Para trás para a frente

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Ao ensinar os alunos a resolver problemas computacionais em química, os professores enfrentam uma série de problemas.

• ao resolver um problema, os alunos não entendem a essência dos problemas e o curso de sua solução;
• não analise o conteúdo da tarefa;
• não determine a sequência de ações;
• usar incorretamente a linguagem química, as operações matemáticas e a designação de grandezas físicas, etc.;

Superar essas deficiências é um dos principais objetivos que o professor estabelece para si mesmo quando passa a ensinar como resolver problemas computacionais.

A tarefa do professor é ensinar os alunos a analisar as condições dos problemas, através da compilação de um esquema lógico para a resolução de um problema específico. Criar um diagrama de problema lógico evita muitos dos erros que os alunos cometem.

Lições objetivas:

• formação da capacidade de analisar a condição do problema;
• formação da capacidade de determinar o tipo de problema de cálculo, o procedimento para resolvê-lo;
• desenvolvimento de habilidades cognitivas, intelectuais e criativas.

Lições objetivas:

• dominar os métodos de resolução de problemas químicos usando o conceito de “fração de massa do rendimento do produto da reação do teórico”;
• desenvolver competências na resolução de problemas de cálculo;
• promover a assimilação de material relacionado aos processos produtivos;
• estimular o estudo aprofundado de questões teóricas, interesse em resolver problemas criativos.

Durante as aulas

Determinamos a causa e a essência da situação, que são descritas nas tarefas “na saída do produto do teórico”.

Em reações químicas reais, a massa do produto é sempre menor que a calculada. Por quê?

• Muitas reações químicas são reversíveis e nunca terminam.
• Os subprodutos são frequentemente formados durante a interação de substâncias orgânicas.
• Em reações heterogêneas, as substâncias não se misturam bem e algumas substâncias simplesmente não reagem.
• Parte das substâncias gasosas pode escapar.
• Quando a precipitação é obtida, parte da substância pode permanecer em solução.

Conclusão:

• a massa teórica é sempre maior que a prática;
• O volume teórico é sempre maior que o volume prático.

O rendimento teórico é de 100%, o rendimento prático é sempre inferior a 100%.

A quantidade de produto calculada de acordo com a equação da reação, o rendimento teórico, corresponde a 100%.

Fração de rendimento do produto de reação (- "etta") é a razão entre a massa da substância obtida e a massa que deveria ter sido obtida de acordo com o cálculo de acordo com a equação da reação.

Três tipos de tarefas com o conceito de “saída do produto”:

1. Missas são dadas material de início e produto de reação. Determine o rendimento do produto.

2. Dadas as massas material de início e sair produto da reação. Determine a massa do produto.

3. Dadas as massas produtos e sair produtos. Determine a massa do material de partida.

Tarefas.

1. Ao queimar ferro em um recipiente contendo 21,3 g de cloro, obteve-se 24,3 g de cloreto de ferro (III). Calcule o rendimento do produto da reação.

2. Hidrogênio foi passado sobre 16 g de enxofre quando aquecido. Determine o volume (N.O.) do sulfeto de hidrogênio resultante, se o rendimento do produto da reação for 85% do teoricamente possível.

3. Que volume de monóxido de carbono (II) foi tomado para reduzir o óxido de ferro (III), se 11,2 g de ferro foram obtidos com um rendimento de 80% do teoricamente possível.

Análise de tarefas.

Cada tarefa consiste em um conjunto de dados (substâncias conhecidas) - as condições da tarefa ("saída", etc.) - e uma pergunta (substâncias cujos parâmetros devem ser encontrados). Além disso, possui um sistema de dependências que conectam o desejado com os dados e os dados entre si.

Tarefas de análise:

1) revelar todos os dados;

2) identificar relações entre dados e condições;

3) identificar a relação entre os dados e o desejado.

Então, vamos descobrir:

1. De que substâncias estamos falando?

2. Que mudanças ocorreram com as substâncias?

3. Que quantidades são nomeadas na condição do problema?

4. Quais dados - práticos ou teóricos, são nomeados na condição do problema?

5. Quais dos dados podem ser usados ​​diretamente para calcular as equações de reação e quais precisam ser convertidos usando a fração de massa do rendimento?

Algoritmos para resolver problemas de três tipos:

Determinação do rendimento do produto em % do teoricamente possível.

1. Escreva a equação de uma reação química e organize os coeficientes.

2. Sob as fórmulas das substâncias, escreva a quantidade da substância de acordo com os coeficientes.

3. A massa obtida na prática é conhecida.

4. Determine a massa teórica.

5. Determine o rendimento do produto da reação (%) dividindo a massa prática pela teórica e multiplicando por 100%.

6. Anote a resposta.

Cálculo da massa do produto da reação se o rendimento do produto for conhecido.

1. Escreva “dado” e “encontre”, anote a equação, organize os coeficientes.

2. Encontre a quantidade teórica de substância para as substâncias iniciais. n=

3. Encontre a quantidade teórica da substância do produto da reação, de acordo com os coeficientes.

4. Calcule a massa ou volume teórico do produto da reação.

m = M * n ou V = V m * n

5. Calcule a massa ou volume prático do produto da reação (multiplique a massa teórica ou volume teórico pela fração de rendimento).

Cálculo da massa da substância inicial, se a massa do produto da reação e o rendimento do produto forem conhecidos.

1. A partir do volume ou massa prática conhecida, encontre o volume ou massa teórica (usando a fração de rendimento).

2. Encontre a quantidade teórica de substância para o produto.

3. Encontre a quantidade teórica de substância para a substância original, de acordo com os coeficientes.

4. Usando a quantidade teórica de uma substância, encontre a massa ou volume das substâncias iniciais na reação.

Trabalho de casa.

Resolver problemas:

1. Para a oxidação do óxido de enxofre (IV) tomou 112 l (n.o.) de oxigênio e recebeu 760 g de óxido de enxofre (VI). Qual é o rendimento do produto como uma porcentagem do teoricamente possível?

2. Na interação de nitrogênio e hidrogênio foram obtidos 95 g de amônia NH 3 com rendimento de 35%. Que volumes de nitrogênio e hidrogênio foram tomados para a reação?

3. 64,8 g de óxido de zinco foram reduzidos com excesso de carbono. Determine a massa do metal formado se o rendimento do produto da reação for de 65%.

A fórmula da função trabalho dos elétrons

Os metais contêm elétrons de condução que formam um gás de elétrons e participam do movimento térmico. Como os elétrons de condução são mantidos dentro do metal, portanto, próximo à superfície, existem forças atuando sobre os elétrons e direcionadas para dentro do metal. Para que um elétron deixe o metal além de seus limites, um certo trabalho A deve ser feito contra essas forças, que é chamado de função de trabalho do elétron do metal. Este trabalho, é claro, é diferente para diferentes metais.

A energia potencial de um elétron dentro de um metal é constante e igual a:

W p \u003d -eφ , onde j é o potencial do campo elétrico no interior do metal.

Quando um elétron passa pela camada de elétrons da superfície, a energia potencial diminui rapidamente pelo valor da função trabalho e se torna igual a zero fora do metal. A distribuição de energia de um elétron dentro de um metal pode ser representada como um poço de potencial.

Na interpretação considerada acima, a função trabalho de um elétron é igual à profundidade do poço de potencial, ou seja,

Uma saída \u003d eφ

Este resultado corresponde à teoria eletrônica clássica dos metais, na qual se assume que a velocidade dos elétrons em um metal obedece à lei de distribuição de Maxwell e é igual a zero na temperatura de zero absoluto. No entanto, na realidade, os elétrons de condução obedecem à estatística quântica de Fermi-Dirac, segundo a qual, no zero absoluto, a velocidade do elétron e, portanto, sua energia são diferentes de zero.

O valor máximo da energia que os elétrons têm no zero absoluto é chamado de energia de Fermi E F . A teoria quântica da condutividade dos metais, baseada nestas estatísticas, dá uma interpretação diferente da função trabalho. Função trabalho de um elétron de um metal é igual à diferença entre a altura da barreira de potencial eφ e a energia de Fermi.

A out \u003d eφ "- E F

onde φ" é o valor médio do potencial do campo elétrico no interior do metal.

Função de trabalho de mesa de elétrons de substâncias simples

Função de trabalho de mesa de elétrons de compostos inorgânicos

A tabela mostra os valores da função de trabalho dos elétrons relacionados a amostras policristalinas, cuja superfície foi limpa a vácuo por recozimento ou processamento mecânico. Dados insuficientemente confiáveis ​​são colocados entre colchetes.

Em química, o rendimento teórico é a quantidade máxima de produto que pode ser obtida de uma reação química. De fato, a maioria das reações não é ideal, ou seja, o rendimento prático do produto é sempre menor que o teórico. Para calcular a eficiência da reação, você precisa encontrar a porcentagem do rendimento do produto usando a fórmula: Rendimento (%) = (rendimento prático / rendimento teórico) x100. Se o rendimento percentual for de 90%, isso significa que a reação é 90% eficiente e 10% dos reagentes foram desperdiçados (eles não reagiram ou combinaram).

Passos

Parte 1

Encontrar massa molar cada material de partida. Determine a massa molar de cada átomo de uma substância e, em seguida, some as massas molares para calcular a massa molar de toda a substância. Faça isso para uma molécula de reagente.

Converta a massa de cada reagente de gramas para mols. Agora considere a reação que você está prestes a fazer. Registre a massa de cada reagente em gramas. Divida o valor resultante pela massa molar da substância para converter gramas para o número de moles.

Encontre a razão molar dos reagentes. Lembre-se de que um mol é uma quantidade que os químicos usam para "contar" moléculas. Você determinou o número de moléculas de cada substância inicial. Divida o número de mols de um reagente pelo número de mols do outro para encontrar a razão molar dos dois reagentes.

• Você tomou 1,25 mol de oxigênio e 0,139 mol de glicose. A proporção molar de oxigênio e glicose: 1,25 / 0,139 \u003d 9. Isso significa que existem 9 moléculas de oxigênio por 1 molécula de glicose.

1. Encontre a proporção ideal de reagentes. Volte para a equação balanceada que você anotou anteriormente. Usando esta equação, você pode determinar a proporção ideal de reagentes, ou seja, a proporção na qual ambas as substâncias serão consumidas simultaneamente.

   Compare as razões para encontrar o componente chave da reação. Em uma reação química, um reagente é consumido mais rapidamente que o outro. Tal reagente chave determina a velocidade de uma reação química. Compare as duas razões que você calculou para encontrar o reagente chave:

   • Se a razão molar for maior que a ideal, há muita substância no numerador da fração. Neste caso, a substância que está no denominador da fração é o reagente chave.
   • Se a razão molar for menor que a ótima, a substância que está no numerador da fração é muito pequena e é o reagente chave.
   • Em nosso exemplo, a razão molar (oxigênio/glicose = 9) é maior que a razão ótima (oxigênio/glicose = 6). Assim, a substância que está no denominador da fração (glicose) é o reagente chave.

   Parte 2

   Calcular o rendimento teórico do produto

   1. Determine os produtos da reação. Os produtos da reação estão listados no lado direito da equação química. Cada produto tem um rendimento teórico, ou seja, a quantidade de produto que seria obtida no caso de uma reação ideal.

      Anote o número de mols do reagente chave. O rendimento teórico do produto é igual à quantidade de produto que será obtida em condições ideais. Para calcular o rendimento teórico, comece com o número de moles do reagente chave (leia a seção anterior).

      • Em nosso exemplo, você descobriu que o reagente chave é a glicose. Você também calculou que tomou 0,139 moles de glicose.

   2. Encontre a razão entre as moléculas do produto e do reagente. Volte para a equação balanceada. Divida o número de moléculas do produto pelo número de moléculas reagentes-chave.

   3. Multiplique a razão resultante pela quantidade de reagente em mols. Isso lhe dará o rendimento teórico do produto (em moles).

      • Você tomou 0,139 moles de glicose, e a razão de dióxido de carbono para glicose é 6. O rendimento teórico de dióxido de carbono é: (0,139 mols de glicose) x (6 mols de dióxido de carbono/1 mol de glicose) = 0,834 mols de dióxido de carbono.

   4. Converta o resultado para gramas. Multiplique o número resultante de moles pela massa molar do produto para encontrar o rendimento teórico em gramas. Esta unidade de medida pode ser usada na maioria dos experimentos.

      • Por exemplo, a massa molar de CO 2 é aproximadamente 44 g/mol (massa molar de carbono ≈ 12 g/mol, massa molar de oxigênio ≈ 16 g/mol, então 12 + 16 + 16 = 44).
      • Multiplicar: 0,834 mol CO 2 x 44 g/mol CO 2 ≈ 36,7 g. O rendimento teórico do produto é 36,7 g CO 2 .

1. Determine a temperatura na qual a pressão parcial de equilíbrio de CO 2 na reação MgCO 3 (c) \u003d MgO (c) + CO 2 (g) é 10 4 Pa.

2. Determine a temperatura na qual a pressão parcial de equilíbrio de Cl 2 na reação PtCl 4 (c) \u003d PtCl 2 (c) + Cl 2 (g) é 10 2 Pa.

3. Determine a temperatura na qual a constante de equilíbrio K r reação CaCO 3 (c) \u003d CaO (c) + CO 2 (g) é igual a 1. Qual é a pressão parcial de equilíbrio de CO 2 neste caso?

4. Calcule a temperatura de decomposição térmica do sulfato de cobre CuSO 4 (c) \u003d CuO (c) + SO 3 (g), na qual a constante de equilíbrio K ré igual a 1. Qual é a pressão parcial de equilíbrio do SO 3 neste caso?

5. Calcule as concentrações de equilíbrio de todos os componentes da reação reversível CO(g) + H 2 O (g) \u003d H 2 (g) + CO 2 (g) a uma certa temperatura, se a constante de equilíbrio a essa temperatura K r= 1, a mistura inicial continha 44 g/l CO e 36 g/l H2O, e os produtos estavam ausentes. Encontre a temperatura na qual a constante de equilíbrio dessa reação é 1 usando os dados de referência.

6. Em uma mistura gasosa com concentrações iniciais (mol/l) de componentes de CO - 0,1; H2O - 0,5; CO2 - 0,05; H 2 - 0,05 ocorre uma reação química reversível CO (g) + H 2 O (g) \u003d H 2 (g) + CO 2 (g). esta reação a uma determinada temperatura, se o equilíbrio foi estabelecido quando a concentração de H 2 O foi de 0,45 mol/l.

7. Constante de equilíbrio K s reação N 2 (g) + 3H 2 (g) \u003d 2NH 3 (g) a uma certa temperatura é 0,5. Concentrações de equilíbrio (mol/l): H 2 - 0,1 e NH 3 - 0,05. Calcule as concentrações iniciais e de equilíbrio de nitrogênio supondo que o produto estava ausente no início da reação. Sugira condições para aumentar o rendimento de amônia. Como um aumento na pressão total afeta o deslocamento de equilíbrio de uma dada reação?

8. 30 g de hidrogênio e 64 g de nitrogênio são introduzidos em um reator de 100 l a uma certa temperatura. O equilíbrio veio quando metade de todo o hidrogênio reagiu de acordo com a reação N 2 (g) + 3H 2 (g) \u003d 2NH 3 (g). Calcule a constante de equilíbrio K s nesta temperatura. Quantos litros de nitrogênio, em condições normais, permaneceram na mistura de equilíbrio?

9. Para realizar a síntese de amônia pela reação N 2 (g) + 3H 2 (g) = 2NH 3 (g), foram tomados 2 mols de nitrogênio e 3 mols de hidrogênio. A reação foi realizada a pressão constante de 40 atm e temperatura de 500 K. Calcule a composição de equilíbrio da mistura e o rendimento de amônia.

10. Calcule a constante de equilíbrio da reação reversível 2NO(g) +

Cl 2 (g) = = 2NOCl(g) a uma certa temperatura, se 4 mols de NO e 2 mols de Cl 2 foram introduzidos em um reator de 10 litros, e 40% de óxido nítrico reagiu no momento em que o equilíbrio foi alcançado. Qual é o rendimento do produto da reação? Como um aumento na temperatura e na pressão total afetará o rendimento do produto da reação, se a reação for exotérmica?

11. Em um reator de 10 l a temperatura constante, uma reação química reversível ocorre de acordo com a equação 2SO 2 (g) + O 2 (g) = 2SO 3 (g). Calcule a constante de equilíbrio K s dessa reação, se a mistura inicial continha 2 mols de SO 2 e 2 mols de O 2 , o produto estava ausente e, quando o equilíbrio foi estabelecido, 10% da quantidade inicial de SO 2 permaneceu no sistema. Qual é o rendimento do produto da reação?

12. Escreva uma expressão para a constante de equilíbrio K s reações 2SO 2 (g) + O 2 (g) \u003d 2SO 3 (g). Calcule a constante de equilíbrio desta reação a uma certa temperatura, se as concentrações de equilíbrio (mol/l) forem: SO 2 - 0,02; O2 - 0,1; SO 3 - 0,06. Quais são as concentrações iniciais de SO 2 e O 2 se não houver produto da reação? Como um aumento na temperatura e uma diminuição na pressão total afetarão o deslocamento no equilíbrio dessa reação?

13. A reação 2SO 2 (g) + O 2 (g) \u003d 2SO 3 (g) é realizada a uma pressão constante de 1 atm e uma temperatura de 800 K. Encontre a composição de equilíbrio da mistura de gases na composição inicial: a) SO 2 - 2 mol, O 2 - 1 mol; b) SO 2 - 4 mol,

O2-2 mol; o produto está em falta. Como a composição inicial afeta o rendimento desse produto de reação?

14. A constante de equilíbrio da reação H 2 (g) + I 2 (g) \u003d 2HI (g) a uma certa temperatura é 10. Calcule a concentração de equilíbrio de HI se as concentrações iniciais de H 2 e I 2 fossem iguais a 0,4 e 0,5 mol/l respectivamente, e os produtos estavam ausentes no momento inicial.

15. Equilíbrio químico de alguma reação homogênea A(r) +

V(g)= 2D(g) foi estabelecido nas seguintes concentrações de reagentes (mol/l): com A = 0,02; com B = 0,08; com D = 0,04. 0,2 mol/l da substância A foi adicionado ao sistema de equilíbrio sem alterar o volume. Calcule as novas concentrações de equilíbrio das substâncias e a energia de Helmholtz padrão desta reação se a reação foi realizada a uma temperatura constante de 450 K. O que é K r esta reação a esta temperatura?

16. Ao misturar os gases A e B no sistema A (g) + B (g) \u003d C (g) + D (g), o equilíbrio foi estabelecido nas seguintes concentrações: com A = 0,5 mol/le com C \u003d 0,2 mol / l. Constante de equilíbrio K sé igual a 4 . 10-2. Encontre as concentrações iniciais das substâncias A e B, desde que os produtos estejam ausentes. Qual é o rendimento dos produtos da reação?

17. O sistema original com um volume de 1 l consistia em 27,5 g de PCl 3 e 28,4 g de Cl 2 . O equilíbrio da reação PCl 3 (g) + Cl 2 (g) = PCl 5 (g) foi estabelecido quando restaram 15,68 g de cloro. Calcule a constante de equilíbrio e as concentrações de equilíbrio de todos os componentes. Determine a temperatura na qual a constante de equilíbrio é igual ao valor encontrado, usando dados de referência. Como uma mudança na pressão total e na temperatura afeta a mudança no equilíbrio neste sistema?

18. A mistura inicial consistia de N 2 e H 2 gasosos com as mesmas pressões parciais. Quando o equilíbrio N 2 (g) + 3H 2 (g) = 2NH 3 (g) foi estabelecido, a pressão de hidrogênio diminuiu pela metade. Quantas vezes a pressão total no sistema diminuiu em relação à inicial?

19. Metanol líquido CH3OH e oxigênio gasoso são introduzidos em um recipiente fechado. Como resultado da reação 2CH 3 OH (l) + 3O 2 (g) = 2CO 2 (g) + + 2H 2 O (l), no momento em que o equilíbrio foi alcançado, a pressão parcial de oxigênio diminuiu 2 vezes. Quantas vezes a pressão total no sistema mudou em relação à inicial?

20. Calcule a constante de equilíbrio K r reação A(g) = B(g) + E(g) a 500 K, se a 400 K é 50. O efeito térmico da reação nesta faixa de temperatura pode ser considerado constante, igual a -150 kJ. O que é igual a K s esta reação nestas temperaturas?

21. Para a reação N 2 (g) + 3H 2 (g) = 2NH 3 (g), os valores são conhecidos K r a duas temperaturas: a 400 K K r= 51,23, a 500 K K r= 0,2. Calcule todas as outras funções termodinâmicas dessa reação, desprezando a dependência da entalpia e da entropia da reação com a temperatura.

22. Para a reação N 2 O 4 (g) = 2NO 2 (g), os valores são conhecidos K r a duas temperaturas: a 298 K K r= 0,15, a 400 K K r= 54,66. Calcule todas as outras funções termodinâmicas dessa reação, desprezando a dependência da entalpia e da entropia da reação com a temperatura.

23. Para a reação CaCO 3 (c) = CaO (c) + CO 2 (g), os valores são conhecidos K r a duas temperaturas: a 900 K K r= 0,011, a 1100 K K r= 0,84. Calcule todas as outras funções termodinâmicas dessa reação, desprezando a dependência da entalpia e da entropia da reação com a temperatura.

24. A reação A(g) + B(g) = 2H(g) é realizada a pressão constante R 0 =

10 atm. Calcule a composição de equilíbrio da mistura de reação a uma certa temperatura se a constante de equilíbrio for K r a esta temperatura é 5, e os números iniciais de moles dos reagentes eram iguais a n A-1; n B - 2; n H - 0. Quais são os graus de conversão das substâncias A e B e o rendimento do produto?

25. A reação A(g) + B(k) = 2H(g) é realizada a pressão constante R 0 =

2 atm. Escreva uma expressão para a constante de equilíbrio K r. Calcule a composição de equilíbrio da mistura de reação a uma certa temperatura se a constante de equilíbrio for K r a esta temperatura é 4, e os números iniciais de moles dos reagentes eram iguais a n A-2; n B - 4; n H - 0. Qual é o grau de conversão da substância B e o rendimento do produto H?

26. Expresse a constante de equilíbrio K r, mudança na energia de Gibbs ∆ r G 0 , variação de entalpia ∆ r H 0 e entropia ∆ r S 0 reações de CO 2 (g) + C (c) \u003d 2CO (g) através das mesmas características das reações C (c) + O 2 (g) \u003d CO (g) e

2CO (g) + O 2 (g) \u003d 2CO 2 (g).

27. Determine em qual das reações C (c) + O 2 (g) \u003d CO 2 (g) ou MgCO 3 (c) \u003d \u003d MgO (c) + CO 2 (g) o efeito da temperatura no equilíbrio deslocamento (na constante de equilíbrio) haverá mais.

28. Calcule a constante de equilíbrio K r a 1500 K reação

2CO 2 (g) \u003d 2CO (g) + O 2 (g), se a 1000 K K r = 3,7 . 10-16. (Considere o efeito térmico da reação independente da temperatura.)

29. As equações termoquímicas para várias reações são dadas abaixo. Preveja em que direção o equilíbrio se deslocará nesses sistemas: a) com o aumento da temperatura; b) com um aumento na pressão total:

CH 4 (g) + CO 2 (g) \u003d 2CO (g) + 2H 2 (g) ∆H> 0;

2CO (g) \u003d CO 2 (g) + C (c) ∆H< 0;

MgCO 3 (c) \u003d MgO (c) + CO 2 (g) ∆H\u003e 0;

2HCl(g) = H 2 (g) + Cl 2 (g) ∆H > 0;

2H 2 O(g) = 2H 2 (g) + O 2 (g) ∆H > 0;

NH 3 (g) + HCl (g) \u003d NH 4 Cl (c) ∆H< 0;

C 2 H 5 OH (g) \u003d C 2 H 4 (g) + H 2 O (g) ∆H\u003e 0;

2C(c) + 3H 2 (g) = C 2 H 6 (g) ∆H< 0;

N 2 (g) + O 2 (g) = 2NO(g) ∆H > 0.

Escreva expressões para constantes de equilíbrio K r essas reações.