + 6HNO3 = VO2NO3 + 5NO2 + 3H2O;

Вступает в реакцию с концентрированной серной кислотой, образуя сульфат ванадила:

V + 3H2SO4 = VOSO4 + 2SO2 + 3H2O

А также с царской водкой, образуя хлорид ванадина:

3V + 5HNO3 + 3HCl = 3VO2Cl + 5NO + 4H2O;

Элемент растворяется в смеси плавиковой и азотной кислоты:

3V + 21HF + 5HNO3 = 3H2[VF7] + 5NO + 10H2O,

При этом пассивирующую пленку оксида растворяет плавиковая кислота:

V2O5 + 14HF = 2H2[VF7] + 5H2O,

а поверхность металла окисляется за счет азотной кислоты окисляет:

6V + 10HNO3 = 3V2O5 + 10NO + 5H2O

Ванадий не реагирует с растворами щелочей, но в расплавах, если есть воздух, он окисляется, образуя ванадаты:

4V + 12KOH + 5O2 = 4K3VO4 +6H2O.

С металлами ванадий способен образовывать различные интерметаллиды и сплавы.

 

 

 

2. Классы неорганических  соединений

31. Определите, с какими из перечисленных веществ реагирует азотная кислота: CaO,  Сr2О3, NaOH,  Р2О5, СаСОз, СО2. Напишите уравнения возможных реакций.

Решение:

CaO+2HNo3 = Ca(NO3)2 +H2O

NaOH+HNO3=NaNO3+H2O

CaCO3+2HNO3=Ca(NO3)2+H2O+CO2

3. Основы химической  термодинамики

Возможно ли осуществление процесса восстановления металлического железа из оксида железа Fe2O3 действием водорода при стандартных условиях.

Решение:

3Fe2O3+H2=2Fe3O4+H2O

Fe3O4+H2=3FeO+H2↑

FeO+H2=Fe+H2

Для того, чтобы реакции пошли вправо необходимо создать избток вещества.

Реакция невозможна при стандартных условиях. Она возможна при температуре 3500С.

4. Способы выражения  концентрации растворов

71. Вычислите молярную концентрацию 16%-го раствора хлорида аммония, плотность которого равна 1,15 г/см3.

Молярная масса хлорида аммония равна 53,49 г/моль.

Подставляя необходимые значения в формулы, получим: 
а)  Молярная концентрация 16% раствора хлорида аммония равна

M = (16 · 1,15 · 10) / 53,49 = 3,44M

5. Электролитическая  диссоциация

91. Напишите уравнения электролитической диссоциации солей, применяемых в качестве фосфорных удобрений: Са(Н2РО4)2 , СаНРО4 , К3РО4. Назовите эти соли.

Решение:

Ca(H2PO4)2→Ca2++HPO43−+H+−дигидрофосфат кальция.

CaHPO4 →Ca2+ +H++PO43− − гидрофосфат кальция.

K3PO4→3K++PO43—фосфат калия.

 

 

 

 

6. Реакции  ионного обмена

101. Раствор поваренной соли, предназначенный для электролиза, освобождают от ионов кальция и магния с помощью карбоната натрия. Составьте молекулярные и ионные уравнения этих реакций.

Решение:

    CaCl2  +  Na2CO3   → 2NaCl     +   CaCO3 ↓

хлорид      карбонат      хлорид        карбонат

кальция     натрия         натрия         кальция

Ca2+ + 2Cl− +2Na+ +CO32−→ 2Na++2Cl−+CaCO3↓

Ca2+ +CO32−→CaCO3↓

MgCl2+Na2CO3→2NaCl+MgCO3↓

хлорид                               карбонат

магния                               магния

Mg2++2Cl−+2Na++CO32−→2Na++2Cl−+MgCO3↓

Mg2++CO32−→MgCO3↓

 

7. Растворы неэлектролитов

131. Раствор, содержащий 3,04 г камфоры С10Н16О в 100 г бензола С6Н6, кипит при 80,70С. Температура кипения бензола 80,2 0С. Вычислите эбуллиоскопическую константу бензола.

Дано:                               Решение:

m(C10H16O)=3,04 гр.       − по закону Рауля

m(C6H6)=100 гр.             где g –масса растворённого вещества(т.е. камфоры) 

tкип(р-ра)=80,70С             G−масса растворителя (т.е. бензола)

tкип(С6H6)=80,20С             Mr− молекулярная масса растворённого вещества

KЭ(C6H6)−?                     (т.е. камфоры)

                                       

Ответ: KЭ(C6H6)=2,5

8. Окислительно-восстановительные реакции

Методом электронного баланса подберите коэффициенты в уравнениях реакций. Укажите окислитель и восстановитель, процессы окисления и восстановления.

114. KMnO4 +Na2SO3 +H2О     →       Na2SO4+MnO2 + КОН,

PbS + HNO3        →           Pb(NO3)2 + S + NO+ H2O

Решение:

а)2KMnO4+7+3Na2SO3+4+H2O→3Na2SO4+6+2MnO2+4+2KOH

Электронный баланс:

           Mn+7+3ẽ→Mn+4 р. восстановления       2

окислитель

           S+4 −2ẽ→S+6 р. окисления                      3

восстановитель                                              

                                                                                 

2Mn+7+3S+4→3S+6+2Mn+4 

KMnO4 –окислитель (за счёт Mn+7)

Na2SO3−восстановитель (за счёт S+4)

б)3PBS−2+8HNO3+5→3PB(NO3)2+3S0+2NO+2+4H2O

Электронный баланс:

       S−2   −2ẽ   →S0 р. окисления              3

восстановитель

       N+5   +3ẽ→N+2 р. восстановления      2

окислитель

 

3S−2+2N+5→3S0+2N+2

PBS−восстановитель (за счёт S−2)

HNO3−окислитель (за счёт N+5)

9. Гальванические элементы

Разберите работу гальванического элемента. Напишите электронные уравнения анодного и катодного процессов, составьте суммарное ионное уравнение окислительно-восстановительной реакции в гальваническом элементе и вычислите его ЭДС.

 

141. Zn | Zn(NO3)2 || Pb(NO3)2 | Pb

СZn2+ = 10-2 моль/л ,   CPb+2 = 1 моль/л

Zn/Zn(NO3)2//Pb(NO3)2 /Pb

CZn+2=10−2 моль/л                         СPb+2=1 моль/л

Выписываем из справочника стандартные окислительно-восстановительные

потенциалы:

E0Zn+2/Zn=−0,76B;              E0Pb2+/Pb=−0,13 B.

Рассчитываем потенциалы электродов по уравнению Нернста:

E=E0+ , где n−количество ẽ, участвующих в полуреакции.

EZn+2/Zn= E0Zn+2/Zn   

EPb2+/Pb= E0Pb2+/Pb +

Сравниваем потенциалы:  EPb2+/Pb  EZn+2/Zn = свинцовый электрод − это катод (на нём будет идти процесс восстановления); цинковый электрод−будет анодом (на нём будет протекать процесс окисления).

Составляем анодные и катодные уравнения:

К:   Pb2++2ẽ→Pb0        1

A:   Zn0−2ẽ→Zn2+       1

 

Pb2++Zn0→Pb0+Zn2+

Молекулярное уравнение токообразующей

Pb(NO3)2+Zn→Pb+Zn(NO3)2

Показываем направление перемещения ẽ и ионов при работе гальванического элемента: Zn/Zn(NO3)2|| Pb(NO3)2/Pb

                                   NO3−

 Рассчитываем ЭДС: E=−0,13−(−0,76)=0,63B

             10. Коррозия металлов

142. Как протекает коррозия в случае повреждения поверхностного слоя оцинкованного и никелированного железа при их контакте с водой? Составьте схему коррозионного  гальванического элемента и укажите направление движения электронов. Напишите уравнения анодного и катодного процессов, а также суммарное уравнение электрохимической коррозии.

Решение:

1. Схема гальванопада: Zn/H2O/Ni
2. Потенциалы: EZn/OH2/Zn=−0,81B

                        ENi/OH2/Ni=−0,30B

                        E2H2O/H2=−0,41B

Zn−восстановитель (т.к. имеет наименьший потенциал)

Ni−окислитель (т.к. имеет наибольший потенциал)

3. Составляем уравнение процесса окисления (на участие с наименьшим потенциалом), процесса восстановления (на участке с наибольшим потенциалом) и суммарное уравнение окислительно-востановительной реакции, протекающей при гальванокоррозии:

Zn(-): Zn0+2OH−−2ẽ→Zn(OH)2     1

Ni(+): 2H2O+2ẽ→2OH−+H2               1

 

Zn0+2H2O→H20↑+Zn(OH)2↓

4. Указываем движение ẽ от участка с меньшим потенциалом, к участку с большим потенциалом:

                                                            ẽ     

 

                                                             ẽ

 

5. Рассчитываем величину ЭДС:

E=−0,30−(−0,81)=0,51B