Zadania dodatkowe z konwersatorium z podstaw chemii Semestr letni, rok akademicki 2012/2013 Gazy. Jednostki ciśnienia. Podstawowe prawa gazowe 1. Jakie ciśnienie będzie panowało w oponie napompowanej w temp. 0 C do 0,200 MPa, jeżeli wskutek szybkiej jazdy rozgrzeje się ona do 50 C? (Odp. 0,237 MPa) 2. W butli stalowej o objętości 30,0 dm 3 znajduje się wodór pod ciśnieniem 2,00 MPa w temperaturze 23,0 C. Oblicz masę gazu znajdującą się w tej butli. Jakie ciśnienie będzie panowało w butli po pobraniu z niej 12 moli wodoru? (Odp. 48,8 g; 1,016 MPa) 3. Analiza próbki gazu łupkowego wykazała, że zawiera on 70,0% objętościowych metanu, 10,0% etanu, 9,4% dwutlenku węgla, 6,8% propanu oraz mniejsze ilosci innych węglowodorów. Oblicz ciśnienia cząstkowe oraz masy podanych składników w butli zawierającej 20 dm 3 tego gazu pod ciśnieniem 4,0 MPa i w temperaturze 300 K. 4. Oblicz gęstość pary wodnej w normalnej temperaturze wrzenia wody. (Odp. 0,588 kg/m 3 ) 5. Balony na ogrzane powietrze wykorzystują różnicę gęstości powietrza wewnątrz powłoki oraz otaczającego balon. Oblicz gęstość powietrza pod ciśnieniem 1 atm w temperaturze 20 C oraz 120 C. Porównaj otrzymane wyniki. Przyjmij średnią masę molową powietrza równą 29 g/mol. (Odp. 1,2 kg/m 3 ; 0,90 kg/m 3 ) 6. Ile dm 3 wodoru pozostającego pod ciśnieniem 100,8 kpa i w temperaturze 20 C należy użyć do całkowitej redukcji 2,00g równomolowej mieszaniny magnetytu Fe 3 O 4 i hematytu Fe 2 O 3 do metalicznego żelaza? (Odp.0,8648 dm 3 ) 7. Dwa węglowodory mają taki sam skład elementarny: 85,6%C oraz 14,4%H. Ustal wzory rzeczywiste tych węglowodorów, jeżeli wiadomo, że ich gęstości względem azotu są odpowiednio równe: 1,000 oraz 1,500. (Odp. C 2 H 4 ; C 3 H 6 ) 8. Mieszanina azotu i wodoru w stosunku molowym 1 : 3 znajduje się w butli pod ciśnieniem 800,0 kpa w temp. 400,0 K. Oblicz ciśnienia cząstkowe składników i ich stężenia molowe. (Odp. p N2 = 200,0 kpa, [N 2 ] = 0,06014 mol/dm 3 ) 1
9. Ciekły roztwór zawierający 10,0 g etanolu i 5,00 g wody ogrzano pod ciśnieniem 98,68 kpa do temperatury 200,0 C, w której składniki mieszaniny przeszły w stan gazowy. Oblicz: a) skład mieszaniny gazowej w % obj. b) ciśnienia cząstkowe składników c) gęstość otrzymanych par. (Odp. 43,9% obj. etanolu; p etanol = 43,3 kpa; 0,760 kg/m 3 ) 10. Mieszanina gazów składa się z azotu, wodoru i amoniaku. Ciśnienia parcjalne tych gazów wynoszą odpowiednio: 300 kpa, 350 kpa i 700 kpa. Oblicz skład tej mieszaniny w procentach wagowych i objętościowych. (Odp. N 2 : 23,08% obj., 40,19% wag. ; H 2 : 23,08% obj., 2,87% wag. ) 11. W temperaturze 100 C pod ciśnieniem normalnym gazowy czterotlenek diazotu (N 2 O 4 ) ulega w 90,0% dysocjacji na dwutlenek azotu (NO 2 ). Oblicz ciśnienia cząstkowe składników i gęstość mieszaniny w tych warunkach temperatury i ciśnienia. (Odp. p(no 2 ) = 95,99 kpa, d = 1,582 g/dm 3 ) Równowaga chemiczna. Równowagi w fazie gazowej 1. Zmieszano 1,0 mol tlenku węgla(ii) z czterokrotnym nadmiarem pary wodnej. Po ogrzaniu do 600 C i osiągnięciu stanu równowagi reakcji: CO (g) + H 2 O (g) CO 2(g + H 2(g) układ zawierał 0,34 mol wodoru. Oblicz: a) skład mieszaniny równowagowej w procentach masowych b) ułamek molowy tlenku węgla(ii) w mieszaninie równowagowej c) stałą równowagi K c tej reakcji. (Odp. a. %CO = 18,48%; % H 2 O = 65,88; %H 2 = 0,68%; b. x CO = 0,132; x H2O = 0,732; x CO2 = 0,068; c. K c = 4,76 10-2.) 2. Monochlorek jodu powstaje w reakcji: I 2(g) + Cl 2(g) 2ICl (g), dla której stała równowagi w temperaturze 464 C wynosi 640. Oblicz stopień przereagowania jodu, jeżeli na początku reakcji w reaktorze o pojemności 1 dm 3 znajdowało się 0,1 mola I 2 i 0,3 mola Cl 2. (Odp. α = 0,997) 2
3. W temperaturze 700K wodór reaguje z bromem tworząc bromowodór. Stała równowagi K c tej reakcji jest równa 5 10 8. Do reaktora wprowadzono 0,6 mola H 2 i 0,2 mola Br 2 i ogrzano do 700 K. Oblicz skład mieszaniny reakcyjnej w stanie równowagi. (Odp. 0,4 mol H 2 ; 0,4 mol HBr) 4. W reakcji dwóch substratów A i B tworzą się produkty C i D. W reaktorze znajdującym się w temperaturze T stężenie początkowe substratu A było dwukrotnie większe od początkowego stężenia substratu B. Po ustaleniu stanu równowagi reakcji A + B C + D stężenie produktu C było trzykrotnie większe od stężenie równowagowego substratu B. Oblicz stałą równowagi K c tej reakcji. (Odp. K c = 1,8) 5. W temperaturze 407 K dla reakcji N 2 O 4(g) 2 NO 2(g) wartość stałej równowagi K c wynosi 2,00, natomiast w temperaturze 273 K wartość K c = 0,00077. Do naczynia o pojemności 1 dm 3 wprowadzono 2 mole N 2 O 4 i ogrzano go do temperatury 407 K. W drugim zbiorniku o takiej samej pojemności również umieszczono 2 mole N 2 O 4, ale ochłodzono go do temperatury 273 K. Oblicz stopień dysocjacji N 2 O 4 w obu przypadkach. Sformułuj wniosek dotyczący wpływu temperatury na stan równowagi tej reakcji. (Odp. (407 K) = 39%, (273 K) = 1,0%) 6. Do reaktora wprowadzono 6,00 mol Ar i 2,00 mol trójtlenku siarki, ogrzano do pewnej temperatury i pozostawiono do osiągnięcia stanu równowagi reakcji: 2SO 3(g 2SO 2(g) + O 2(g) Po ustaleniu się stanu równowagi ułamek molowy tlenu był równy 0,025. Oblicz stopień dysocjacji termicznej trójtlenku siarki oraz stałą K x. (Odp. α = 20,0%) 7. Dla reakcji: I 2(g) 2I (g) stopień dysocjacji I 2 pod ciśnieniem 100,0 kpa w temperaturach 1000K i 2000K wynosi odpowiednio 2,84% i 95,18%. Oblicz wartości stałej równowagi K p tej reakcji w podanych temperaturach. (Odp. 1000K: 3,18 10-3 ; 2000K: 38,02) 3
Dysocjacja elektrolityczna. Iloczyn jonowy wody, ph, poh, px. Elektrolity mocne 1. Zmieszano równe objętości dwóch rozcieńczonych roztworów mocnych kwasów o ph równym odpowiednio 3,00 oraz 5,00. Oblicz ph otrzymanego roztworu. (Odp. 3,30) 2. Zmieszano dwa roztwory mocnej zasady: a) 150 cm 3 o ph = 8,3; b) 350 cm 3 o ph = 10,2. Oblicz stężenie jonów OH - w otrzymanym roztworze wyrażone w mg/dm 3. (Odp. 1,89 mg/dm 3 ) 3. Zmieszano jedną objętość roztworu NaOH o ph = 13,85 i dwie objętości roztworu HCl o ph = 0,42. Oblicz wartość ph tak otrzymanego roztworu. (Odp. ph = 1,76) 4. Jaką objętość wody należy dodać do 25 cm 3 roztworu zawierającego 2,4 mg jonów SO 4 2-, aby uzyskać roztwór o pso 4 = 3,75? (Odp. 115 cm 3 ) 5. Ile cm 3 wody należy dodać do 100 cm 3 roztworu NaOH o ph = 13,5 aby ph zmalało do 13,0? (Odp. 216 cm 3 ) 6. Zmieszano 175 cm 3 roztworu HClO 4 o stężeniu 0,05 mol/dm 3 i 325 cm 3 0,01 M roztworu HCl. Do otrzymanego roztworu dodano 0,560 g stałego KOH. Jakie było ph tak otrzymanego roztworu? Oblicz masę powstałego, nierozpuszczalnego osadu chloranu(vii) potasu. (Odp. ph = 2,40; m KClO4 = 1,212 g) 7. Oblicz, jaką objętość kwasu solnego o ph = 1,75 należy użyć celem zobojętnienia 100,0 mg równomolowej mieszaniny wodorotlenków sodu i wapnia. 8. 5,685 g mieszaniny zawierającej 24,68% wag. KOH i 75,32% wag. Ba(OH) 2 rozpuszczono w wodzie, otrzymując roztwór(i) o objętości 500 cm 3. Oblicz ph tego roztworu (załóż całkowitą dysocjację Ba(OH) 2 ) Jaką objętość 25% roztworu H 2 SO 4 (d = 1,18 g/cm 3 ) należy zużyć na zobojętnienie 20 cm 3 roztworu(i)? 4
Kwasy i zasady Brönsteda. Równowagi w roztworach słabych elektrolitów 1. Oblicz wartość stałej dysocjacji kwasu chlorowego(i)), jeżeli stopień dysocjacji 0,2000-molowego roztworu wynosi 4,3 10-4. (Odp. 3,6 10-8 ). 2. Gęstość 15,0%-owego wodnego roztworu HCN wynosi 1,15 kg/dm 3. Oblicz wartość ph tego roztworu oraz stopień dysocjacji kwasu cyjanowodorowego. pk a (HCN) = 9,40 (Odp. ph = 4,30; = 8 10-6 ) 3. Oblicz stopień dysocjacji kwasu dichlorooctowego o stężeniu 0,050 M. Przyjmij pk a = 1,48. (Odp. = 0,7) 4. Ustalono doświadczalnie, że ph 0,3%-owego roztworu zasady B, której masa cząsteczkowa jest równa 200, wynosi 12,58. Jaka jest wartość stałej dysocjacji K b tej zasady? Oblicz wartość stałej K a kwasu sprzężonego z tą zasadą. 5. Oblicz stężenie procentowe wagowe roztworu kwasu mrówkowego, którego gęstość d = 1,22 g/cm 3, a ph tego roztworu jest równe 1,82. Przyjmij pk a (HCOOH) = 3,75. (Odp. 4,86%) 6. Oblicz do jakiej objętości należy rozcieńczyć wodą 25,0 cm 3 roztworu kwasu octowego o ph = 3,00, aby wartość ph roztworu po rozcieńczeniu wzrosła o jednostkę. pk a (CH 3 COOH = 4,75) 7. 50,0 cm 3 1,00 M roztworu kwasu azotowego(iii) rozcieńczono do objętości 1,0 dm 3. Oblicz stężenia równowagowe jonów i cząsteczek w roztworze wyjściowym i w roztworze uzyskanym po jego rozcieńczeniu, oraz wartości ph tych roztworów. pk a (HNO 2 ) = 3,35. (Odp. ph wyjśc = 1,7; ph końc = 2,37) 8. Oblicz o ile zmieni się wartość ph 0,20 M roztworu chloranu(i) sodowego w wyniku jego 100-krotnego rozcieńczenia. pk a (HOCl) = 7,50 9. Oblicz wartość ph oraz stężenie HCN w roztworze KCN o stężeniu 0,1 mol/dm 3. pk a (HCN) = 9,40. (Odp. ph = 11,2; 1,58 10-3 M) 10. Wartość ph 0,100 M roztworu chlorowodorku pirydyny C 5 H 5 NH + Cl - wynosi 3,08. Oblicz wartość stałej K b pirydyny (Jon pirydyniowy C 5 H 5 NH + jest protonowaną formą słabej zasady jaką jest pirydyna C 5 H 5 N). (Odp. K b = 1,4 10-9 ) 5
Kwasy i zasady Brönsteda. Miszaniny mocnych i słabych elektrolitów, roztwory buforowe 1. Oblicz, jaką objętość 1,0 M roztworu HCl należy dodać do 200 cm 3 0,2 5 M roztworu CH 3 COOH, aby stężenie jonów octanowych zmalało dziesięciokrotnie. (Odp. 4,2 cm 3 ) 2. Do 1,0 dm 3 0,010 M roztworu kwasu azotowego(iii) dodano niewielką objętość stężonego roztworu HCl, otrzymując roztwór o ph = 1,70. Oblicz: a) pno 2 otrzymanego roztworu; b) stosunek stężeń jonów NO 2 w tych roztworach przed i po dodaniu HCl. (Odp. pno 2 = 3,65; [NO 2 - ] 1 /[NO 2 - ] 2 = 7,4) 3. Ile razy zmniejszy się stężenie jonów hydroniowych, jeżeli do 500 cm 3 roztworu kwasu mrówkowego o stężeniu 0,2 mol/dm 3 doda się 0,050 mol mrówczanu sodu? Pomiń zmianę objętości roztworu. (Odp. ok. 17 razy) 4. Przygotowano bufor amonowy, rozpuszczając 6,72 dm 3 gazowego NH 3 (objętość mierzona w warunkach normalnych) w 200 cm 3 0,3 M roztworu H 2 SO 4. Oblicz ph otrzymanego roztworu. 5. Do 50 cm 3 roztworu z zadania 4 dodano a) 1 cm 3 0,02 M roztworu HCl, b) (do innej porcji) 1 cm 3 0,02 M roztworu NaOH. Oblicz ph otzrymanych roztworów. 6. W objętości 80 cm 3 roztworu kwasu propionowego znajduje się 4 mmol tego kwasu. Oblicz ph tego roztworu dodaniu: a) 8,0 cm 3 ; b) 13,3 cm 3 ; c) 26,65 cm 3 0,15M roztworu NaOH. (Odp. ph = 6.05; 11.27; 11.65) 7. Do 50 cm 3 roztworu zawierającego 5 mmol metyloaminy dodano: a) 5,0 cm 3 ; b) 10,0 cm 3 ; c) 20,0 cm 3 0,25M roztworu HCl. d) 20,2 cm 3 Oblicz wartości ph otrzymywanych roztworów 6