Пример решения семестровой работы Задание 1. Определите состав реакционной смеси до и после реакции с учетом выхода продуктов реакции. Составьте таблицу материального баланса. NH4Cl + NaOH = NaCl + NH3↑ + H2O Исходные данные: СМ (NH4Cl) = 4 моль/л; mр-ра (NH4Cl) = 2,3 кг; ρ (NH4Cl) = 1,065 г/мл; Сн (NaOH) = 2 моль/л; mр-ра (NаОH) = 2,5 кг ρ (NaOH) = 1,250 г/мл η =80 % Приход 1) Объем израсходованного раствора NH4Cl: mр-ра 2300 V= = = 2159,6 мл ρ 1,065 2) Количество NH4Cl в израсходованном растворе: ν = СМ · V = 4 · 2,1596 = 8,64 моль 3) Масса NH4Cl в израсходованном растворе: m (NH4Cl) = ν · M = 8,64 · 53,5 = 462,24 г 4) Масса воды в израсходованном растворе хлорида аммония NH4Cl: m(Н2О) = 2300 – 462,24 = 1837,76 г 5) Объем израсходованного раствора щелочи (NaOH): mр-ра 2500 V= = = 2000 мл ρ 1,25 6) Масса вещества NаОH в израсходованном растворе: m (NаОH) = Cн · МЭ · V= 2 · 40 · 2 = 160 г 7) Количество NаОH в израсходованном растворе: m 160 ν= = = 4 моль M 40 8) Масса воды в растворе щелочи: m (H2O) = 2500 – 160 = 2340 г 9) Количество прореагировавшего NaOH с учетом выхода продуктов реакции: ν(NaOH)прор = νисх · η = 4 · 0,8 = 3,2 моль 10) Количество непрореагировавшего NaOH: ν(NaOH)непр = 4 – 3,2 = 0,8 моль 11) Масса непрореагировавшего NaOH: m (NaOH) = 0,8 · 40 = 32 г 12) Количество непрореагировавшего NH4Cl: 68 ν (NH4Cl)непр = 8,64 – 3,2 = 5,44 моль 13) Масса непрореагировавшего NH4Cl: m (NH4Cl)непр = 5,44 · 53,5 = 291,04 г Расход 1) Масса образовавшегося NaCl: m(NaCl) = 3,2 · 58,5 = 187,3 г 2) Масса образовавшейся воды: m (H2O) = 3,2 · 18 = 57,6 г 3) Масса образовавшегося аммиака: m (NH3) = 3,2 · 17 = 54,4 г Таблица 6.1. Материальный баланс Состав Приход реакционной смеси m, г ω, % NH4Cl 462,24 9,63 NaOH 160 3,33 H2O 4177,76 87,04 NH3 NaCl Итого: 4800 100 Расход m, г 291,04 32 4235,36 54,4 187,2 4800 ω, % 6,06 0,67 88,24 1,13 3,9 100 Задание 2. Рассчитать энергию Гиббса, энтальпию, энтропию данного процесса при температуре 298 К. Возможна ли данная реакция при температуре 473 К? 1) Определяем энтальпию данной реакции при Т=298 К: ΔНреакции = ∑νjΔfHj прод. реакции – ∑νjΔfHj исх.веществ ΔНреакции = – 411,12 – 45,94 – 285,3 + 314,22 + 426,35 = –1,79 кДж/моль 2) Определяем энтропию данной реакции при Т=298 К: ΔSреакции = ∑νjSj прод. реакции – ∑νjSj исх.веществ ΔSреакции = 72,13 + 192,66 + 69,95 – 95,81 – 64,43 = 174,5 Дж/(моль К) Стандартные значения энтальпии и энтропии соответствующих веществ определяют по таблице термодинамических характеристик веществ. 3) Определяем энергию Гиббса при Т=298 К: ∆G0298 = ∆Н0298 – Т∆S0298 ∆G0298 = – 1,79 – (298 0,1745) = – 53,791 кДж/моль Так как ∆G0 < 0, то данная реакция возможна при Т=298 К. ∆G473 = –1,79 – (473 0,1745) = – 84,328 кДж/моль При Т=473 К данная реакция также возможна. 69 Задание 3. Определить скорость и время реакции с учетом выхода продукта. Константа скорости реакции К = 0,2 л/(моль · с). 1) Масса раствора после реакции: m р-ра= mр-ра(NH4Cl) + mр-ра(NaOH) – m (NH3) = 2300 + 2500 – 54,4 = 4745,6 г Так как концентрации веществ в растворе незначительны, то плотность раствора принимаем за 1 г/мл, отсюда: Vр-ра = 4745,6 мл = 4,7456 л Время реакции: 2,303 1 СВ(СА – ХА) τ= · · lg ; K CA – CB CA(CB – XB) где К – константа скорости реакции; СА, СВ – начальные концентрации реагирующих веществ, моль/л; ХА, ХВ – количество молей, реагирующих веществ, вступивших в реакцию к моменту времени τ. 2) Концентрация веществ до реакции: ν 8,64 С(NH4Cl) = = = 1,82 моль/л V 4,7456 ν 4 C (NaOH) = = = 0,84 моль/л V 4,7456 3) Концентрации веществ после реакции: ν 5,44 С(NH4Cl) = = = 1,15 моль/л V 4,7456 ν 0,8 C (NaOH) = = = 0,168 моль/л V 4,7456 Время реакции: 2,303 1 0,84·1,15 τ= · · lg = 5,9 с; 0,2 1,82 – 0,84 1,82·0,168 4) Скорость реакции по NH4Cl: ∆С 1,82 – 1,15 υ= = = 0,114 моль/л с ∆τ 5,9 Задание 4. Определите рН среды после реакции. После завершения реакции в растворе присутствуют вещества: NH4Cl, NaOH, NaCl, частично растворенный аммиак. На реакцию среды могут влиять NaOH и гидролизируемый NH4Cl. NH4Cl + H2O → NH3↑ + H2O + HCl 70 CМ(HCl) = CМ(NH4Cl) = 1,15 моль/л СМ(NaOH) = 0,168 моль/л, так как α(NaOH)=100%, то С(ОН-) = СМ · α · n = 0,168 · 1 · 1 = 0,168 моль/л Концентрацию ионов водорода, образующихся при гидролизе NH 4Cl вычислим через константу и степень гидролиза: С · β2 Кг = ; 1–β где С– концентрация соли, моль/л; β – степень гидролиза соли. Так как степень гидролиза значительно меньше единицы, то выражение принимает вид: Кг = С · β2. Константа гидролиза соли слабого основания и сильной кислоты рассчитывается по формуле: КН2О 10-14 Кг = = = 5,65 · 10-10 Косн 1,77 · 10-5 Кг 5,65 · 10-10 β=√ =√ = 2,2 · 10-5 С 1,15 Так как С(HCl) = C (NH4Cl), то Кг + С(Н ) = = 2,2 · 10-5 моль/л Ссоли С(ОН ) значительно больше С(Н+); С(ОН-) = 0,186 моль/л Следовательно рН раствора считаем по концентрации щелочи: 10-14 [H+] = = 5,376 · 10-14 моль/л 0,168 рН = – lg [H+] рН = – lg (5,376 · 10-14) = 13,23. Контрольные задания 1. Определить состав реакционной смеси до и после реакции. Составить таблицу материального баланса. 2. Рассчитать ∆Н0298, ∆S0298, ∆G0298 химической реакции. Возможно ли осуществить реакцию при 473 К? 3. Определить скорость и время реакции с учетом степени превращения и выхода продукта. 4. Определить рН среды после реакции. 5. Описать основные физико-химические свойства исходных веществ и продуктов реакции. 6. Предложить пути повышения выхода продукта реакции. 71