Решение задачи из Билета №27 по аналитической химии

Вот решения задач и ответы на вопросы из Билета № 27, оформленные так, чтобы было удобно переписать в тетрадь. Билет № 27 I. Теоретические основы аналитической химии 1. Рассчитать сколько моль KOH содержится в 500 мл раствора, pH которого равен 11. Решение: Дано: Объем раствора \(V = 500 \text{ мл} = 0,5 \text{ л}\) pH раствора \( = 11\) Найти: Количество моль KOH \(n(\text{KOH})\) 1. Так как pH раствора равен 11, то это щелочной раствор. Мы можем найти pOH: \[\text{pOH} = 14 - \text{pH}\] \[\text{pOH} = 14 - 11 = 3\] 2. Зная pOH, мы можем найти концентрацию гидроксид-ионов \([\text{OH}^-]\): \[[\text{OH}^-] = 10^{-\text{pOH}}\] \[[\text{OH}^-] = 10^{-3} \text{ моль/л}\] 3. KOH является сильным основанием и полностью диссоциирует в воде: \[\text{KOH} \rightarrow \text{K}^+ + \text{OH}^-\] Следовательно, концентрация KOH равна концентрации \([\text{OH}^-]\): \[C(\text{KOH}) = [\text{OH}^-] = 10^{-3} \text{ моль/л}\] 4. Теперь мы можем найти количество моль KOH: \[n(\text{KOH}) = C(\text{KOH}) \times V\] \[n(\text{KOH}) = 10^{-3} \text{ моль/л} \times 0,5 \text{ л}\] \[n(\text{KOH}) = 0,0005 \text{ моль}\] Ответ: В 500 мл раствора содержится 0,0005 моль KOH. 2. Рассчитать pH раствора, в 5 л которого содержится 0,185 г HCl. Решение: Дано: Объем раствора \(V = 5 \text{ л}\) Масса HCl \(m(\text{HCl}) = 0,185 \text{ г}\) Найти: pH раствора 1. Найдем молярную массу HCl: \[M(\text{HCl}) = M(\text{H}) + M(\text{Cl}) = 1,008 \text{ г/моль} + 35,453 \text{ г/моль} \approx 36,46 \text{ г/моль}\] 2. Найдем количество моль HCl: \[n(\text{HCl}) = \frac{m(\text{HCl})}{M(\text{HCl})}\] \[n(\text{HCl}) = \frac{0,185 \text{ г}}{36,46 \text{ г/моль}} \approx 0,00507 \text{ моль}\] 3. Найдем молярную концентрацию HCl: \[C(\text{HCl}) = \frac{n(\text{HCl})}{V}\] \[C(\text{HCl}) = \frac{0,00507 \text{ моль}}{5 \text{ л}} \approx 0,001014 \text{ моль/л}\] 4. HCl является сильной кислотой и полностью диссоциирует в воде: \[\text{HCl} \rightarrow \text{H}^+ + \text{Cl}^-\] Следовательно, концентрация ионов водорода \([\text{H}^+]\) равна концентрации HCl: \[[\text{H}^+] = C(\text{HCl}) = 0,001014 \text{ моль/л}\] 5. Рассчитаем pH раствора: \[\text{pH} = -\log[\text{H}^+]\] \[\text{pH} = -\log(0,001014) \approx 2,99\] Ответ: pH раствора равен примерно 2,99. 3. Общий механизм реакций окисления-восстановления. Индикаторы. Стандартный окислительно-восстановительный потенциал. Уравнение Нернста. Ответ: Общий механизм реакций окисления-восстановления (ОВР): Окислительно-восстановительные реакции – это химические реакции, в которых происходит изменение степеней окисления атомов элементов, входящих в состав реагирующих веществ. * Окисление – это процесс отдачи электронов атомом, ионом или молекулой, при этом степень окисления элемента повышается. Вещество, которое окисляется, называется восстановителем. * Восстановление – это процесс присоединения электронов атомом, ионом или молекулой, при этом степень окисления элемента понижается. Вещество, которое восстанавливается, называется окислителем. * Окислитель – это вещество, которое принимает электроны и при этом восстанавливается. * Восстановитель – это вещество, которое отдает электроны и при этом окисляется. В любой ОВР одновременно протекают два взаимосвязанных процесса: окисление и восстановление. Индикаторы: В аналитической химии индикаторы – это вещества, которые изменяют свой цвет или другие свойства (например, флуоресценцию) при достижении определенной точки в химической реакции, например, в точке эквивалентности при титровании. * В кислотно-основном титровании индикаторы изменяют цвет в зависимости от pH среды (например, фенолфталеин, метилоранж). * В окислительно-восстановительном титровании (редокс-титровании) индикаторы изменяют цвет при изменении окислительно-восстановительного потенциала раствора (например, дифениламин, ферроин). Стандартный окислительно-восстановительный потенциал (\(E^\circ\)): Стандартный окислительно-восстановительный потенциал (или стандартный электродный потенциал) – это электродный потенциал полуреакции (окисления или восстановления), измеренный при стандартных условиях: температура 25 °C (298 K), концентрация всех ионов 1 моль/л, парциальное давление всех газов 1 атмосфера (или 101,325 кПа). Он измеряется относительно стандартного водородного электрода, потенциал которого условно принят за ноль. Стандартный потенциал характеризует относительную способность вещества быть окислителем или восстановителем. Уравнение Нернста: Уравнение Нернста связывает электродный потенциал \(E\) с концентрациями (или активностями) реагентов и продуктов реакции, а также со стандартным электродным потенциалом \(E^\circ\). Оно позволяет рассчитать потенциал электрода при нестандартных условиях. Для общей полуреакции: \[a\text{Ох} + n\text{e}^- \rightleftharpoons b\text{Ред}\] Уравнение Нернста имеет вид: \[E = E^\circ - \frac{RT}{nF} \ln \frac{[\text{Ред}]^b}{[\text{Ох}]^a}\] или, при 25 °C (298 K) и переходе к десятичному логарифму: \[E = E^\circ - \frac{0,0592}{n} \log \frac{[\text{Ред}]^b}{[\text{Ох}]^a}\] Где: * \(E\) – электродный потенциал при данных условиях, В * \(E^\circ\) – стандартный электродный потенциал, В * \(R\) – универсальная газовая постоянная (8,314 Дж/(моль·К)) * \(T\) – абсолютная температура, К * \(n\) – число электронов, участвующих в полуреакции * \(F\) – число Фарадея (96485 Кл/моль) * \([\text{Ох}]\) и \([\text{Ред}]\) – молярные концентрации (или активности) окисленной и восстановленной форм соответственно * \(a\) и \(b\) – стехиометрические коэффициенты. 4. Молярная растворимость сульфата кальция в воде (\(K_s^\circ\)) рассчитывается по формуле: Ответ: Сульфат кальция \(\text{CaSO}_4\) диссоциирует в воде следующим образом: \[\text{CaSO}_4(\text{тв}) \rightleftharpoons \text{Ca}^{2+}(\text{водн}) + \text{SO}_4^{2-}(\text{водн})\] Если молярная растворимость \(\text{CaSO}_4\) равна \(S\), то в насыщенном растворе концентрация ионов \(\text{Ca}^{2+}\) будет \(S\), и концентрация ионов \(\text{SO}_4^{2-}\) также будет \(S\). Произведение растворимости \(K_s^\circ\) (или \(K_{sp}\)) для \(\text{CaSO}_4\) выражается как: \[K_s^\circ = [\text{Ca}^{2+}][\text{SO}_4^{2-}]\] Подставляя \(S\): \[K_s^\circ = S \times S = S^2\] Отсюда молярная растворимость \(S\) будет: \[S = \sqrt{K_s^\circ}\] Среди предложенных вариантов, правильным является: б) \(\sqrt{K_s^\circ(\text{CaSO}_4)}\) II. Качественный анализ 1. Групповым реагентом на анионы I аналитической группы является... а) раствор хлорида натрия; б) раствор хлорида бария в кислой среде; в) раствор хлорида бария в нейтральной или слабощелочной среде; г) раствор нитрата серебра в кислой среде. Ответ: в) раствор хлорида бария в нейтральной или слабощелочной среде. (Анионы I аналитической группы включают \(\text{SO}_4^{2-}\), \(\text{SO}_3^{2-}\), \(\text{CO}_3^{2-}\), \(\text{PO}_4^{3-}\), \(\text{AsO}_4^{3-}\), \(\text{AsO}_3^{3-}\), \(\text{CrO}_4^{2-}\), \(\text{SiO}_3^{2-}\) и другие, которые образуют осадки с ионами бария в нейтральной или слабощелочной среде.) 2. Антипирин применяется для обнаружения анионов... а) \(\text{SO}_4^{2-}\); б) \(\text{NO}_3^{-}\); в) \(\text{Cl}^{-}\); г) \(\text{NO}_2^{-}\). Ответ: б) \(\text{NO}_3^{-}\). (Антипирин используется для обнаружения нитрат-ионов, образуя с ними окрашенные соединения.) 3. Реакция с гексацианоферратом(II) калия происходит с ионами... а) меди(II); б) железа(III); в) железа(II); г) хрома(III). Ответ: б) железа(III). (Гексацианоферрат(II) калия \(\text{K}_4[\text{Fe(CN)}_6]\) реагирует с ионами железа(III) \(\text{Fe}^{3+}\), образуя ярко-синий осадок, известный как берлинская лазурь \(\text{Fe}_4[\text{Fe(CN)}_6]_3\). С ионами железа(II) он образует белый осадок, который быстро окисляется на воздухе до синего.) 4. Ионы меди окрашивают пламя в ..... цвет. а) красный; б) зеленый; в) фиолетовый; г) желтый. Ответ: б) зеленый. (Ионы меди при внесении в пламя придают ему характерный зеленый цвет.)