В окне печати выберите «Сохранить как PDF», чтобы сохранить копию на своём устройстве.
1Формулы и методы
Стехиометрия
Моли
n = m/M
Концентрация
c = n/V
Мольное соотношение
используйте стехиометрические коэффициенты уравнения реакции
Лимитирующий реагент
тот, что заканчивается первым
Выход в процентах
фактический / теоретический × 100%
Метод
Запишите и уравняйте химическое уравнение.
Переведите данную массу в моли: n = m/M.
Используйте коэффициенты как мольное отношение, чтобы найти количество нужного вещества в молях.
Переведите обратно в массу по m = n·M. Если реагентов два, сначала найдите лимитирующий реагент.
Молярная концентрация и разбавление
Молярная концентрация
c = n/V (mol/L)
Моли
n = m/M
Разбавление
c1V1 = c2V2
Смешение
c = (c1V1 + c2V2)/(V1 + V2)
Метод
Переведите массу в моли по n = m/M.
Переведите объём в литры.
Молярная концентрация c = n/V в mol/L.
При разбавлении количество вещества не меняется: c₁V₁ = c₂V₂.
Уравнение состояния идеального газа
Уравнение состояния идеального газа
pV = nRT
Газовая постоянная
R = 8,314 J/(mol·K)
Объединённый газовый закон
p1V1/T1 = p2V2/T2
Моли
n = m/M
Температура
T[K] = T[°C] + 273,15
Калориметрия и энтальпия
Теплота
q = m·c·ΔT
Вода
c = 4,18 J/(g·°C)
Калориметр
отданная теплота = полученная теплота
Энтальпия реакции
ΔH° = ΣΔH°f(products) − ΣΔH°f(reactants)
Химическое равновесие
Константа равновесия
Kc = [C]c[D]d/([A]a[B]b)
Таблица ICE
Исходное (Initial), изменение (Change, ×коэффициент), равновесие (Equilibrium)
Квадратное уравнение
x = (−b + √(b² − 4ac))/(2a)
Метод
Запишите Kc как произведение концентраций продуктов, делённое на произведение концентраций реагентов, каждая в степени своего коэффициента.
Составьте таблицу ICE: исходное, изменение (с шагом x, умноженным на коэффициенты), равновесие.
Подставьте равновесные выражения в Kc и найдите x.
Проверьте, достаточно ли мало x для приближения; иначе решите квадратное уравнение.
pH и буферы
pH
pH = −log[H⁺]
pOH
pOH = −log[OH⁻], pH + pOH = 14
Слабая кислота
[H⁺] ≈ √(Ka·c)
Буфер
pH = pKa + log([A⁻]/[HA])
Разбавление
c1V1 = c2V2
Метод
Определите, сильная ли кислота или основание (диссоциирует полностью) или слабая.
Сильная кислота: [H⁺] равна её концентрации. Сильное основание: сначала найдите [OH⁻].
Слабая кислота: решите Ka = x²/(c − x) относительно x = [H⁺].
pH = −log[H⁺], и pH + pOH = 14 при 25 °C.
Химическая кинетика
Первый порядок
ln(CA/CA0) = −kt
Период полупревращения (первый порядок)
t½ = ln 2/k
Второй порядок
1/CA = 1/CA0 + kt
Аррениус
k = A·e−Ea/(RT)
Две температуры
ln(k2/k1) = (Ea/R)(1/T1 − 1/T2)
2Тренировочные задачи
1.СтехиометрияСредняя
24 g Fe2O3 и 48 g CO реагируют по уравнению Fe2O3 + 3CO → 2Fe + 3CO2. Какая масса m вещества Fe может образоваться?
M(Fe2O3) = 159,69M(CO) = 28,01M(Fe) = 55,85 g/mol
m = g
2.СтехиометрияСложная
В реакции N2 + 3H2 → 2NH3 6 g N2 реагирует полностью (остальные реагенты в избытке), и собирают 6,86 g NH3. Найдите выход в процентах Y.
M(N2) = 28,02 g/molM(NH3) = 17,03 g/molфактический: 6,86 g
Y = %
3.Молярная концентрация и разбавлениеСредняя
Нужно 100 mL раствора с концентрацией 0,3 mol/L, а в наличии есть исходный раствор с концентрацией 3 mol/L. Какой объём V1 исходного раствора нужен?
c1 = 3 mol/Lc2 = 0,3 mol/LV2 = 100 mL
V1 = mL
4.Молярная концентрация и разбавлениеСложная
150 mL раствора с концентрацией 0,4 mol/L смешивают с 500 mL раствора того же вещества с концентрацией 0,1 mol/L. Найдите концентрацию c смеси (объёмы аддитивны).
Брусок массой 50 g (материал: железо, c = 0,449 J/(g·°C)) при температуре 100 °C опускают в 150 g воды (c = 4,18 J/(g·°C)) при 19 °C в теплоизолированном стакане. Найдите конечную температуру Tf.
По стандартным энтальпиям образования найдите теплоту q, выделяющуюся при полном сгорании 20 g C6H12O6 (M = 180,16 g/mol): C6H12O6 + 6O₂ → 6CO₂ + 6H₂O(l). Укажите q положительным числом.
В сосуд помещают 0,4 mol/L H₂ и 0,4 mol/L I₂, и они реагируют: H₂ + I₂ ⇌ 2HI, Kc = 54. Найдите равновесную концентрацию [HI].
[H₂]₀ = [I₂]₀ = 0,4 mol/LKc = 54
[HI] = mol/L
10.Химическое равновесиеСложная
PCl₅ разлагается: PCl₅ ⇌ PCl₃ + Cl₂, Kc = 0,01 при температуре реакции. Вначале в сосуде есть только PCl₅ с концентрацией 0,2 mol/L. Найдите равновесную концентрацию [Cl2].
Буфер содержит 0,2 mol/L вещества «муравьиная кислота» и 0,15 mol/L его натриевой соли. Ka = 0,00018. Найдите pH pH буфера.
[HA] = 0,2[A⁻] = 0,15Ka = 0,00018
pH =
13.Химическая кинетикаСредняя
В реакции первого порядка концентрация A уменьшается с 1,2 mol/L до 0,84 mol/L за 40 min. Найдите константу скорости k.
CA0 = 1,2 mol/LCA = 0,84 mol/Lt = 40 min
k = min⁻¹
14.Химическая кинетикаСложная
В двух опытах измерена начальная скорость реакции A → продукты. При CA0 = 0,2 mol/L скорость равна 0,002 mol/(L·s); при CA0 = 0,6 mol/L — 0,054 mol/(L·s). Найдите порядок реакции n по A.
Стехиометрия: уравненное уравнение считает частицы, а не граммы. Переведите массу в моли по n = m/M, используйте коэффициенты уравнения как мольное соотношение, затем вернитесь к массе: m = n·M. Если реагентов два, лимитирующий реагент — тот, что заканчивается первым и определяет количество продукта.
Количество вещества каждого реагента
n(Fe2O3) = 24/159,69 = 0,1503 mol
n(CO) = 48/28,01 = 1,714 mol
Лимитирующий реагент
0,1503/1 = 0,1503, 1,714/3 = 0,5712 → Fe2O3
Масса продукта
n(Fe) = 0,1503·2 = 0,3006 mol
m = 0,3006·55,85 = 16,79 g
Ответ
m = 16,79 g
2.Стехиометрия
Ответ: Y = 94,06 %
Стехиометрия: уравненное уравнение считает частицы, а не граммы. Переведите массу в моли по n = m/M, используйте коэффициенты уравнения как мольное соотношение, затем вернитесь к массе: m = n·M. Если реагентов два, лимитирующий реагент — тот, что заканчивается первым и определяет количество продукта.
Теоретический выход
n(N2) = 6/28,02 = 0,2141 mol
m = 0,2141·2/1·17,03 = 7,293 g
Выход в процентах
Y = 6,86/7,293·100 = 94,06%
Ответ
Y = 94,06%
3.Молярная концентрация и разбавление
Ответ: V1 = 10 mL
Молярная концентрация: концентрация c = n/V в mol/L, где n = m/M. При разбавлении добавляют растворитель, но не растворённое вещество, поэтому количество вещества не меняется: c₁·V₁ = c₂·V₂. При смешивании двух растворов одного и того же вещества количества вещества складываются, как и объёмы.
Объём исходного раствора
V1 = c2·V2/c1 = 0,3·100/3 = 10 mL
Ответ
V1 = 10 mL
4.Молярная концентрация и разбавление
Ответ: c = 0,1692 mol/L
Молярная концентрация: концентрация c = n/V в mol/L, где n = m/M. При разбавлении добавляют растворитель, но не растворённое вещество, поэтому количество вещества не меняется: c₁·V₁ = c₂·V₂. При смешивании двух растворов одного и того же вещества количества вещества складываются, как и объёмы.
Общее количество вещества
n = 0,4·150 + 0,1·500 = 110 mmol
Концентрация смеси
c = 110/650 = 0,1692 mol/L
Ответ
c = 0,1692 mol/L
5.Уравнение состояния идеального газа
Ответ: P = 3081 kPa
Уравнение состояния идеального газа: PV = nRT, где n = m/M.
Моли
n = m/M = 380/28,01 = 13,57 mol
T = 0 + 273,15 = 273,1 K
Давление
P = nRT/V = 13,57·8,314·273,1/0,01 = 3081 kPa
Ответ
P = 3081 kPa
6.Уравнение состояния идеального газа
Ответ: ρ = 2,28 kg/m³
Плотность идеального газа: ρ = PM/(RT).
Преобразуйте газовый закон
PV = (m/M)RT → ρ = m/V = PM/(RT)
T = 150 + 273,15 = 423,1 K
Плотность
ρ = 500·16,04/(8,314·423,1) = 2,28 kg/m³
Ответ
ρ = 2,28 kg/m³
7.Калориметрия и энтальпия
Ответ: Tf = 21,8 °C
Теплота и энтальпия: для нагревания вещества нужна теплота q = m·c·ΔT. В калориметре теплота, отданная горячим телом, равна теплоте, полученной холодным. Изменение энтальпии реакции находят по энтальпиям образования: ΔH° = ΣΔH°f(продукты) − ΣΔH°f(реагенты), каждая умножается на свой коэффициент.
Тепловой баланс
50·0,449·(100 − Tf) = 150·4,18·(Tf − 19)
Выразите конечную температуру
Tf = (22,45·100 + 627·19)/(22,45 + 627) = 21,8 °C
Ответ
Tf = 21,8 °C
8.Калориметрия и энтальпия
Ответ: q = 311 kJ
Теплота и энтальпия: для нагревания вещества нужна теплота q = m·c·ΔT. В калориметре теплота, отданная горячим телом, равна теплоте, полученной холодным. Изменение энтальпии реакции находят по энтальпиям образования: ΔH° = ΣΔH°f(продукты) − ΣΔH°f(реагенты), каждая умножается на свой коэффициент.
Химическое равновесие: для реакции aA + bB ⇌ cC + dD константа равновесия Kc = [C]c[D]d/([A]a[B]b), где берутся равновесные концентрации. Таблица ICE (исходное, изменение, равновесие) связывает начальные количества с равновесными через одно неизвестное x, умноженное на коэффициенты.
Химическое равновесие: для реакции aA + bB ⇌ cC + dD константа равновесия Kc = [C]c[D]d/([A]a[B]b), где берутся равновесные концентрации. Таблица ICE (исходное, изменение, равновесие) связывает начальные количества с равновесными через одно неизвестное x, умноженное на коэффициенты.
Выражение константы равновесия
0,01 = x²/(0,2 − x) → x² + 0,01·x − 0,002 = 0
Решите квадратное уравнение
x = (−0,01 + √(0,01² + 4·0,002))/2 = 0,04 mol/L
Равновесная концентрация
[Cl₂] = x = 0,04 mol/L
Ответ
[Cl2] = 0,04 mol/L
11.pH и буферы
Ответ: pH = 3,912
pH: pH = −log₁₀[H₃O⁺] и pOH = −log₁₀[OH⁻], причём pH + pOH = 14 при 25 °C. Сильные кислоты и основания диссоциируют полностью. Слабая кислота — лишь частично: Ka = x²/(c − x), где x = [H₃O⁺]. Буфер из слабой кислоты и сопряжённого основания подчиняется уравнению Хендерсона–Хассельбаха: pH = pKa + log([A⁻]/[HA]).
Равновесие
HA ⇌ H⁺ + A⁻: диссоциирует x mol/L кислоты.
Ka = x²/(0,5 − x) → x = 0,0001225 mol/L
pH
pH = −log(0,0001225) = 3,912
Ответ
pH = 3,912
12.pH и буферы
Ответ: pH = 3,62
pH: pH = −log₁₀[H₃O⁺] и pOH = −log₁₀[OH⁻], причём pH + pOH = 14 при 25 °C. Сильные кислоты и основания диссоциируют полностью. Слабая кислота — лишь частично: Ka = x²/(c − x), где x = [H₃O⁺]. Буфер из слабой кислоты и сопряжённого основания подчиняется уравнению Хендерсона–Хассельбаха: pH = pKa + log([A⁻]/[HA]).
pKa
pKa = 3,745
Хендерсон–Хассельбах
pH = 3,745 + log(0,15/0,2) = 3,62
Ответ
pH = 3,62
13.Химическая кинетика
Ответ: k = 0,008917 min⁻¹
Integrated rate laws: zero order: C = C₀ − kt (straight line, t½ = C₀/(2k)); first order: ln(C₀/C) = kt (t½ = ln 2/k); second order: 1/C − 1/C₀ = kt (t½ = 1/(kC₀)). Conversion X means C = C₀(1 − X).
Интегральное уравнение первого порядка
k = ln(CA0/CA)/t = ln(1,2/0,84)/40 = 0,3567/40 = 0,008917 min⁻¹
Ответ
k = 0,008917 min⁻¹
14.Химическая кинетика
Ответ: n = 3
Метод начальных скоростей: для r = k·Cⁿ сравнение двух опытов, различающихся только начальной концентрацией, исключает k: r₂/r₁ = (C₂/C₁)ⁿ. Удвоение C удваивает скорость при первом порядке и учетверяет её при втором.