Министерство образования и науки Российской Федерации
ФГБОУ ВПО «Тульский государственный педагогический
университет имени Л. Н. Толстого»
В. В. Платонов,
О. С. Половецкая,
В. А. Попков
СБОРНИК ЗАДАЧ И УПРАЖНЕНИЙ
ПО ОБЩЕЙ
И НЕОРГАНИЧЕСКОЙ ХИМИИ
(с решениями)
Учебно-методическое пособие
Тула
Издательство ТГПУ им. Л. Н. Толстого
2012
Стр.1
ББК 24.1я73
П37
Рецензенты:
доктор химических наук, профессор Н. Е. Кузьменко
(МГУ им. М. В. Ломоносова);
кандидат химических наук, доцент О. И. Бойкова
(ТГПУ им. Л. Н. Толстого)
П37
Платонов, В. В.
Сборник задач и упражнений по общей и неорганической химии
(с решениями): Учеб.-метод. пособие / В. В. Платонов, О. С. Половецкая,
В. А. Попков.– Тула: Изд-во Тул. гос. пед. ун-та им. Л. Н. Толстого,
2012. – 167 с.
ISBN 978-5-87954-719-1
Пособие содержит примеры решения типовых упражнений и задач по
всем разделам курсов общей и неорганической химии. Материал задачника
соответствует примерной программе по дисциплинам «Общая химия»,
«Химия неметаллов» и «Химия металлов» для студентов направления
подготовки 020100 «Химия» (профиль «Медицинская и фармацевтическая
химия»), направления подготовки 050100 «Педагогическое образование»
(профиль «Биология» и «Химия»), специальности 050101 «Химия» со специализацией
«Химия окружающей среды и химическая экспертиза».
Пособие может быть использовано учащимися старших классов общеобразовательных
и специализированных школ, лицеев, гимназий, студентами
колледжей, а также преподавателями химии.
ББК 24.1я73
ISBN 978-5-87954-719-1
© В. В. Платонов,
О. С. Половецкая, В. А. Попков, 2012
© ТГПУ им. Л. Н. Толстого, 2012
2
Стр.2
ВВЕДЕНИЕ
Данное учебно-методическое пособие адресуется студентам Тульского государственного
педагогического университета им. Л. Н. Толстого, учащимся старших классов
муниципальных образовательных учреждений, а также абитуриентам, готовящимся
к поступлению в вузы.
В пособии представлено 400 типовых заданий по общей и неорганической химии,
из них 200 с решениями, наглядно демонстрирующими наиболее общие их приемы.
Изучение данного пособия позволит обучающимся применить теоретические
знания к разнообразным химическим задачам и упражнениям. Взаимодействие веществ
и образование продуктов реакции протекают в соответствии с уравнениями химических
реакций, объединяющими как качественную, так и количественную стороны
процесса. Умение правильно составить уравнение химической реакции и провести расчет
количеств веществ – два неотъемлемых аспекта изучения химии.
Пособие ставит задачу выработать у студентов, изучающих общую и неорганическую
химию, логику мышления в процессе решения задач, научить самостоятельно
решать сложные химические задачи, осмысленно используя и закрепляя теоретический
материал.
Авторы надеются, что данное издание будет приносить пользу преподавателям
и обучающимся, послужит связующим звеном между теоретическим курсом и лабораторным
практикумом, поможет организовать самостоятельную работу в аудитории
и дома и осуществить контроль за приобретенными умениями и навыками.
Авторы будут признательны за все предложения и замечания, присланные на
электронный адрес: olpolov@mail.ru
3
Стр.3
Задача 1. При нагревании твердого вещества «А» получили 0,2 г твердого
вещества «В» и газ «С». При растворении вещества «В» в воде образовался
раствор, содержащий 0,32 г вещества «D». При пропускании газа «С» через
раствор, содержащий избыток вещества «Е», образовалось 2,1733 г соединения
«F», при взаимодействии которого с водным раствором вещества «D» образуются
вещества «А» и «Е». Установите формулы соединений «А» – «F».
Решение. Химизм процессов, описанных в условии, позволяет предположить, что
исходное вещество «А» – карбонат неизвестного щелочного металла, так как только
оксиды щелочных металлов хорошо растворимы в воде, «В» – его оксид, «С» – оксид
углерода(IV), «D» – гидроксид неизвестного металла.
Мех(СО3)у = МехОу + уСО2↑,
МехОу + уН2О = хМе(ОН)2у/х.
Увеличение массы при растворении оксида металла в воде происходит за счет его
превращения в гидроксид.
Обозначим молярную массу эквивалента (Мэкв) неизвестного металла через
х г/моль. Тогда
Мэкв(МехОу) = (х + 8) г/моль и Мэкв(Ме(ОН)2у/х) = (х + 17) г/моль.
Согласно закону эквивалентов массы веществ, вступивших в реакцию, относятся
между собой как молярные массы их эквивалентов (Д. Дальтон, 1803 г.). Отношение
масс оксида и гидроксида неизвестного металла в реакции равно отношению их
эквивалентных масс [см. формулу (1)]:
m M=
m М ;
1
2
экв1
экв2
0,32 17 ,
0,2
= +
х
откуда х = 7.
Молярная масса эквивалента – масса вещества количеством один моль
эквивалентов, равная произведению молярной массы вещества на фактор эквивалентности,–
рассчитывается по формуле (2):
Мэкв = M · fэкв,
(2)
где fэкв – фактор эквивалентности – безразмерная величина, показывающая, какая доля
реальной частицы вещества равноценна в кислотно-основных реакциях одному иону
водорода (Н+) или одному электрону в окислительно-восстановительных реакциях.
Подбирая значение фактора эквивалентности (fэкв = 1), устанавливаем, что
М М 7
экв
(Э)7г/мольf1
== =
экв
литию (Li).
Следовательно, твердое вещество «А» – карбонат лития, который при нагревании
разлагается на твердое вещество «В» – оксид лития и газ «С» – оксид углерода(IV):
Li2CO3 = Li2O + CO2 ↑.
гидроксида лития:
При растворении оксида лития в воде образуется водный раствор вещества «D» –
Li2O + H2O = 2LiOH.
Допустим, что «Е» – это гидроксид щелочного металла:
CO2 + 2 МеОН = Ме2СО3 + Н2О.
Количество вещества эквивалентов nэкв(Li2O) рассчитывается по формуле (3):
экв
n= m ,М
экв
4
(3)
.
Полученное значение молярной массы соответствует
х +8
(1)
Стр.4
n (Li2O)==
экв.
0,2
15 0,0133моль.
Согласно реакции количество вещества эквивалента оксида углерода(IV) равно
количеству вещества эквивалента Ме2СО3 и составляет 0,0133 моль.
Мэкв(Ме2СО3) = Мэкв(Ме) + Мэкв(кислотного остатка) = (х + 30) г/моль.
2,1733
0,0133
В то же время: М (Me CO )
Составим уравнение:
экв 23==163г/моль.
х + 30 = 163,
откуда х = 133.
Полученное значение молярной массы соответствует цезию (Cs), следовательно,
вещество «Е» – гидроксид цезия:
СО2 + 2CsОН = Cs2СО3 +Н2О,
LiOH + Cs2CO3 = CsOH + Li2CO3.
Ответ: «А» – Li2CO3; «В» – Li2O; «С» – СО2; «D» – LiOH; «Е» – CsOH; «F» – Cs2CO3.
Задача 2. При прокаливании (t = 800 оС) карбоната неизвестного металла массой
7,4 г получили белый порошок, который бурно прореагировал с водой.
К образовавшемуся прозрачному раствору добавили избыток раствора фторида
натрия, в результате чего образовался белый осадок массой 5,2 г. Установите
формулу неизвестного металла. Напишите уравнения протекающих реакций.
Решение. Запишем формулу карбоната неизвестного металла в общем виде Мех(СО3)у.
По условию задачи протекали реакции:
Мех(СО3)у = МехОу + уCО2↑,
МехОу + yН2О = хМе(ОН)2у/х,
Me 22(OH) + NaF = MeF + NaOH.yy
xx
2y
2y ↓
xx
Обозначим молярную массу эквивалента неизвестного металла через х г/моль;
количество вещества эквивалента карбоната неизвестного металла – через у моль.
Запишем выражение для молярной массы эквивалента карбоната неизвестного
металла:
Мэкв(Мех(СО3)у) = Мэкв(Ме) + Мэкв(кислотного остатка) = (х + 30) г/моль.
По условию задачи (х + 30) · у = 7,4 г.
Согласно закону эквивалентов из у моль Мех(СО3)у образуется у моль МеF2у/х,
следовательно, молярная масса эквивалента фторида неизвестного металла равна:
Мэкв(МеF2у/х) = Мэкв(Ме) + Мэкв(F) = (х + 19) г/моль.
По условию задачи (х + 19) · у = 5,2 г.
Составим систему уравнений:
(х + 30) · у = 7,4;
(х + 19) · у = 5,2.
Решая систему, находим: х = 7.
Мэкв(Ме) = 7 г/моль.
ваем, что М(Э) =
Подбирая значения фактора эквивалентности (fэкв = 1), по формуле (2) устанавлиМ
экв = = 7г/моль .
7
f1
экв
соответствует литию (Li).
Запишем уравнения химических реакций:
Li2CO3 = Li2O + CO2↑,
Li2O + H2O = 2LiOH,
5
Полученное значение молярной массы
Стр.5
LiOH + NaF = LiF↓ + NaOH.
Ответ: Li.
Задача 3. При прокаливании 20 г гидроксида неизвестного металла получили
13,077 г его оксида. Установите формулу гидроксида неизвестного металла.
Решение. Пусть формула гидроксида неизвестного металла Ме(ОН)х.
Уравнения реакций разложения:
2Me(OH)x = Me2Ox + xH2O (если х – нечетное число),
x
Me OH =MeO + Me OH .
2
()
xx
2
x ()
Изменение массы при термолизе гидроксида неизвестного металла происходит за
счет потери воды.
Согласно закону сохранения массы веществ (масса веществ, вступивших
в реакцию, равна массе веществ, образовавшихся в результате ее, М. Ломоносов, 1748 г.)
выделилось 6,923 г воды (m = 20 – 13,077 = 6,923 г).
По формуле (1) рассчитаем молярную массу эквивалента неизвестного оксида:
m
М (оксида)
m =;
оксида
воды
экв
экв
М (воды)=18 = 9 г/моль;
2
М (воды)
1
экв
М (оксида)=
экв
17 – 8 = 9 г/моль.
Если фактор эквивалентности ()экв
Al2О3.
Ответ: Al(OH)3.
Задача 4. В процессе синтеза аммиака из простых веществ в замкнутом сосуде
давление в реакционной смеси упало на 20% (при постоянной температуре).
Определите состав (об.%) полученной газовой смеси, если в исходной смеси
содержание компонентов отвечало стехиометрическому соотношению.
Решение. Реакция образования аммиака из азота и водорода обратимая:
N2 + 3H2 ↔ 2NH3 – ∆Н.
Обозначим объем исходной газовой смеси через 1 л, тогда в исходной смеси
содержалось 0,25 л азота (1 часть) и 0,75 л водорода (3 части).
При полном протекании прямой реакции давление в реакторе уменьшится на 50%,
поскольку из 4 моль исходных веществ (H2 и N2) образуется 2 моль NH3. Согласно
условию задачи давление в реакционной смеси упало на 20%.
Составим пропорцию:
если давление понижается на 50% – выход реакции синтеза 100%;
если давление понижается на 20% – выход реакции х%,
откуда х = 40.
6
13,077 9
6,923 =17 г/моль.
Ч
Молярная масса эквивалента кислорода равна 8 г/моль, следовательно, Мэкв(Ме) =
1
f Ме 3
= , то М(Ме) = 9 · 3 = 27 г/моль. Полученное
значение молярной массы соответствует алюминию (Al).
Формулы исходных веществ: гидроксид алюминия Al(OH)3 и оксид алюминия
2Al(OH)3 = Al2О3 + 3Н2О (выше 575 оС).
Стр.6
Если выход реакции синтеза аммиака 40%, то количества вещества газов,
вступивших в реакцию: n(Н2) = 0,75 · 0,4 = 0,3 моль; n(N2) = 0,25 · 0,4 = 0,1 моль.
Рассчитаем количества оставшихся после реакции газов и количество
образовавшегося аммиака:
n(Н2) = 0,75 – 0,3 = 0,45 моль; n(N2) = 0,25 – 0,1 = 0,15 моль;
n(NН3) = 0,1 · 2 = 0,2 моль.
Суммарное количество веществ в конечной смеси газов: ∑n = 0,45 + 0,15 + 0,2 =
= 0,8 моль.
По закону Авогадро объемные доли газов равны их мольным долям:
0,45
ϕ=χ
ϕ=χ = ⋅ =
33
(H ) (H )
22
8
(NH ) (NH ) =
0, 100% 25,00%.
⋅
=
0, 100% 56,25%;
0,2
8
Ответ: φ(Н2) = 56,25%; φ(N2) = 18,75%; φ(NH3) = 25,00%.
Задача 5. В процессе синтеза аммиака из простых веществ в замкнутом сосуде
давление в реакционной смеси упало на 10% (при постоянной температуре).
Определите состав (об.%) полученной газовой смеси, если в исходной смеси
содержалось 50 об.% азота.
Решение. Реакция синтеза аммиака является обратимой и описывается уравнением:
N2 + 3H2 ↔ 2NH3 – ∆H (480 ºC; 300 атм; kat Fe/Al2O3).
Обозначим объем исходной смеси через 1 л. По условию задачи, в ней
содержатся равные объемы азота и водорода: V(N2) = V(H2) = 0,5 л.
Обозначим объем вступившего в реакцию азота через х л, тогда объем
прореагировавшего водорода – 3х л, и образовалось 2х л аммиака.
В конечной смеси содержатся: V(N2) = (0,5 – x) л; V(H2) = (0,5 – 3x) л; V(NH3) = 2х л.
Реакция проводится в замкнутом сосуде, поэтому давление в сосуде при
постоянной температуре прямо пропорционально общему количеству газов:
Конечный объем газовой смеси (л) равен:
(0,5 – х) + (0,5 – 3х) + 2х = 0,9,
откуда х = 0,05.
В конечной смеси
V(N2)кон = 0,5 – 0,05 = 0,45 л; V(Н2)кон = 0,5 – 3 · 0,05 = 0,35 л;
V(NH3)кон = 2 · 0,05 = 0,1 л.
Объемный состав полученной смеси газов равен:
2
ϕ= ⋅ =
9
(H )
0,35
(NH )
3
2
ϕ= ⋅
9
0, 100% 11,11%.
0,1
=
Ответ: φ(Н2) = 38,89%; φ(N2) = 50,00%; φ(NH3) = 11,11%.
Задача 6. В процессе синтеза оксида серы(VI) из оксида серы(IV) и кислорода
давление в замкнутом реакторе упало на 25% (при постоянной температуре).
Определите состав (об.%) образовавшейся газовой смеси, если в исходной смеси
компоненты находились в стехиометрическом соотношении.
7
0, 100% 38,89%; ϕ= ⋅ =
(N )
0,45
9
0, 100% 50,00%;
Р 0,9.
Р
2
1
=
Стр.7
Решение. Реакция образования оксида серы(VI) из оксида серы(IV) и кислорода
обратимая:
2SO2 + O2 ↔ 2SO3 – ∆H
Обозначим исходное количество вещества оксида серы(IV) через 2 моль и
кислорода – через 1 моль.
При полном протекании прямой реакции слева направо, давление в реакторе
уменьшится на 33,33% (из 3 моль исходных газов образуется 2 моль оксида серы(VI)).
Составим пропорцию:
если давление понижается на 33,33% – выход реакции 100%;
если давление понижается на 20% – выход реакции х%,
откуда х = 75.
Выход реакции синтеза оксида серы(VI) – 75%.
Рассчитаем количество вещества газов, вступивших в реакцию:
n(SO2) = 2 · 0,75 = 1,5 моль; n(О2) = 1 · 0,75 = 0,75 моль.
Рассчитаем количества веществ, оставшихся после реакции газов и образовавшегося
оксида серы(VI): n(SО2) = 2 – 1,5 = 0,5 моль; n(О2) = 1 – 0,75 = 0,25 моль;
n(SO3) = 0,75 · 2 = 1,5 моль.
Суммарное количество веществ в конечной смеси газов: ∑n = 0,5 + 0,25 + 1,5 =
= 2,25 моль.
Объемный состав полученной смеси газов равен ее мольному составу.
22
ϕ=χ =
(SO ) (SO )
ϕ=χ = ⋅ = 33
2,25
(O ) (O )
22
0,25
0,5
2,25
100% 11,11%;ϕ=χ =
(SO ) (SO )
Ответ: φ(SО2) = 22,22%; φ(О2) = 11,11%; φ(SО3) = 66,67%.
Задача 7. Определите массы (кг) хромистого железняка и боксита, в котором
содержание основного вещества 60 масс.%, необходимых для получения 312 кг
хрома. Приведите уравнения химических реакций, укажите условия их
протекания.
Решение. Исходным сырьем для получения хрома являются хромистый железняк
(FeCr2O4) и боксит (гидратированный оксид алюминия Al2O3 · nH2O, который в
зависимости от степени гидратации может находиться в форме диаспора Al2O3 · H2O
или гидроаргелита Al2O3 · 3H2O).
Получение хрома основано на реакциях:
4FeCr2O4 + 8Na2CO3 + 7O2 = 2Fe2O3 + 8Na2CrO4 + 8CO2↑ (1000–1200 ºС),
2Na2CrO4 + H2SO4 = Na2SO4 + Na2Cr2O7 + H2O,
Na2Cr2O7 + 2С(кокс) = Na2CO3 + Cr2O3 + CO↑ (800 ºС),
Cr2O3 + 2Al = 2Cr + Al2O3 (800 ºС).
Алюминий получают из боксита по реакциям:
HAlO2 + NaOH = NaAlO2 + H2O (исходное сырье – диаспор)
или
Al(OH)3 + NaOH = NaAlO2 + 2H2O (исходное сырье – гидроаргелит),
NaAlO2 + 2H2O = Al(OH)3↓ + NaOH,
2Al(OH)3 = Al2O3 + 3H2O ↑ (выше 575 ºС),
⋅100% 22,22%;
1,5
=
2, 100% 66,67%.
25
⋅ =
8
Стр.8
2Al O
23
Na AlF ,1000 °C
электролиз
36
4Al+3O .
2 ↑
Так как n(Cr) = 312/52 = 6 кмоль, то согласно уравнениям реакций n(FeCr2O4) = 3
кмоль, n(Al2O3) = 6 кмоль.
Масса хромистого железняка: m(FeCr2O4) = 3,0 · 224= 672 кг.
Масса боксита: m(Al2O3) = 102 · 6 = 612 кг.
Масса боксита с учетом примесей 60 масс.%:
Ответ: m(FeCr2O4) = 672 кг; m(Al2O3) = 1020 кг.
m(Al O )= =1020 кг.
0,6
612
23
Задача 8. Смешали равные объемы 0,01М раствора бромида кальция и 0,03М
раствора гидроксида натрия. Определите, будет ли образовываться осадок, если
произведение растворимости гидроксида кальция 5,5 · 10–6. Принять плотности
всех растворов равными 1 г/мл.
Решение. Для насыщенного раствора гидроксида кальция, находящегося в контакте
с твердым Ca(OH)2, равновесие между осадком и раствором имеет вид:
Ca(OH)2(тв) ↔ Ca2+ + 2OH–.
Произведение растворимости (ПР) равно произведению молярных концентраций
ионов в растворе, каждая из которых возведена в степень, равную стехиометрическому
коэффициенту при соответствующем ионе в уравнении. Таким образом,
ПР Ca(OH) c c .−
(
Ca
2+
ОН
2 )=⋅ Если произведение концентраций реальных ионов в
2
растворе превышает табличное значение ПР(Ca(OH)2) = 5,5 · 10–6, то осадок будет
образовываться.
Предположим, что смешали по 0,5 л исходных растворов (по условию задачи –
равные объемы). При этом концентрация ионов кальция и гидроксид-ионов
уменьшится вдвое:
Ионное произведение равно: сCa ⋅= ⋅26
Так как 1,125 · 10–6 < 5,5 · 10–6, то осадок не образуется.
с = = 0,005 моль/л; с =
cОН
0,01
Са 2+
ОН
2+
−
Ответ: осадок образовываться не будет.
Задача 9. Смесь порошков алюминия и оксида никеля(II) подожгли с помощью
магниевой ленты. В результате был получен Ni–Al сплав, содержащий 30 масс.%
алюминия. Вычислите массовую долю (%) алюминия в исходной смеси.
Решение. Уравнение реакции восстановления оксида никеля(II) алюминием:
3NiO + 2Al = Al2O3 + 3Ni.
в этой смеси через х г, тогда масса оксида никеля(II) равна (100 – х) г. Количество
вещества
n(NiO) =
74,7
моль.
Количество вещества алюминия: ()=⋅ =⋅ =
3
nAl
2 27 100
374,7
22(100− )
n(NiO)
Рассчитаем массу вступившего в реакцию алюминия:
() () () (
x
9
m Al =⋅ ⋅− = 0,2409 100⋅ − = 24,09 24,09
x
3 74,7 112,05
x
100− x
− ⋅ x г.
)
моль.
Пусть масса исходной смеси порошков равна 100 г. Обозначим массу алюминия
100 − x
0,005 0,015 1,125 10 .
() =
2
⋅
−
22 = 0,015 моль/л.
−
0,03
Стр.9