Методика решения задач по теоретическим основам химической технологии

--PAGE_BREAK--Выбирая задачу для учащихся, учитель обязан оценить ее с точки зрения следующих целей.
1. Какие понятия, законы, теории, факты должны быть закреплены в процессе решения, какие стороны свойств изучаемого вещества и химические реакции отмечены в процессе решения.
2. Какие приемы решения задачи должны быть сформированы.
3. Какие мыслительные приемы развиваются в процессе решения задачи.
4. Какие дидактические функции выполняют данные задачи.
Психологические исследования проблемы обучения решению задач показывают, что несформированность умений является следствием причин, которые обучающиеся просто не принимают во внимание. Природа внимания у учащихся такова, что они не способны долго концентрировать его на данном предмете. Зачастую длительное решение однотипных задач приводит к тому, что учащиеся решают новую предложенную задачу по тому старому образцу, который предложен преподавателем и не пытаются сделать это нестандартными способами, по-своему, не замечая, что ситуация в целом изменилась. Решая задачу, не осознают должным образом свою собственную деятельность, т.е. не понимают сущности задач и хода их решения. Не всегда анализируют содержание задачи, проводят ее осмысление и обоснование. Не вырабатывают общие подходы к решению, не определяют последовательности действий. Часто неправильно используют химический язык, математические действия и обозначения физических величин. На первое место при решении задач ставятся получение ответа любым действием, а не объяснение хода решения. При решении химической задачи не выделяют ее химическую часть и математические действия. Не задают цель проверить правильность результата не по ответу в задачнике, а решение обратной задачи или другим способом. Не вырабатывают понимания определенной системы задач, и они представляются бесформенным скоплением различных типов, видов, не связанных друг с другом. Для тех, кто сможет преодолеть эти недостатки, решение задач не будет вызывать особых трудностей. Процесс решения станет увлекательным, и будет приносить удовлетворение, подобно тому, которое получают любители разгадывания кроссвордов.
Умение решать задачи развивается в процессе обучения, и развивать это умение можно только одним путем – постоянно систематически решать задачи!
Поэтому, если ставится цель – закрепление теоретического материала, то метод решения задач должен быть уже известен учащимся. Если объясняется новый тип задач по методу решения, то учащиеся должны свободно оперировать учебным материалом. Одновременно обе цели ставить не рекомендуется [38].
Учитель активизирует знания учащихся, которые используются при решении задач. Затем приводится анализ условия задачи. Учитель кратко его записывает с помощью символов и условных обозначений. Далее разрабатывают план решения и по возможности выражают его в общем виде с помощью указанных выше формул, соблюдая все правила, которым учащиеся на уроках математики и физики. Тонко после этого приступают к числовому решению и проверяют ответ.
Если цель решения – изучение нового типа задач, то четко формулируют алгоритм, который учащиеся записывают и отмечают, к какому типу решения он соответствует. После чего решается аналогичная задача и предлагается задачи для самостоятельного решения.
Исходя их выше сказанного, вытекает место задач в процессе обучения.
При объяснении нового материала задачи помогают иллюстрировать изучаемую тему конкретным практическим применением, в результате учащиеся более осознанно воспринимают теоретические основы химии.
Использование задач при закреплении новой темы позволяет учителю выявить, как усвоен новый материал, и наметить методику и план дальнейшего изучения данного вопроса.
Решение задач дома способствует привлечению учащихся к самостоятельной работе с использованием не только учебников, но и дополнительной справочной литературы.
С целью текущего, а также итогового контроля и учета знаний лучшим методом является также расчетная задача, т.к. при ее решении можно оценить все качества ученика, начиная от уровня знания теории до умения оформлять решение в тетради.
Особое место занимает решение задач при повторении и обобщении учебного материала. Именно здесь в большей степени реализуются межпредметные связи, а также системность и целостность изучаемой темы или курса в целом [57].
1.5 Система химических задач
При всей важности отдельных задач эффект целостного образовательного процесса обеспечивается всем множеством задач по каждой теме, которое должно образовывать систему. Таким образом, ключевой элемент ресурсного обеспечения учебного процесса — система задач.
Системой задач называется совокупность задач к блоку изучаемой теме, удовлетворяющая ряду требований.
1. Полнота. В системе задач присутствуют задачи на все изучаемые понятия, факты, способы деятельности, включая мотивационные, подводящие под понятие, на аналогию, следствия из фактов и пр.
2. Наличие ключевых задач. Задачи сгруппированы в узлы вокруг объединяющих центров — задач, в которых рассматриваются факты или способы деятельности, применяемые при решении других задач и имеющие принципиальное значение для усвоения предметного содержания.
3. Связность. Вся совокупность задач может быть представлена связным графом, в узлах которого — ключевые задачи, выше них — подготовительные и вспомогательные, ниже — следствия, обобщения и т. д.
4. Возрастание трудности в каждом уровне. Система состоит из трех подсистем, соответствующих минимальному, общему и продвинутому уровням планируемых результатов обучения. В каждой из подсистем трудность задач непрерывно нарастает.
5. Целевая ориентация. Для каждой задачи определено ее место и назначение в блоке изучения материала.
6. Целевая достаточность. В системе достаточно задач для тренажа, аналогичных задач для закрепления методов решения, задач для индивидуальных и групповых заданий разной направленности, для самостоятельной (в том числе исследовательской) деятельности учащихся, для текущего и итогового контроля с учетом запасных вариантов и т. д.
7. Психологическая комфортность. Система задач учитывает наличие разных темпераментов, типов мышления, видов памяти.
Система задач — основной ресурс учителя для реализации эффективного образовательного процесса. От качества этого ресурса более чем наполовину зависит успех учащихся при изучении курса. Остальные составляющие успеха заключены в организации их деятельности и управлении этой деятельностью [19, 39].
1.6 Этапы решения задач
Психологами обнаружена закономерность в поведении человека при решении задач. Он разбивает задачу на некоторые число более простых, т.е. ставит пред собой промежуточные вопросы (анализ задачи). Затем приступает к очередной проверке ряда простых задач, накапливая количественную информацию. Решив их, переходит к решению сложной – синтезирует. Таким образом, задачи решаются путем анализа и синтеза в совокупности. Иногда анализ протекает в скрытом виде (решающий провел анализ быстро, по шаблону), в таком случае создается впечатление, что имеет место только синтез. Поэтому цель учителя – не только подобрать задачи к уроку, но и обдумать, как он будет обучать учащихся разбивать подобранные задачи на более простые.
Решение задачи состоит из многих операций, которые связаны между собой и применяются в некоторой логической последовательности. Выявление этих связей и определение последовательности логических и математических операций лежат в основе умения решать задачи.
Решение предполагает поисковую деятельность, включение в этот процесс интеллектуальных операций. С точки зрения дидактики важно иметь в виду и то обстоятельство, что при решении любой задачи (математической, физической, химической и др.) задаются цель, условия и требования к учебно-познавательной деятельности. Естественно предположить существование закономерностей для процесса овладения общей процедурой деятельности. Отсюда вытекает необходимость использования общей методологии решения задач, т.е. объективном процессе интеграции естественнонаучных и математических знаний и умений, неизбежности связи предметных языков. Таким образом, главная дидактическая цель учителя химии при обучении решению расчетных задач: формирование общих логических основ стехиометрических знаний и общепредметных умений на базе общенаучных методов.
В общем виде способ решения химических задач можно представить следующим порядком действий:
1) краткая запись условия задачи (вначале указывают буквенные обозначения заданных величин и их значения, а затем — искомые величины), которые при необходимости приводятся в единую систему единиц (количественны сторона);
2) выявление химической сущности задачи, составление уравнений всех химических процессов и явлений, о которых идет речь в условии задачи (качественная сторона);
3) соотношения между качественными и количественными данными задачи, т.е. установление связей между приводимыми в задаче величинами с помощью алгебраических уравнений (формул) – законов химии и физики;
4) математические расчеты [15, 57].
1.7 Классификация химических задач
В ходе составления условий простейших задач и их решения необходимо научиться классифицировать задачи, понимать взаимосвязь между различными величинами, характеризующими условие задачи, т. е., прежде чем приступить к решению задачи, необходимо проанализировать ее условие.
На сегодняшний день не существует окончательной едино разработанной классификации химических задач. В учебных пособиях по методике химии, специальных методических пособиях по решению задач и в статьях приводятся различные классификации задач. Общепризнанной является классификация задач на количественные и качественные, которые решаются устным письменным и экспериментальным способом. В свою очередь эти задачи бывают репродуктивными и продуктивными. Репродуктивные задачи – это типовые задачи, при решении которых возможно применение алгоритмов. В этом случае учитель сам объясняет ход их решения. Продуктивные – творческие задачи, в них необходимо самостоятельно найти способы решения. Для этого не достаточно организованного опыта, необходимо качественно иной опыт, заключающийся в умении логически мыслить, анализировать ситуацию в способности к интуитивному решению проблемы как высшего проявления логического мышления [20, 57].
Различаются задачи и упражнения по дидактическим целям. Задачи имеют целью развитие у учащихся умения применять знания химии в различных условиях практики. Упражнения имеют в качестве основных целей формирование навыков, но отдельным операциям, умственным или физическим. Следовательно, знание различия понятий «упражнения» и «задачи» имеет не только теоретическое, но и практическое значение, так как позволяет целесообразно применять упражнения или задачи обучении.

2. Выявление трудностей при решении задач по теоретическим основам химической технологии в рамках изучения курса Прикладная химия
Задачи по химической технологии, составленные и подобранные в настоящей работе, были использованы для проведения контрольной работы по прикладной химии. В апробации участвовали студенты 5 курса специальностей «Химия» с доп. спец. «Биология» и «Биология» с доп. спец. «Химия» (всего 39 студентов). Контрольная работа проводилась на итоговом занятии по прикладной химии. Каждая задача оценивалась по 5-балльной системе в соответствии с тем, насколько полно представлено решение. Оценка за контрольную работу в целом также выставлялась по 5-балльной системе, принятой в ВУЗах.
Практически все студенты справились с задачами (92,3%), в том числе 61,8% на «хорошо» и «отлично» (рис. 1). И действительно, большинство студентов не испытывали трудностей в решении задач. Наиболее успешно были решены задачи по химической технологии с производственным содержанием (металлургия – полностью решили 66,7% студентов, производство органических соединений – 61,5%, рис. 2). Некоторые затруднения вызвало решение задач на темы химическая кинетика и химическое равновесие (полностью эти задачи решили около 40% студентов), возможно, из-за сложного математического аппарата этих задач, где требуется знание основ интегрирования, дифференцирования, возведения в степень и т.д.
Мы проанализировали решение каждого типа задач. Многие студенты не получили высокие баллы за контрольную работу из-за того, что не получили правильные итоговые ответы. Действительно, достаточно большая часть ребят решила задачи «не полностью» (рис. 3, 4). Как правило, такие студенты приводили верные формулы для расчетов, но затруднялись в подстановке численных значений.
Конкретные, наиболее часто встречающиеся ошибки в решении задач представлены в табл. 1.
  Таблица 1. Тема
Результаты контрольной
работы, %
Замечания
Решили полностью
Не
решили
Решили не
полностью
или с
ошибками
Термохимия
46,2%
12,8%
41%
Ошибки связаны в основном с уравнениями химических реакций, студенты забывают расставить коэффициенты, а также ошибки связанные со следствиями из закона Гесса.
Химическое равновесие
41%
15,4%
43,6%
Ошибки связаны с нахождением константы равновесия: студенты «переворачивают» формулу для нахождения Кс, а также коэффициенты перед веществами ставят как множители, а не как степень. Не помнят о знаке «-» в уравнении Вант-Гоффа (зависимость константы равновесия от температуры). Также наблюдаются затруднения при нахождении равновесных концентраций, если известна константа равновесия (с использование перемен. х)
Химическая кинетика
38,5%
20,5%
41%
Ошибки связаны с определением порядка реакций. Многие студенты забывали о присутствии экспоненты и предэкспоненциального множителя в уравнении Аррениуса.
Технико-экономические показатели производств
59%
10,3%
30,7%
Ошибки связаны с неправильным нахождением выхода продукта и с незнанием формул для расчета степени превращения исходных реагентов и селективности.
Задачи с
экологическим содержанием
51,3%
8%
30,7%
Ошибки связаны с непони-манием сущности задачи, а также ошибки связанные с неправильным переводом м3 в литры, и с неправиль-ным использованием значения массы вещества вместо объема раствора в формуле
Металлургия
66,7%
7,7%
25,6%
Ошибки связаны с непра- вильным нахождением mпр и mтеор. В формуле , например, при нахождении mпр, вместо формулы  пишут , т.е студенты путают значение массы пустой породы с массой чистого вещества.
Электрохимические производства
56,7%
12,8%
30,2%
Ошибки связаны с непра- вильным нахождением эквивалента элемента, с неправильным переводом часов в секунды (система СИ).
Производство органических соединений
61,5%
7,7%
30,8%
Ошибки связаны с непра- вильным нахождением молекулярной массы вещества, с неправильным определением брутто –
формулы вещества
Общие ошибки:
1. неправильное нахождение молекулярной массы вещества.
2. не знание правил округления числовых значение, что в итоге приводит
к неправильному нахождению ответа.
3. Ошибки, связанные с подсчетом ех,lnx, 10xи т.д. на калькуляторе.

\s
Рис. 1. Оценки, полученные студентами на контрольной работе по прикладной химии
\s
1-                Рис. 2. Доля студентов, полностью решившая задачи по отдельным темам. термохимия, 46.2%
2-                химическое равновесие, 41%
3-                химическая кинетика, 38.5%
4-                 технико-экономические показатели, 59%
5-                 задачи с экологическим содержанием, 51.3%
6-                металлургия, 66.7%
7-                электрохимические производства, 56.4%
    продолжение
--PAGE_BREAK--8-                производство органических соединений, 61.5%
Таким образом, апробация задач по химической технологии среди студентов 5 курса на итоговой контрольной работе показала необходимость повторения в курсе основы химической технологии базовых тем по физической химии (химическая кинетика, термодинамика, электрохимия и т.д.) и высшей математике (дифференцирование, интегрирование, степенные функции и т.д.). Реальной помощью для самостоятельной проработки этого фактически уже хорошо известного студентам материала может послужить пособие по прикладной химии «Задачи по теоретическим основам химической технологии», составленное по материалам представленной работы.

3. Методика решения задач по теоретическим основам химической технологии
Одна из главных задач химической науки и промышленности — получение необходимых человеку веществ (продуктов, материалов). Поэтому большинство учебных химических задач снизано с расчетами по уравнению химической реакции, которую в общем виде можно представить так:
аА+ вВ  cC+dD
где A, В, С, D — условные обозначения формул различных веществ;
а, в, с, d — стехиометрические коэффициенты.
Расчет по уравнению реакции наиболее прост лишь в идеальном случае, когда реагенты абсолютно чистые, взяты в строго стехиометрических отношениях, потерь при реакции нет, т.е. выход продукта составляет 100%. Практически эти условия не выполняются. Как правило, исходные вещества содержат примеси или взяты в виде растворов; обычно одно из веществ, вступающих в реакцию (наиболее доступное, дешевое, берут в избытке и, наконец, реальный выход продуктов всегда меньше 100%.)
Итак, химические задачи делят на:
1) Расчетные
2) Качественные
Расчетные задачи условно делятся на две группы:
1) Задачи, решаемые с использованием химической формулы вещества или на вывод формулы.
2) Задачи, для решения которых используют уравнения химических реакций.
3) Задачи, для решения которых используют только математические формулы.
Первая группа задач включает расчеты по определению массы чистого вещества в смеси (растворе) по известной массовой доле его (или процентному содержанию); вычисление массовой доли (или процента) элементов по формулам веществ (прямая и обратная задачи).
Ко второй группе задач относятся вычисления по химическим уравнениям массы, объема и количества продуктов реакции или взаимодействующих веществ в различных единицах измерения. При этом учитывают произвольное соотношение компонентов, т. е. наличие избытка одного из реагирующих веществ; практический выход продукта реакции; наличие примесей в исходных веществах или продуктах реакции.
На уроках обобщения знаний о химических производствах составляются задачи с производственным содержанием. Совместно с учащимися определяем, какие особенности таких задач следует при этом учитывать:
1)    условия процесса (концентрация, давление, температура);
2)                возможность протекания процесса;
3)                кинетику и равновесие реакций;
4)                состав сырья (наличие примесей, необходимость очистки);
5) выход продукта (потери в процессе очистки; обратимость процесса; побочные реакции; циркуляция);
6) использование энергии экзотермических процессов;
7) утилизация побочных продуктов и отходов производства.
8) экологический аспект;
9)                технико-экономические показатели химических производств;
10)            использование электрической энергии. [54]
При составлении методического пособия для решения задач по химической технологии мы условно выделили несколько разделов задач по их химической тематике:
I. Общие вопросы химической технологии.
1. термохимия.
2. химическая кинетика.
3. химическое равновесие.
II. Технико-экономические показатели химических производств.
III. Задачи с экологическим содержанием.
IV. Производство неорганических соединений.
1. металлургия.
2. электрохимические производства.
V. Производство органических соединений.
VI.Творческие и изобретательские задачи.
Каждый раздел задач сопровождается методической частью, где приводятся основные теоретические аспекты темы, законы и формулы для математических расчетов. Далее рассматриваются методические рекомендации по решению задач, конкретные примеры решения типичных и наиболее сложных задач, а также задачи для самостоятельного решения. Эти задачи могут быть использованы на практических занятиях, для проведения коллоквиумов, индивидуального собеседования при защите лабораторных работ, а также в средней общеобразовательной школе при изучении факультативного курса по химии.
3.1 Общие вопросы химической технологии
3.1.1 Термохимия
Термохимия — учение о тепловых эффектах химических реакций. Для решения задач по термохимии необходимо знать такие понятия, как тепловой эффект реакции, стандартная тепловой эффект образования вещества, стандартная тепловой эффект сгорания химического соединения, закон Гесса и следствия из него, возможность самопроизвольного протекания реакции, зависимость энергии Гиббса от температуры. Наиболее важным понятием химической энергетики является тепловой эффект химической реакции. Данные о тепловых эффектах применяются для определения строения и реакционной способности соединений, энергии межатомных и межмолекулярных связей, используются в технологических и технических расчетах.В основе термохимических расчетов по уравнениям реакций лежит закон сохранения и превращения энергии, или первое начало термодинамики. Сущность его состоит в том, что при всех превращениях энергия не возникает и не исчезает, а одни ее виды переходят в эквивалентные количества других видов. Количество выделившейся (поглощенной) теплоты в результате химической реакции называется тепловым эффектом реакции Q (при p-const QP или V-const QV) (измеряется в кДж). По тепловому эффекту химические реакции подразделяются на экзотермические (с выделением теплоты (+Q)) и эндотермические (с поглощением теплоты (-Q)). Существует величина обратная тепловому эффекту (записывается с противоположным знаком). Она характеризует внутреннюю энергию вещества и называется энтальпией (∆Н). Изменение энтальпии измеряют в кДж/моль, т.е. это то количество теплоты, которое выделяется или поглощается при образовании 1 моль вещества из простых веществ. С термодинамической точки зрения принимают, что тепловой эффект при постоянном давлении и температуре равен изменению энтальпии ΔН. Передачу энергии при этом рассматривают как бы со стороны самой реакционной системы. Если система отдала энергию во внешнюю среду, величина ΔН считается отрицательной ΔН0. Вычисление теплоты реакции по теплотам образования участвующих в ней веществ, производится на основании закона Гесса.
Закон Гесса: Тепловой эффект химической реакции при постоянном давлении и объеме не зависит от пути реакции (т.е. от промежуточных стадий), а определяется начальным и конечным состоянием системы (т.е. состоянием исходных веществ и продуктов реакции (газ, жид., тв.)).
ΔrН0298– стандартная энтальпия реакции (reaction), тепловой эффект реакции.
ΔfН0298– стандартная энтальпия образования (formation) 1 моль вещества из простых веществ в стандартных условиях (Т=298К или 25С, Р=1 атм.), на которые указывает знак «0», (кДж/моль).
ΔсН0298 – стандартнаяэнтальпия сгорания (combustion) 1 моль вещества (до образования СО2, Н2О, и др. продуктов), (кДж/моль).
Следствие 1 из закона Гесса:
Тепловой эффект химической реакции равен разности между алгебраической суммой теплот образования продуктов реакции и алгебраической суммой теплот образования исходных веществ
ΔrН0298 =∑(nj•ΔfН0298)прод — ∑(ni• ΔfН0298)исх.
где, njи ni– количество вещества продуктов реакции и исходных веществ соответственно (численно равно коэффициенту в уравнении реакции), (моль).
Следствие 2 из закона Гесса:
Тепловой эффект химической реакции равен сумме теплот сгорания исходных веществ минус сумма теплот сгорания продуктов реакции
ΔrН0298 =∑(ni• ΔсН0298) — ∑(nj• ΔсН0298)
где, niиnj- количествовещества исходных веществ и продуктов реакции соответственно (численно равно коэффициенту в уравнении реакции), (моль).
В химических реакциях может одновременно изменяется и энергия системы и ее энтропия, поэтому реакция протекает в том направлении, в котором общая суммарная движущая сила реакции уменьшается. Если реакция происходит при постоянном температуре и давлении, то общая движущая сила реакции называется энергией Гиббса (ΔG0) и направление реакции определяется ее изменением.
Зависимость энергии Гиббса реакции от температуры описывается уравнением ΔG0T=ΔH0T – TΔS0T
При стандартной температуре
ΔG0298=ΔH 0298– TΔS0298
ΔG0298 – стандартная энергия Гиббса, изменение энергии Гиббса при образовании 1 моль вещества из простых веществ в стандартных условиях, (кДж/моль).
Стандартную энергию Гиббса реакции рассчитывают по первому следствию из закона Гесса.
∆rG 0298= ∑(njΔfG0298)прод. -∑ (niΔfG0298)исход.
ΔS0298 — стандартная энтропия 1 моль вещества в стандартном условиях, (Дж/К*моль). Энтропию можно характеризовать как меру беспорядка (неупорядоченности) системы. Эта величина характеризует изменение температуры в системе.
Поскольку энтропия – функция состояния системы, ее изменение (ΔS) в процессе химической реакции можно подсчитать, используя следствие из закона Гесса. ΔrS0298 =∑ (njΔfS0298)прод. –∑(niΔfS0298)исход
где, njи ni– количество вещества продуктов реакции и исходных веществ соответственно (численно равно коэффициенту в уравнении реакции), (моль).
ΔrS0298 =∑ (niΔfS0298)исход –∑(njΔfS0298)прод
где, niиnj- количествовещества исходных веществ и продуктов реакции соответственно (численно равно коэффициенту в уравнении реакции), (моль).
ΔrS0298 – стандартная энтропия реакции, (Дж/К).
ΔfS0298– стандартная энтропия образования химического вещества, (Дж/К*моль).
Знак « — » перед членом TΔS0298 (энтропийным членом) ставится, для того чтобы при ΔH=0 сделать ∆G отрицательной величиной ΔG
Если пренебречь изменением ΔS0и ΔН0 с увеличением температуры, то можно определить Травн, т.е. температуру, при которой устанавливается химическое равновесие химической реакции для стандартного состояния реагентов, т.е. из условия равновесия реакции ΔG=0 имеем 0=ΔrH 0298– TΔrS 0298, отсюда

Следует знать:
Если ΔS=0 (ΔS>0), ΔH
Если ΔS=0(ΔS0 (ΔH=0) то ΔG>0 – протекание реакции невозможна, возможна только в обратном направлении (энергетически невыгоден).
Если ΔS=0, ΔH=0 ΔG=0 – система находится в состоянии равновесия.
Примеры решения задач 1.Вычислить тепловой эффект реакции получения гидроксида кальция
СаО(т) + Н2О(ж) = Са(ОН)2(т), если теплота образование СаО(т) равна +635701,5Дж/моль, теплота образования Н2О(ж) +285835,5 Дж/моль и теплота образования Са(ОН)2 +986823 Дж/моль.
Решение:
Тепловой эффект реакции  СаО(т) + Н2О(ж) = Са(ОН)2(т) по первому следствию закона Гесса, будет равен теплоте образования Са(ОН)2(т) минус теплота образования Н2О(ж) и теплота образования (СаО(т)):
ΔrН0298 =∑(nj •ΔfН0298)прод — ∑(ni• ΔfН0298)исх.
ΔrН0298=1 моль•ΔfН0298(Са(ОН)2(т)) — (1 моль ΔfН0298(СаО(т))+
+1 моль• ΔfН0298(Н2О(ж)))=1 моль*986823 Дж/моль — (1 моль* 635701,5 Дж/моль +
+ 1 моль*285835,5 Дж/моль)= 65 286 Дж.
Ответ: 65286 Дж.
2. Вычислите изменения энергии Гиббса в реакции димеризации диоксида азота при стандартной температуре, при 0 и 100ºС. Сделать вывод о направлении процесса.
Решение:
При стандартной температуре 298 К изменение энтальпии в реакции
2NO2(г)N2O4(г) равно (первое следствие закона Гесса)
ΔrН0298 =∑(nj •ΔfН0298)прод — ∑(ni• ΔfН0298)исх.
Δ rН0298 =1 моль* 9660 Дж/моль – 2 моль*33800 Дж/ моль = — 57940 Дж
Изменение температуры равно
ΔrS0298 =∑ (nΔfS0298)прод. –∑(nΔfS0298)исход = 1 моль*304 Дж/моль*К —
–2 моль*234 Дж/моль*К = — 164 Дж/К
Зависимость энергии Гиббса реакции от температуры описывается уравнением
ΔG0T =ΔH0T – TΔS0T
При стандартной температуре
ΔrG0298=ΔH 0298– TΔS0298 = — 57940 Дж – (298 К*(-164 Дж/К)) = -9068 Дж/моль
Отрицательное значение энергии Гиббса реакции говорит о том, что смещении равновесия вправо (самопроизвольный процесс), т.е. в сторону образования диоксида азота.
При 0ºС (273К)
ΔrG0273 = -57940 Дж + 273К* 164 Дж/К = -13168 Дж/моль
Более высокое отрицательное значение ΔG273 по сравнению с ΔG0298 свидетельствует о том, что при 273 К равновесие еще больше смещено в сторону прямой реакции.
При 100ºС (373 К)
ΔrG373 = -57940 Дж + 373К*164 Дж/К = 3232 Дж/моль.
Положительная величина ΔG373 указывает на изменение направления реакции: равновесие смещено влево, т.е. в сторону распада димера N2O4 (реакция невозможна). Ответ: при 0ºС (273 К) ΔrG273= -13168 Дж/моль, реакция протекает самопроизвольно; при 100ºС (373 К) ΔrG373= 3232 Дж/моль, реакция невозможна.
3. Составьте термохимическое уравнение горения метана СН4 и рассчитайте объем воздуха, необходимый для сжигания 1моль метана, если известно, что при сгорании 5,6 л метана выделяется 220 кДж теплоты, содержание кислорода в воздухе равно 20%.
Решение:
СН4 + 2О2 = СО2 + 2Н2О, ∆Н
Находим количество вещества метана объемом 5,6 л

Если при сгорании СН4 количеством вещества 0,25 моль выделяется 220 кДж теплоты, то при сгорании СН4 количеством вещества 1 моль выделяется 880 кДж теплоты.
Термохимическое уравнение:
СН4 +2О2 = СО2+ 2Н2О+ 880 кДж
Из уравнения реакции видно, что на сгорание СН4 количеством вещества 1моль расходуется О2 количеством вещества 2 моль, на сгорание СН4 количеством вещества 0,25 моль расходуется х моль О2, откуда х = 0,5 моль.
Кислород количеством вещества 0,5 моль занимает объем 11,2 л.
В воздухе 20% кислорода, следовательно, объем воздуха будет равен

Ответ: 880 кДж, 56 л.
Задачи для самостоятельного решения 1. Рассчитайте, какая из ниже перечисленных реакций при стандартных условиях может идти самопроизвольно:
а) Fe(к) + Al2O3(к) = Al(к) + Fe2O3(к)
б) Al(к) + Fe2O3 (к)= Fe(к) + Al2O3(к)
в) CuSO4(к) + 2NH4OH(ж) = Cu(OH)2(к) + (NH4)2SO4(к)
г) Al2O3(корунд) + 3SO3 = Al2(SO4)2(к)
2. При сварке трамвайных рельсов используют термитную смесь, которую готовят, смешивая порошки алюминия и оксида железа (III) в количественном отношении 2:1. Термохимическое уравнение горения термитной смеси следующее: 2Al + Fe2O3= Al2O3 + 2Fe + 829,62 кДж. Сколько теплоты выделится при образовании: 1) 4 моль железа; 2) 1 моль железа?
3. Рассчитайте, достаточно ли теплоты, выделяющейся при сгорании 200 кг каменного угля, содержащего 82% углерода, для полного разложения 162 кг карбоната кальция, если для разложения 1 моль СаСО3 необходимо 180 кДж теплоты, а при сгорании 1 моль углерода, входящего в состав каменного угля, выделяется 402 кДж теплоты.
4. Процесс алюминотермии выражается химическим уравнением
8Al + 3 Fe3O4 = 4Al2O3 + 9Fe ΔH
5. Возможен ли обжиг колчедана массой 1т по следующему уравнению химической реакции 4FeS2 + 11O2 →2 Fe2O3 + 8SO2 ∆H
6. Вычислите тепловой эффект образования NH3 из простых веществ, при стандартном условии по тепловым эффектам реакции:
    продолжение
--PAGE_BREAK--2H2 + O2 = 2H2O(ж) ΔН01 = -571, 68 кДж,
NH3 + 3O2 = 6H2O(ж) + 2N2 ΔН02 = -1530,28 кДж.
7. Стандартный тепловой эффект реакции сгорания этана равен -1560 кДж. Рассчитайте стандартную теплоту образования этана, если известно, что
ΔfН0298 (H2O)= -285,84 кДж/моль и ΔfН0298(СО2) = -396,3 кДж/моль.
8. Вычислите тепловой эффект реакции восстановления оксида железа водородом, пользуясь следующими данными.
FeO + CO = Fe + CO2 ΔН = -13,19 кДж
CO + 1/2O2 = CO2 ΔН = -283,2 кДж
2H2 + 1/2O2 = 2H2O(г) ΔН = -242 кДж
9. Протекание, какой из приведенных реакций восстановления оксида железа (III) наиболее вероятно при 298 К.
Fe2O3(k) + 3H2(г) = 2Fe(к) + 3H2O(к)
Fe2O3(k) + 3С(графит) = 2Fe(к) + 3СO(к)
Fe2O3(k) + 3СО(г) = 2Fe(к) + 3СО2(к)
10. В какой их перечисленных ниже реакций тепловой эффект ΔН0298 будет стандартной теплотой SO3(г)
а) S(г) + 3/2 O2 = SO3(г)
а) S(г) + 1/2 O2 = SO3(г)
а) S(к) + 3/2 O2 = SO3(г)
3.1.2 Химическое равновесие
При протекании химической реакции через некоторое время устанавливается равновесное состояние (химическое равновесие). Слово «равновесие» означает состояние, в котором сбалансированы все противоположно направленные на систему воздействия. Тело, находящееся в состоянии устойчивого равновесия, обнаруживает способность возвращаться в это состояние после какого-либо возмущающего воздействия.
Примером тела, находящегося в состоянии устойчивого равновесия, может служить шарик, лежащий на дне ямки. Если его толкнуть в одну или другую сторону, он вскоре снова возвращается в состояние устойчивого равновесия. В отличие от этого шарик, лежащий на краю ямки, находится в состоянии неустойчивого равновесия — достаточно ничтожного толчка, чтобы он необратимо скатился в ямку.
Оба этих примера являются примерами статического равновесия. В химии, однако, приходится сталкиваться не столько со статическими равновесиями, столько с динамическими («подвижными»). Динамическое равновесие устанавливается, когда оказываются сбалансированными два обратимых или противоположных процесса. Динамические равновесия подразделяют на физические и химические. Наиболее важными типами физических равновесий являются фазовые равновесия. Система находится в состоянии химического равновесия, если скорость прямой реакции равна скорости обратной реакции.
Например, если скорость протекания реакции (константа скорости к1)
k1
А(г) + В(пар)  АВ(г)
равна скорости обратной реакции (константа скорости k2)
k2
АВ(г)А(г) + В(пар)
то система находится в динамическом равновесии. Подобные реакции называются обратимыми, а их уравнения записывают с помощью двойной стрелки:
k1
А(г) + В(пар)  АВ(г)
k2
Реакции, протекающие слева направо, называются прямой, справа налево – обратной.
Нужно подчеркнуть, что реакционная система остается в состоянии динамического равновесия лишь до тех пор, пока система остается изолированной. Изолированной называют такую систему, которая не обменивается с окружающей средой ни веществом, ни энергией.
Состояние химического равновесия обратимых процессов количественно характеризуется константой равновесия. Так, для обратимой реакции общего вида
k1
аA +bB  сC + dD (1.2.1)
k2
константа равновесия К, представляющая собой отношение констант скорости прямой и обратной реакций, запишется
 (1.2.2)
где, Кс– константа скорости реакции, зависящая от концентрации реагирующих компонентов; Сiили [ i]- равновесная молярная концентрация i-того компонента;
a, b, c, d – стехиометрические коэффициенты веществ.
В правой части уравнения (1.2.2) стоят концентрации взаимодействующих частиц, которые устанавливают при равновесии, — равновесные концентрации.
Уравнение (1.2.2) представляет собой математическое выражение закона действующих масс при химическом равновесии. Для реакции с участием газов константа равновесия выражается через парциальные давления, а не через их равновесные концентрации. В этом случае константу равновесия обозначают символом Кр.

Рi — равновесные парциальные давления i-того компонента.
Сi- равновесная молярная концентрация компонентов.
a, b, c, d– стехиометрические коэффициенты веществ.
Состояние химического равновесия при неименных внешних условиях теоретически может сохраняться бесконечно долго. В реальной действительности, т.е. при изменении температуры, давления или концентрации реагентов, равновесии может «сместиться» в ту или иную сторону протекания процесса.
Изменения, происходящие в системе в результате внешних воздействий, определяется принципом подвижного равновесия – принципом Ле Шателье – Брауна. При воздействие на равновесную систему, любого внешнего фактора, равновесие в системе смещается в таком направлении, чтобы уменьшить воздействие этого фактора.
1. Влияние давления на равновесие химической реакции (для реакции, проходящей в газовой фазе).
aA + bB cC + dD
— если реакция идет с увеличением количества компонентов a + b
— если реакция идет с уменьшением количества компонентов a + b > c + d, при увеличении давления сдвиг равновесия произойдет слева направо.
— если количество компонентов одинаково a + b = c + d, то изменение давления не повлияет на положении равновесия.
2. Влияние инертного газа. Введение инертного газа подобно эффекту уменьшения давления (Ar, N2, водяной пар). Инертный газ не участвует в реакции.
3. Влияние изменения концентрации реагирующих веществ. При введение дополнительного количества вещества равновесие химической реакции сместиться в ту сторону где концентрация вещества уменьшается.
4. Влияние температуры на химическое равновесие реакции.
Если к равновесной системе подводится теплота, то в системе происходят изменения, чтобы ослабить это воздействие, т.е. процессы с поглощением теплоты. При экзотермических реакциях снижение температуру сместит равновесие слева направо, а при эндотермических реакциях повышение температуры сместит равновесие справа налево.
Зависимость Кр от температуры – уравнение Вант – Гоффа.
; ;
(); lnkT1 – lnkT2 =
Примеры решения задач
1. Реакция соединения азота и водорода обратима и протекает по уравнению
N2 + 3Н22NН3. При состоянии равновесия концентрации участвующих в ней веществ были: [N2] = 0,01 моль/л, [Н2] = 2,0 моль/л, [NH3] = 0,40 моль/л. Вычислить константу равновесия и исходные концентрации азота и водорода.
Решение:
Для приведенной реакции
 
Подставляя значение равновесных концентраций, получим
= 2
Согласно уравнению реакции из 1 моль азота и 3 моль водорода получаем
2 моль аммиака, следовательно, на образование 0,4 моль аммиака пошло
0,2 моль азота и 0,6 моль водорода. Таким образом, исходные концентрации будут [N2] = 0,01 моль/л + 0,2 моль/л = 0,21 (моль/л),
[H2] = 2,0 моль/л + 0,6 моль/л = 2,6 (моль/л).
Ответ: Кравн = 2; С0 (N2) = 0,21 моль/л и С0 (Н2) = 2,6 моль/л.
2. Один моль смеси пропена с водородом, имеющей плотность по водороду 15, нагрели в замкнутом сосуде с платиновым катализатором при 320°С, при этом давление в сосуде уменьшилось на 25%. Рассчитайте выход реакции в процентах от теоретического. На сколько процентов уменьшится давление в сосуде, если для проведения эксперимента в тех же условиях использовать 1 моль смеси тех же газов, имеющей плотность по водороду 16?
Решение:
С3Н6 + Н2С3Н8
1) Пусть ν(C3H6) = х, ν(H2) =1-x, тогда масса смеси равна
42х + 2(1 — х) = 2 • 15 = 30,
откуда х = 0,7 моль, т. е. ν(C3H6) = 0,7 моль, ν(H2) = 0,3 моль.
Давление уменьшилось на 25% при неизменных температуре и объеме за счет уменьшения на 25% числа молей в результате реакции. Пусть у моль Н2 вступило в реакцию, тогда после реакции осталось:
ν(C3H6) = 0,7 — у, ν(H2) = 0,3 – у, ν(C3H8) = у,
νо6щ = 0.75 =(0,7 — у) + (0,3 — у) + у, откуда y = 0,25 моль.
Теоретически могло образоваться 0,3 моль С3Н8 (H2 — в недостатке), поэтому выход равен . Константа равновесия при данных условиях равна
  
2) Пусть во втором случае ν(C3H6) = a моль, ν(H2) = (1 – а) моль, тогда масса смеси равна 42а + 2(1 — а) = 2 • 16 = 32, откуда, а= 0,75, т. е. ν(C3H6) = 0,75, ν(H2) = 0,25. Пусть в реакцию вступило b моль Н2. Это число можно найти из условия неизменности константы равновесия
= 
Из двух корней данного квадратного уравнения выбираем корень, удовлетворяющий условию 0
Общее число молей после реакции равно
νoбщ =((0,75 — 0,214) + (0,25 — 0,214) + 0,214 — 0,786) моль, т. е. оно уменьшилось на 21,4% по сравнению с исходным количеством (1 моль). Давление пропорционально числу молей, поэтому оно также уменьшилось на 21,4%.
Ответ: выход С3Н8 — 83,3%; давление уменьшится на 21,4%.
Задачи для самостоятельного решения
1. В реакции между раскаленным железом и паром
3Fe(тв) + 4Н2О(г) Fe3O4(тв)+4Н2(г), при достижении равновесия парциальные давления водорода и пара равны 3,2 и 2,4 кПа соответственно. Рассчитайте константу равновесия.
2. Вычислите константы равновесия Кр КС газовой реакции
СО + Cl2  СОCl2, состав газовой смеси при равновесии был следующим (% по объему): СО=2,4, Cl2 =12,6, СОCl2 =85,0, а общее давление смеси при 20С составляло 1,033*105 Па. Вычислите ΔG реакции.
3. Рассчитайте константу равновесия при некоторой заданной данной температуре для обратимой реакции СО + Н2ОСО2 + Н2, учитывая, что в состоянии равновесия концентрации участвующих в реакции веществ были равны [СО] = 0,16 моль/л, [Н2О] = 0,32 моль/л, [СО2] = 0,32 моль/л, [Н2] = 0,32 моль/л.
4. В стальном резервуаре находятся карбонат кальция и воздух под давлением 1 атм. при температуре 27°С. Резервуар нагревают до 800°С и дожидаются установления равновесия. Вычислите константу равновесия Кр реакции CaCO3СаО + СО2 при 800°С, если известно, что равновесное давление газа в резервуаре при этой температуре равно 3,82 атм., а при 27°С СаСО3 не разлагается.
5. Припостоянной температуре в гомогенной системе А + В = 2С установилось равновесие с равновесными концентрациями [А]=0,8 моль/ль, [В]=0,6 моль/л, [С]=1,2 моль/л. определите новые равновесные концентрации, если в систему дополнительно ввели 0,6 моль/л вещества В.
6. Как можно обосновать оптимальные условия промышленного синтеза аммиака с высоким выходом на основе термохимического уравнения реакции
N2 + ЗН2 2NH3 + 491,8 кДж и с учетом того, что при низких температурах скорость прямой реакции очень мала?
7. Вычислите константу равновесия ниже приведенных реакции, протекающей при стандартных условиях и при 400К.
а) Na2O(к) + CO2(г) → Na2CO3(к)
б) N2O4(г) = 2NO2(г)
8. Уравнение реакции окисления хлорида водорода
4НСl (г) + O2(г) = 2H2O(г) + 2Cl2(г) Вычислите константу равновесия этой реакции при Т=500К. Предположите способы увеличения концентрации хлора в равновесной смеси.
9. При смешении 2 моль уксусной кислоты и 2 моль этилового спирта в результате реакции СН3СООН + С2Н5ОН = СН3СООС2Н5 + Н2О к моменту наступления равновесия осталось 0,5 моль СН3СООН и С2Н5ОН, а также некоторое количество эфира и воды. Определите состав равновесной смеси, если смешивают по 3 моль СН3СООН и С2Н5ОН при той же температуре.
10. Вычислить начальные концентрации веществ в обратимой реакции
2СO +О22СО2 и константу равновесия, если равновесные концентрации составляют [СО]=0,44 моль/л, [О2]=0,12 моль/л, [СО2] =0,18 моль/л.
3.1.3 Химическая кинетика
Это раздел физической химии, изучающей скорость химических реакций, а в более широком смысле – закономерности их протекания.
Термин скорость реакции означает скорость, с которой образуются продукты, либо скорость, с которой расходуются агенты при протекании химической реакции. Химические реакции происходят с самыми разными скоростями. Со скоростью химических реакций связаны представления о превращении веществ, а также экономическая эффективность их получения в промышленных масштабах. Основным понятием в химической кинетике является понятие о скорости реакции, которая определяется изменением количества вещества реагентов (или продуктов реакции) в единицу времени в единице объема. Если при неизменном объеме и температуре концентрация одного из реагирующих веществ уменьшилась (или увеличилась) от значения с1до значения с2за промежуток времени от t1 до t2, то средняя скорость реакции составит
 (1.3.1)
где DСi – изменения концентрации i-того компонента, моль/м3 или моль/л,
wi — скорость реакции, (моль/(л • с) или моль/м3 *с). Уравнение (1.3.1) подходит для реакций протекающих в гомогенном реакционном пространстве.
Если реакция протекает в гетерогенном пространстве, то выражение для скорости реакции по данному веществу iимеет вид (моль/м3 *с).
 (1.3.2)
dni– изменение количества i-того компонента, моль; S— площадь, м2;
dt– изменение времени, с.
I. Продукты реакции или промежуточные соединения образуются при взаимодействии частиц в элементарном химическом акте. Число частиц в элементарном химическом акте называется молекулярностью реакции. Элементарные реакции бывают трех типов:
-                     мономолекулярные А ® Р1+ Р2 + …
-                     бимолекулярные А + В ® Р1+ Р2 +…
-                     тримолекулярные 2А + В ® Р1+ Р2 + … 3А ® Р1+ Р2 + …,
А + В + С ® Р1+ Р2 + …
Четырехмолекулярных реакций не бывает, т.к. вероятность одновременного столкновения четырех молекул ничтожно мала.
Скорость реакции можно измерить, определяя количество реагента или продукта во времени. Скорость реакции зависит от природы реагирующих веществ и от условий, в которых реакция протекает. Важнейшими из них являются концентрация, температура и присутствие катализатора.
Рассмотрим реакцию между веществами А и В, протекающую по схеме
аА + вВ + …. → сС + dD + …
Скорость реакции зависит от концентраций А и В, однако заранее нельзя утверждать, что она прямо пропорциональна концентрации того или другого. Зависимость скорости химической реакции от концентрации реагирующих веществ выражается основным законом химической кинетики — законом действующих масс: скорость элементарной химической реакции прямо пропорциональна произведению концентрации реагирующих веществ в степенях, равных стехиометрическим коэффициентам в уравнении реакции.
Для элементарной реакции
n1А + n2В ® n3С + n4Е + …
w= илиw = k [A]nA [B]nВ.(1.3.3)
Выражение такого типа называют кинетическим уравнением, где k — константа скорости (не зависит от концентрации реагирующих реагентов и времени); CA, CB – текущие концентрации реагирующих веществ; n1,n2 — некоторые числа, которые называются порядком реакции по веществам А и В соответственно. Порядок реакции совпадает со стехиометрическими показателями элементарной реакции. Порядок реакции n – сумма показателей кинетических степеней в химическом уравнении реакции. Сумма показателей степеней n1+ n2 = n называется общим порядком реакции. Для элементарной реакции общий порядок равен молекулярности, а порядок по веществам равны коэффициентам в уравнении реакции. Порядок реакции по i-тому компоненту не равен его стехиометрическому коэффициенту в химическом уравнении сложной реакции.
1. Реакции нулевого порядка. Скорость этих реакций не зависит от концентрации реагирующего вещества n=0. Из уравнений 1.3.1 и 1.3.3 получим следующее
w=k или . (1.3.4)
Интегрируя выражение (1.3.4) получаем:
CA,t=CA,0 – k0t, k0t = CA,0 – CA,t (1.3.5)
Введем понятие время полупревращения t1/2– это время, в течение которого превращается половина исходного вещества.
Для реакции нулевого порядка в уравнение 1.3.5 подставим
t1/2=
2. Реакции первого порядка. Для реакции первого порядка n=1 типа А ® Р1+ Р2 + …, скорость прямо пропорциональна концентрации вещества А: w=;
lnCA,t= lnCA,0– kt
С=СА,t=CA,0e-kt
    продолжение
--PAGE_BREAK--t1/2=
3. Реакции второго порядка. Для реакции второго порядка n=2 типа
А + В ® Р1+ Р2 +..., если СА,0=СВ,0 кинетическое уравнение имеет вид
w=;

t1/2
Для реакции второго порядка типа А + В ® Р + … если СА,0 ¹СВ,0 кинетическое уравнение имеет вид
w=
Периоды полураспада вещества А и В, если СА,0 ¹СВ,0, различны,
т.е. t1|2 (A)¹t1|2 (B).
4. Реакции третьего порядка. Кинетика реакции третьего порядка n=3 типа
2А + В ® Р1+ Р2 + … 3А ® Р1+ Р2 + …, А + В + С ® Р1+ Р2 + …
при равных начальных концентрациях описывается уравнением
w=
t1|2=
Для реакции А + В + С ® Р + …, если СА,0 ¹СВ,0¹СС,0 кинетическое уравнение примет вид
w=
II. Выражение (1.3.1) записано для фиксированной температуры. Для приближенной оценки изменения скорости широко используется эмпирическое правило Вант-Гоффа, в соответствии с которым скорость химической реакции становится в 2-4 раза больше при повышении температуры на каждые 10°C. В математической форме зависимость изменения скорости реакции от температуры выражается уравнением
 (1.3.4)
— скорость реакции при повышенной температуре Т2,
— скорость реакции при начальной температуре Т1; γ —температурный коэффициент скорости, показывающий, во сколько раз увеличится скорость реакции при повышении температуры на 10°С (2-4). Это позволяет предположить, что между скоростью реакции и температурой должна существовать экспоненциальная зависимость. Точное соотношение между скоростью реакции и температурой установил шведский химик Аррениус в 1899 г. Это соотношение, получившее название уравнение Аррениуса, имеет вид
 (1.3.5)
где k – константа скорости реакции; А — постоянная, характеризующая каждую конкретную реакцию (константа Аррениуса, или «предэкспонента»);
Еa — постоянная, характерная для каждой реакции и называемая энергией активации, Дж; R — универсальная газовая постоянная Дж/(К*моль);
Т — температура, К.
Подчеркнем, что это уравнение связывает температуру не со скоростью реакции, а с константой скорости. Приведем уравнение Аррениуса для двух температур

III. Одно из наиболее сильных средств влияния на скорость реакции — присутствие в реагирующей системе катализатора — вещества, которое усиливают (а иногда и понижают — тогда его называют ингибитором) скорость химической реакции, но само не расходуется в этом процессе.
Примеры решения задач
1. Во сколько раз увеличится скорость химической реакции при повышении температуры с 0 до 50°С, принимая температурный коэффициент скорости равным трем?
Решение:
В математической форме зависимость изменения скорости реакции от температуры выражается уравнением =γ
Температура увеличивается на 50°С, а γ = 3. Подставляя эти значения, получим = 3 = 243
Ответ: скорость увеличится в 234 раза.
2. Для реакции первого порядка А→2В определите время за которое прореагировало на 90% вещества А. Константа скорости реакции 1*10-4 с-1.
Решение:
А →2В
; ;
C0,A— CA=0,9 C0,A
CA = 0,1 C0,A
k1t = lnC0,A — lnCA
 Ответ: 64 ч.
3. Как изменится скорость реакции 2А+В2 2АВ, протекающей и закрытом сосуде, если увеличить давление в 4 раза?
Решение:
По закону действия масс скорость химической реакции прямо пропорциональна произведению молярных концентраций реагирующих веществ:w=. Увеличивая в сосуде давление, мы тем самым увеличиваем концентрацию реагирующих веществ. Пусть начальные концентрации А и В равнялись [А] =а,
[В]=b. Тогда w=ka2b. Вследствие увеличения давления в 4 раза увеличились концентрации каждого из реагентов тоже в 4 раза и стали [A]=4a, [B]=4b.
При этих концентрациях w1 =k(4а)2 *4b = k64а2b. Значение k и обоих случаях одно и то же. Константа скорости для данной реакции есть величина постоянная, численно равная скорости реакции при молярных концентрациях реагирующих веществ, равных 1. Сравнивая wи w1, видим, что скорость реакции возросла в 64 раза.Ответ: скорость реакции возросла в 64 раза.
4. Энергия активации некоторой реакции в отсутствие катализатора равна
76 кДж/моль и при температуре 27°С протекает с некоторой скоростью k1. В присутствии катализатора при этой же температуре скорость реакции увеличивается в 3,38 • 104 раз. Определите энергию активации реакции в присутствии катализатора.
Решение:
Константа скорости реакции в отсутствие катализатора запишется в виде
=Ае = Ae-30,485.
Константа скорости реакции в присутствии катализатора равна
= Ае  = Ае.
По условию задачи
=e – (- 30,485-)=3,38 * 104.
Логарифмируем последнее уравнение и получаем
30,485 -= 1n(3,38*104) = 10,43.
Отсюда Еа = 2493 • 20,057 = 50 кДж/моль.
Ответ: энергия активации реакции в присутствии катализатора равна 50 кДж/моль.
Задачи для самостоятельного решения
1. За какое время пройдет реакция при 60◦С, если при 20◦С она заканчивается за
40 с, а энергия активации 125,5 кДж/моль?
2. В загрязненном воздухе содержится примесь монооксида углерода, который образуется при неполном сгорании твердого топлива и работе двигателей внутреннего сгорания. Монооксид углерода медленно окисляется кислородом воздуха до диоксида углерода. Допустим, что при определенных условиях скорость такой реакции составляет 0,05 моль/л*с, а концентрация диоксида углерода равна 0,2 моль/л*с. Рассчитайте концентрацию диоксида углерода через 10 с после указанного момента.
3. Один из важных видов сырья для органического синтеза — так называемый водяной газ, представляющий собой смесь водорода и монооксида углерода. Эту смесь получают при пропускании водяного пара через башни, наполненные раскаленным углем. Из водяного газа получают метанол, формальдегид и другие вещества. Рассчитайте значение константы скорости реакции получения водяного газа, если при концентрации водяного пара, равной 0,03 моль/л скорость реакции составляет 6,1 • 10 -5 моль/л*с.
4. В реакции А + В → С с общим порядок равным 1, k1 = 5*10-5 c-1 Определите концентрации веществ А и В и скорость через 1 час и через 5 ч, если начальная концентрации А составляет 0,2 моль/л.
5. Причиной появления опасного для здоровья тумана (смога) считают образование большого количества выхлопных газов автомобилей при высокой влажности воздуха. В смоге присутствует ядовитый диоксид азота, который получается при реакции монооксида азота с атомарным кислородом. Рассчитайте скорость этой реакции, если через 5 мин после начала наблюдений концентрация диоксида азота была равна 0,05 моль/л, а через 20 мин — 0,08 моль/л.
6. Уравнение реакции омыления уксусноэтилового эфира:
СН2СООС2Н5 + NаОН = СН3СООNa+ С2Н5ОН
Исходные концентрации реагирующих веществ до начала реакции были: [СН3СООС2Н5] =0,50 моль/л, [NаОН] = 0,25 моль/л. Определить, как и во сколько раз изменится скорость реакции в момент, когда концентрация [СН3СООС2Н5] стала равной 0,30 моль/л.
7. Атмосферные загрязнения, например фторированные и хлорированные углеводороды — фреоны (СС13F, СС12F2, СС1F3), разрушают защитный озоновый слой Земли. Фреоны химически стабильны в нижних слоях атмосферы, но в стратосфере под действием ультрафиолетового излучения Солнца разлагаются, выделяя атомарный хлор, который и взаимодействует с озоном. Рассчитайте скорость такой реакции с образованием кислорода и монооксида хлора, если через 15 с после начала реакции молярная концентрация озона была 0,30 моль/л, а через 35с (от начала реакции) стала равна 0,15 моль/л.
8. За реакцией дегидрирования бутана, протекающей по уравнению
С4Н10 → С4Н8 + Н2 при температуре 800 К, следили по объему реагирующих газов, занимаемому ими при давлении 101 кПа и 293 К. Объем реактора 0,2 л, скорость протекания реакции равна 1,33 • 10-2 кПа/с. Рассчитайте, через какое время после начала реакции изменение объема достигнет 0,01 л.
9. Рассчитайте изменения константы скорости реакции, имеющей энергию активации 191 кДж/моль, при увеличении температуры от 330 до 400 К.
10. Вычислите порядок реакции и константу скорости, если при изменении начальной концентрации с 0,502 моль/л до 1,007 моль/л время полупревращения уменьшится с 51 с до 26 с.
11. Для реакции омыления уксусно-этилового эфира при большом избытке воды константа скорости при 20ºС равна 0,00099 мин-1, а при 40С ее величина составляет 0,00439 мин-1. Определите энергию активации и константу скорости реакции при 30ºС.
3.2 Технико-экономические показатели химических производств
Значение химии становится особенно ясным, когда изучаемый материал связывается с практическими вопросами. Один из способов его связи с жизнью — решение задач на темы с производственны содержанием. Для химической промышленности, как отрасли материального производства имеет значение технический и экономический аспекты, от которых зависит нормальное функционирование производства. Технико-экономические показатели (ТЭП) отражают возможности предприятия выпускать продукцию заданной номенклатуры и качества, удовлетворяющий требованиям заказчика, и в заданном количестве. Они являются критериями, позволяющий установить экономическую целесообразность организации данного производства и его рентабельность.
Рентабельность процесса производства характеризуется следующими ТЭП: степень превращения, выход продукта, селективность, производительность, мощность и интенсивность аппаратуры, практический и теоретический расходный коэффициент.
В этом разделе рассматриваются задачи следующих типов:
1. Задачи, в которых обращается внимание на получение вещества или на применение его в производственных условиях.
2. Задачи на определение выхода получаемого вещества по отношению к теоретическому.
3. Задачи, вскрывающие химическую сторону технологии производства и требующие составления уравнения реакции по которой оно протекает.
4. Задачи, в которых обращается внимание на масштабы производства или размеры аппаратуры (башен, камер, колонок) и т. п.
Степень превращения () – это отношение количества вещества, вступившего в реакцию, к его исходному количеству вещества. Допустим, протекает простая необратимая реакция типа А → В. Если обозначить через исходное количество вещества А, а через — количество вещества А в данный момент, то степень превращения реагента А составит
 (2.1)
Чем выше степень превращения, тем большая часть исходного сырья вступила в реакцию и полнее прошел процесс химического превращения.
Выход продукта (η) является показателем совершенства процесса и показывает отношение количества фактически полученного количества того или иного продукта к его теоретическому количеству.
;  (2.2), (2.3)
Производительность аппарата (П) определяет количество готового продукта m фактически вырабатываемый в единицу времени t при заданных условиях процесса производства. Измеряется т/сут, тыс.т/год, кг/ч, нм3/сут.
 (2.4)
Интенсивность аппарата – производительность, отнесенная к единице полезного объема или к единице полезной площади. Измеряется кг/м3и кг/м2
 или  (2.5), (2.6)
Максимально возможная производительность аппарата при оптимальных условиях процесса производства называется его мощностью W
W=Пmax(2.7)
Селективность – отношение массы целевого продукта к общей массе продуктов, полученных в данном процессе, или к массе превращенного сырья за время t.
Если А → В, А → С, где В – целевой продукт, С – побочный продукт, то уравнение имеет следующий вид:
 (2.8)
Это отношение скорости превращения вещества А в целевой продукт к общей скорости расхода вещества А.

Расходный коэффициент Кр определяет расходы сырья, воды, топлива, электроэнергии пара на единицу произведенной продукции
 (2.9)
Gисх – затраты сырья, топлива, энергии при производстве продуктав количестве G. Измеряется в т/т, нм3/т, нм3/ нм3, кВт*ч/т.
Примеры решения задач
1. Сколько теоретически можно получить чугуна, содержащего 3% углерода и 3% других элементов, из 1 т железной руды, содержащей 80% железа?
Из каждой тонны железной руды, содержащей в среднем 80% магнитного железняка, выплавляют 570 кг чугуна, содержащего 95% железа. Каков был выход железа от теоретического?
Решение:
М(Fе3О4) = 232 г/моль
М(Fе) = 56 г/моль
Записываем формулу определения η(Fе):

Обеих величин в условии нет. Но m(Fе)пр можно рассчитать по массе чугуна и массовой доле железа в нем:
m(Fе)пр = 570 кг • 0,95 = 541,5 кг.
Сразу теоретическую массу железа по условию не вычислить. Можно найти массу магнитного железняка по массе руды и содержанию в ней массовой доли железняка:
m(Fе3О4) = 1000 кг • 0,8 = 800 кг.
По вычисленной массе магнитного железняка и его формуле найдем массу железа в нем:
800 > 232 в 3,45 раза => m(Fе) будет > 168 (56 • 3) тоже в 3,45 раза, т. е.
M(Fе) = 168 • 3,45 = 579,6 (кг).
Подставляя полученные значения практической и теоретической массы железа в первоначальную формулу, получим выход железа:
η(Fе) =
Ответ: η(Fе) =93,4%.
2. Для получения формальдегида метиловый спирт необходимо окислить на серебряном катализаторе: СН3ОН + 0,5О2 = СН2О + Н2О. Кроме основных реакций протекают и побочные. Предположим, что на окисление подается 3,2 кмоль метилового спирта. Их них образовалось 1,8 кмоль формальдегида, 0,8 моль – побочных продуктов (суммарно) и остались неокисленными 0,6 кмоль метилового спирта. Необходимо найти степень превращения метилового спирта, выход формальдегида и селективность.
Решение:
Определим степень превращения. Для этого количество непрореагировавшего спирта, оставшегося после реакции, 0,6 кмоль необходимо вычесть из его начального количества 3,2 кмоль. Подставив данные значения в формулу (2.1) получим:

Рассчитаем селективность по формальдегиду. Общее количество полученных продуктов равно сумме количества формальдегида 1,8 кмоль и количества продуктов 0,8 кмоль.

Найдем выход продукта формальдегида.
 
Ответ: = 0,81, φ(НСНО)= 0,69, η(НСНО)= 56%
Задачи для самостоятельного решения
1. Рассчитать основные технико-экономические показатели получения синтетического аммиака:
а) расходный коэффициент сырья по Н2 и N2 (в м3) на 1т аммиака.
Б) выход аммиака
в) производительность завода.
Г) интенсивность процесса синтеза аммиака в т/м3 полезного объема колонки в сутки. На 1т аммиака практически расходуется 3000 нм3 азотоводородной смеси, теоретически 2635 нм3. 5 колонок с высотой 0,36 м.
2. Вычислить расходный коэффициент на 1т СН3СООН для СаС2, содержит 65% СаС2, если выход С2Н2 97%, уксусного альдегида 95% и СН3СООН 96%.
3. Вычислить количество аммиака и СО2 (в кг) израсходованных на производство мочевины. Потери мочевины 5% избыток аммиака 100%, степень превращения карбомата аммония мочевину 75%
4. При окислительном дегидрировании метилового спирта протекают одновременно две реакции: дегидрирование и окисление метанола. Выход формальдегида 90% при степени конверсии метанола 65%. Вычислите расход метанола на 1т формальдегида.
5. Производительность мечи для обжига серного колчедана составляет 30т в сутки. Выход SО2 — 97,4% от теоретического. Сколько тонн SО2 производит печь в сутки, если содержание серы в колчедане 42,4%?
6. Печь для варки стекла, производящая в сутки 300т стекломассы имеет ванну длиной 60м, шириной 10м и глубиной 1,5 м. Определить:
а) годовую производительность, если 15 суток печь находится на ремонте
б) интенсивность печи за сутки работы.
В) количество листов оконного стекла за из свариваемой стекломассы (стандарт. Лист 1250 * 700 * 2 мм и плотность 2500 г/м3)
7. При прямой гидратации этилена наряду с основной реакцией присоединения Н2О протекают побочные реакции. Так 2% (от массы) этилена расходуется на образование простого диэтилового эфира, 1% ацетальдегида, 2% низкомолекулярного жидкого полимера. Общий выход спирта при многократной циркуляции сост. 95%. Напишите уравнению химической реакции образовавшихся выше перечисленных соединений и подсчитайте расход этилена на 1т этилового спирта, и сколько диэтилового эфира может при этом получится.
8. Шахтная печь для получения оксида кальция имеет в среднем высоту
14 м и диаметр 4 м; выход оксида кальция составляет 600- 800 кг на 1 м3 печи в сутки. Определите суточный выход оксида кальция.
9. Производительность печи для обжига колчедана составляет 30 т колчедана в сутки. Колчедан содержит 42,2% серы. Воздух расходуется на 60% больше теоретического. Выход сернистого газа составляет 97,4%.
    продолжение
--PAGE_BREAK--Вычислить а) содержание колчедана FеS2 (в%); б) объем и состав газовой смеси, выходящей из смеси за 1 час; в) массу оставшегося в печи огарка; г) массу оставшегося в печи не прореагировавшего FeS2.
10. Протекают две параллельные реакции 2А → С и А → 3В. Определите выход продукта С, степень превращения реагента А и селективность по продукту В, если на выходе из реактора известно количество веществ ν(А) = 2 моль, ν(С)=ν(В)=3 моль.
3.3 Задачи с экологическим содержанием
Охрана воздушного и водного бассейнов, защиты почв, сохранение и воспроизводство флоты и фауны – важные проблемы современности. В нашей стране разработано несколько общих направлений защиты биосферы от промышленных выбросов: создание безотходных технологий, замкнутых систем производств, основанный на полном комплексном использовании сырья; уменьшение объема промышленных стоков путем создания бессточных производств; проведение мероприятий по уменьшению загрязнения биосферы газообразными выбросами сжигания топлива; разработка методов утилизации; и обезвреживания производственных отходов и выбросов на действующих предприятиях.
Экологическая химия – наука, изучающая основы экологических явлений и химических процессов, происходящих в природе. В данном разделе применяются основные законы и формулы, применяемые для расчета массы, количества вещества, объема, концентрации, в том числе и для определения предельно-допустимых концентраций.
Предельно-допустимая концентрация (ПДК) – это такая концентрация, которая не оказывает на живые организмы прямого или косвенного влияния, не снижает его работоспособность, самочувствие. Основной задачей газоочистки и очистки сточных вод служит доведение содержания токсичных примесей в газах и сливных водах до ПДК установленных санитарными нормами. При невозможности достигнуть ПДК путем очистки иногда применяют многократное разбавление токсичных веществ или выброс газов через высокие дымовые трубы для рассеивания примесей в верхних слоях атмосферы. Для санитарной оценки среды используют несколько видов ПДК.
-                     ПДК воздушной среды;
-                     ПДК водной среды;
-                     ПДК почвы.
Для определения предельно-допустимой концентрации применяют следующую формулу:
,
где Сm– предельно-допустимая концентрация, m – масса токсичного соединения,
V – объем, в котором присутствует соединение данной массы.
Теоретическое определение концентрации примесей в нижних слоях атмосферы в зависит от высоты трубы. Высота трубы, от которой зависит содержание примесей в приземном слое воздуха, рассчитывается по эмпирической формуле:

где М – количество вредных веществ, выбрасываемых в атмосферу, г/с; V– объем выбрасываемых газов, м3 /с; ∆Т – разность между температурами выходящих газов и окружающего воздуха, ◦С;N – число труб, через которые выводятся отходные газы.
Предельно допустимый выброс (ПВД) вредных примесей в атмосферу, обеспечивающий концентрацию этих веществ в приземном слое воздуха не выше ПДК, рассчитывается по формуле

где А – коэффициент, определяющий условия вертикального и горизонтального рассеивания вредных веществ в воздухе; F- коэффициент, учитывающий скорость седиментации вредных веществ в атмосфере; m- коэффициент, учитывающий условия выхода газа из устья трубы. Коэффициент m может быть вычислен по формуле

где v–средняя скорость газа на выходе из трубы, м/с; d — диаметр трубы, м.
Примеры решения задач.
1. В настоящее время муравьиную кислоту получают из природного газа путем каталитического окисления содержащегося в нем метана. Вычислите объем природного газа (и. у.), необходимого для получения муравьиной кислоты массой 69 т, если объемная доля метана в нем равна 0,95. Определите преимущества данной технологии по сравнению с методом получения муравьиной кислоты путем разложения формиата натрия серной кислотой при охлаждении раствора.
Решение:
СН4 + 3[О] →НСООН+Н2О
ν(НСООН) ===1,5*106 моль;
V(СН4) =ν*Vm= 1,5*106 моль*22,4 л/моль=33,6*105 л.
 V(природного газа)=33,6* 106 л: 0,95=35,37*106 л=35,37*103 м3
Ответ: объем природного газа равен 35,37*103 м3.
Современный способ получения муравьиной кислоты дает экономическую выгоду, так как его использование уменьшает расход ценного сырья. Экологическая выгода заключается в том, что если природный газ используют без предварительной переработки, то это вызывает попадание в атмосферу большого количества продуктов его сгорания: оксидов серы, азота, углерода, которые загрязняют окружающую среду. Данная технология получения муравьиной кислоты имеет также преимущества в сравнении с синтезом кислоты из формиата натрия, который осуществляется в несколько стадий и дает в качестве побочных продуктов производства соли серной кислоты, кислотные и щелочные сточные воды.
Природный газ данного объема почти полностью расходуется на получение муравьиной кислоты. Следовательно, выброс отходов производства в окружающую среду уменьшается по сравнению с методом получения ее разложением формиата натрия, так как используется малоотходная технология.
2. В сточных водах химико-фармацевтического комбината был обнаружен хлорид ртути HgCl2, концентрация которого составила 5 мг/л. Для его очистки решили применить метод осаждения. В качестве осадителя использовали сульфид натрия (Na2S) массой 420 г. Будут ли достаточно очищены сточные воды, чтобы допустить их сброс в соседний водоем, содержащий 10 000 м3 воды?
ПДК (HgCl2) = 0,0001 мг/л. Объем сточных вод 300 м3
Решение:
HgCl2 + Na2S = HgS + 2NaCI
C(HgCI2)= 5 мг/л = 5 * 10-3г/л; V=300 м3 = 300*10 3л;
m(HgCl2)=1500г
ν(HgCl2)= 5,52 моль
m(Na2S) =420 г; ν(Na2S) = 5,38 моль. Согласно уравнения реакции в недостатке содержится сульфид натрия, в избытке — хлорид ртути. Останется хлорида ртути количеством 0,14 моль, m =0,14 моль*271,58 г/моль= 38 г.
m (HgCl2) = 38 г;
Находим ПДК

Это число значительно превышает ПДК. Однако при сбросе сточных вод в природный водоем концентрация хлорида ртути понизится и будет равна: . Полученное число также больше ПДК. Таким образом, сброс воды недопустим.
Ответ: Сm (HgCl) = 0,127 мг/л в сточных водах и 0,0037 мг/л в открытом водоеме, что значительно больше ПДК.
3. Как можно утилизировать доменный газ?
Решение:
Доменный газ имеет высокую температуру, поэтому на первой стадий его
переработки осуществляют утилизацию тепла, на второй — от газа отделяют
колошниковую пыль (оксиды меди) с помощью циклонов и электрофильтров. В дальнейшем доменный газ используют в качестве топлива. Кроме того, его
можно очистить от оксидов серы по реакции Клауса:
 SO2 + 2H2S = 3S + 2Н2О.
Следует отметить, что в настоящее время доменный процесс считается бесперспективным. Его заменяют прямым восстановлением железа из руды.
Задачи для самостоятельной работы
1. В радиусе 2 км вокруг химического завода ощущается легкий запах сероводорода. Анализ проб воздуха, отобранных с вертолета, показал, что газ находится в атмосфере на высоте до 2,0 км. Средняя концентрация сероводорода в воздухе составляет 1/20 промышленно допустимой концентрации (ПДК), равной 0,01 мл/л. Сколько тонн серной кислоты (считая на безводную) можно было бы получить, если бы удалось уловить весь сероводород в этом пространстве?
2. Картофель, выращенный вблизи шоссе, всегда содержит весьма ядовитые соединения свинца. В пересчете на металл в 1кг такого картофеля было обнаружено 0,001 моль свинца. Определите, во сколько раз превышено предельно допустимое содержание свинца в овощах, значение которого равно 0,5 кг?
3. Природный газ содержит главным образом метан СН4, но в нем присутствуют и примеси, например ядовитый сероводород Н2S — до 50 г на 1 кг метана. Чтобы удалить примесь сероводорода, можно окислить его перманганатом калия КМnО4 в кислой среде до серы. Рассчитайте массу серы, которую можно таким образом выделить из 1 т природного газа. Определите также массу серной кислоты, которая может быть получена из этой серы.
4. Диоксид серы образуется в основном при сжигании твердого топлива на тепловых электростанциях. Это бесцветный газ с резким запахом, он сильно раздражает слизистые оболочки глаз и дыхательных путей. Наличие диоксида серы в атмосфере — причина кислотных дождей, поскольку под действием кислорода воздуха и воды диоксид серы превращается в серную кислоту. Однако далеко не все производства, в выбросах которых содержится диоксид серы, имеют современные сооружения для газоочистки. Чаще применяется разбавление выбросов чистым воздухом или рассеивание их в воздушной среде путем устройства дымовых труб большой высоты. Установлено, что при высоте трубы 100 м на расстоянии 2 км от предприятия содержание диоксида серы в воздухе равно 2,75 мг/м3. Во сколько раз этот показатель превышает значение предельно допустимой концентрации, равное 7,8*10-6 моль/м3.
5. Формальдегид НСНО применяется при изготовлении древесностружечных плит, красок, искусственного волокна, лекарственных средств, оргстекла и т.п. Он обладает сильным и резким запахом и угнетающе действует на сердечнососудистую и нервную системы. Запах формальдегида чувствуется при его содержании в воздухе, равном 0,2 мг/м3, а санитарные нормы требуют, чтобы примесь формальдегида в воздухе не превышала 0,003 мг/м3. Рассчитайте молярную концентрацию формальдегида: а) при полном соответствии воздуха санитарным нормам; б) при появлении запаха формальдегида.
6. Рассчитайте, какой высоты должна быть труба, чтобы концентрация оксида серы (IV) в приземистом слое воздуха не превышала ПДК (0,5 мг/г3). Отходящий топливный газ с объемной долей оксида серы (IV) 0,05% поступает в дымовую трубу со скоростью 300 м3/ч при температуре 130◦С. Температура воздуха 20◦С.
7. Незаконное захоронение ртути привело к тому, что ее содержание в 1кг почвы на некотором участке лесопарковой зоны составило 0,005 моль. ПДК ртути в почве равно 21 мг/кг. Во сколько раз превышено значение ПДК ртути в почве?
8. Водный раствор 0,001 моль йода в избытке йодида калия полностью обесцветился после пропускания через него 1м3 воздуха. Рассчитайте содержание диоксида серы (мг/м3) в исследуемом воздухе и сравните полученный результат с ПДК (SO2), равной 0,05мг/м3. Превышено ли значение ПДК диоксида серы?
9. Историки полагают, что случаи отравления соединениями свинца в Древнем Риме были обусловлены использованием свинцовых водопроводных труб. Свинец в присутствии диоксида углерода взаимодействует с водой. При этом образуется растворимый гидрокарбонат свинца:
Рb+СО2+Н2О=РbСО3+Н2↑
РbСО3+СО2+Н2О=Рb(НСО3)2
Катионы свинца не приносят вреда здоровью, если их содержание в воде не превышает 0,03 мг/л. Во сколько раз оно было превышено, если считать, что 1 литр водопроводной воды содержал 0,0000145 моль Рb2+?
10. При производстве серы автоклавным методом неизбежно выделяется около
 3 кг сероводорода на каждую тонну получаемой серы. Сероводород — чрезвычайно ядовитый газ, вызывающий головокружение, тошноту и рвоту, а при вдыхании в большом количестве — поражение мышцы сердца и судороги, вплоть до смертельного исхода. Какой объем сероводорода (при н. у.) необходимо поглотить в системах газоочистки при получении 125 т серы на химзаводе?
11. На нефтеперерабатывающем заводе из-за поломки произошел аварийный выброс нефтепродуктов в ближайшее озеро. Масса сброшенных продуктов составила 500 кг. Выживут ли рыбы, обитающие в озере, если известно, что примерная масса воды в озере 10000 т. Токсичная концентрация нефтепродуктов для рыб составляет 0,05 мг/л.
12. Определите ПВД фтороводорода (в г в сек), обеспечивающий концентрацию его в приземном слое атмосферы в районе суперфосфатного завода не выше ПДК 0,05 мг/м3, при высоте дымовой трубы 100 м и ее диаметре 0,7 м. Объем газового выброса равен 160, а коэффициент седиментации – 1. Средняя скорость газа на выходе из трубы – 0,4 м/с. Температура выходящего газа 40С, а атмосферы – 23С.
3.4 Производство неорганических соединений
3.4.1 Металлургия
Металлургия – это наука о промышленных способах получения металлов из природного сырья. Металлургией также называю металлургическую промышленность. Сырьем в производстве металлов является металлические руды. За исключением небольшого числа металлов находящихся в природе в виде химических соединений входящих в состав металлических руд. Основной задачей металлургической промышленности является получение металлов из руд. Для этого руду подготавливают, подвергают вторичной обработке и процессу восстановления.
Задачи, которые приводятся в этом разделе являются расчетными задачами по уравнениям химических реакций. При решении задач используют основные законы и формулы химии, а также формулы которые рассматривались в предыдущих разделах (выход продукта, интенсивность, производительность и тд.)
Одной из важнейших задач химической технологии является обогащение сырья. Для этого применяют метод флотации, который основан на различной смачиваемости водой минералов.
Выход концентрата(Вк) называется процентное отношение веса полученного концентрата к весу взятой руды.
Степень извлечения(Си) называется процентное отношение веса извлеченного элемента в концентрате к его весу в руде.
Степенью обогащения (Со) называется отношение процентного содержания элемента в концентрате к содержанию его в исходной руде.
В этом разделе при решение задач используют следующие понятия: выход продукта, расчет состава руды, возможность самопроизвольного протекания реакции получения металла, которые подробно описываются в других разделах.
Примеры решения задач
1. Рассчитать минимальный расход магния для удаления сурьмы из 10 т чернового свинца, в котором сурьма составляет 0,5% массы. Сурьма выделяется из сплава в составе соединения Мg3Sb2
Решение:
Составим первое уравнение масса магния, добавленного в черновой сплав, равна массе магния в выделившемся из сплава соединении Mg3Sb2. Запишем второе уравнение, полагая, что масса сурьмы, содержащейся в 10 т чернового сплава, равна массе сурьмы и образовавшемся соединении Мg3Sb2.
m(Mg) = m(Mg3Sb2)*(3*M(Mg)/M(Mg3Sb2)
10*0,005 = m(Mg3Sb2)*(2*M(Sb)/M(Mg3Sb2)
Или
m(Mg) = m(Mg3Sb2)*(3*24)/316
0,05 = m(Mg3Sb2)*(2*122/316)
Для решения системы уравнении разделим правую и левую части первого уравнения на соответствующие части второго и обозначая (Мg) через х, получим:
x/0,05=24*3/122*2, x=0,0148
Ответ. Минимальный расход магния— 14,8 кг.
2. На обогатительной фабрике флотации подвергается руда, содержащая 1,3% меди. При флотации 1т исходной руды получится 110,5 кг концентрата, содержащего 9,6% меди. Определите выход концентрата, степень извлечения и степень обогащения.
Решение
1.Вк=
2. Для вычисления Си рассуждаем так
а) в 100 кг исходной руды содержится 1,3 кг меди
в 1000 кг — х кг меди
х= 13 кг меди
б) в 100 кг концентрата содержится 9,6 кг меди
в 110,5 кг — х кг меди
х= 10,6 кг меди.
Следовательно, степень извлечения будет равна
Си=
3. Со=раза.
Ответ Вк=11,05%, Си=81,5%, Со=7,4 раза.
Примеры решения задач
1. Имеется титановая руда, состоящая из минералов рутила, перовскита и пустой породы. Массовая доля ТiО2 в этих минералах составляет соответственно 97% и 59%. Вычислить массовые доли названных выше минералов в руде, если известно, что содержание титана равно 27% от массы руды, а пустой породы – 38%.
2. Для легирования стали, требуется внести в расплав титан, чтобы его массовая доля составила 0,12%. Какую массу сплава ферротитана надо добавить к расплаву стали массой 500 кг, если массовые доли металлов в ферротитане составляют: титана – 30%, железа – 70%
3. Некоторая порода состоит из минералов сильвинита (KCl), каинита (MgSO4*KCl*3H2О) и карналлита (MgCl2*KCl*6H2О). Массовая доля калия в породе составляет 18%, а примесей (не содержащих калия и магния) – 12%. Вычислите возможную массу магния в 100 кг породы.
4. При обогащение 10 т медной сульфидной руды, содержащей 1,5% меди, получено 400 кг концентрата, содержащего 30% меди. Определить степень извлечения и степень концентрации.
    продолжение
--PAGE_BREAK--5. При флотации 5т цинковой руды, содержащего 3% цинка, получено 340 кг концентрата, содержащего 22% цинка. Определите выход концентрата, степень извлечения и степень концентрации.  
6. Восстанавливая углем соединение Fe(CrO2)2 (хромистый железняк), получают сплав феррохром, используемый в металлургии. Определите массовую долю хрома в этом сплаве, считая, что других компонентов, кроме железа и хрома, он не содержит.
7. Железная руда имеет состав: магнетит Fе3О4 (массовая доля55%), ильменит FеТiО3 (массовая доля 15%) и другие вещества, не содержащие железо и титан. Какую массу железа и титана можно получить из такой руды массой 300 кг?
8. Из медной руды массой 16т, содержащей халькозин Cu2S и вещества, не содержащие медь, получили черновой металл массой 650 кг. Определите массовые доли меди и халькозина в руде, если массовая доля меди в черновом металле составляет 98,46%.
9. Для удаления висмута из черного свинца к расплавленному металлу добавляют сплав Pb – Ca, массовая доля кальция в котором составляет 0,03. Рассчитать теоретический расход сплава Pb – Ca для удаления висмута из 100 т чернового свинца, массовая доля висмута в котором равна 0,001. Висмут выделятся из сплава в составе соединения Ca3Bi2.
10. Медная руда содержит CuCO3*Cu(OH)2 и азурит 2CuCO3*Cu(OH)2 Какую массу меди можно получить из руды массой 5т, если массовая доля малахита 8%, азурита 3,6%. Определите массовую долю меди в руде.
3.4.2 Электрохимические производства
Электролизом называется окислительно-восстановительная реакция, протекающая при пропускании постоянного электрического тока через расплав или раствор электролита.
Сущность электролиза заключается в следующем: при пропускании электрического тока через расплав или раствор электролита положительные ионы электролита (ионы металлов или водорода) притягиваются катодом, а отрицательные ионы (кислотные остатки или гидроксильные группы) — анодом. Приносимые к катоду от источника тока электроны присоединяются к положительным ионам электролита, восстанавливая их. Одновременно отрицательные ионы электролита отдают свои электроны аноду, от которого они двигаются к источнику тока. Теряя свои электроны, они окисляются в нейтральные атомы или группы атомов. Таким образом, у катода протекает процесс восстановления, а у анода — процесс окисления.
А (+): nAn — — ne- → nAp —
K (-): nBn+ + ne- → nBp+
Оба процесса образуют единую окислительно-восстановительную реакцию. Но в отличие от обычных окислительно-восстановительных реакций электроны от восстановителя к окислителю переходят не прямо, а посредством электрического тока. Катод, приносящий электроны, является восстановителем, а анод, уносящий их,— окислителем.
Основными показателями электрохимических производств являются выход по току, степень использования энергии. Расходный коэффициент по энергии, напряжение, приложенное к электролизеру, и др. Большинство вычислений основано на законе Фарадея, согласно которому масса вещества, выделившегося при электролизе пропорционально силе токаI, времени электролиза tи электрохимическому эквиваленту этого вещества ЭЭ
Масса вещества вычисляется по формуле
 (1.3.1)
где,I— сила тока, F – постоянная Фарадея (96500 Кл)
 (г-экв) (1.3.2)
Mr – относительная молекулярная масса вещества,
n – заряд иона (абсолютное значение) в виде которого вещество находится в растворе или в расплаве (т.е. количество отданных или принятых электронов).
Выход по току определяется отношением массы вещества, выделившегося при электролизе, к массе вещества, которое теоретически должно выделится согласно закону Фарадея, и выражается в процентах:
 (1.3.3)
Масса mтеор находится по формуле
 (1.3.4)
Выход по энергии определяется по уравнению
 (1.3.5)
где, Етеор и Епр – теоретическое и практическое напряжение разложения при электролизе соответственно, В; η — выход по энергии,%.
Выход по энергии может быть вычислен и по количеству затраченной энергии:
 (1.3.6)
где wтеори wпр – количество энергии, теоретически необходимое и практически затраченное на получение единицы продукта.
 (1.3.7)
где 1000 – коэффициент перевода Вт*ч в кВт*ч;
1*10-6 – число, используемое для перевода граммов в тонны.
Теоретический расход электроэнергии находится по отношению
 (1.3.8)
где φразл – напряжение разложения.
Примеры решения задач
1. Какие процессы происходят при электролизе расплава гидроокиси натрия?
Решение:
В расплаве едкого натра содержатся ионы Nа+ и ОН. Окисляющиеся у анода ионы ОНв следующей стадии разлагаются с образованием воды и кислорода. Процесс можно изобразить следующим образом:
К(-): 2Na+ + 2е- = 2Na;
А(+): 2ОН — 2e — = Н2О + О2
Два атома кислорода, соединяясь друг с другом, образуют молекулу кислорода О2. Таким образом, суммарное уравнение
4NаОН = 4Na + 2Н2О + О2
При электролизе расплавов солей кислородных кислот окисляющиеся ионы кислотных остатков тут же разлагаются на кислород и соответствующие оксиды.
Своеобразно протекает электролиз в водном растворе. Дело в том, что сама вода — электролит, хотя и очень слабый. Таким образом, в водном растворе фактически содержатся два электролита — растворитель и растворенное вещество и соответственно по два вида как положительных, так и отрицательных ионов. Какие из них будут разряжаться, зависит от ряда условий. Как правило, можно руководствоваться следующим. Если положительные ионы электролита являются ионами очень активных металлов, как например Na+ или К-, то при электролизе разряжаются не ионы этих металлов, а ионы водорода из воды с выделением свободного водорода и освобождением гидроксильных ионов, что может быть выражено следующим электронно-ионным уравнением:
2H+OH+ 2е- = Н2↑ + 2ОН
Если отрицательными ионами электролита являются кислотные остатки кислородных кислот, то при электролизе разряжаются не кислотные остатки этих кислот, а ионы ОНиз воды с выделением кислорода, что можно выразить уравнением:
4Н2О — 4е- = 4Н+ + 4ОН
4ОН- 2Н2О+О2
Складывая оба уравнения, получаем:
2Н2О — 4е — = 4H+ + O2
2. Определить выход по току (в%), если в течение 24 ч в электролизере раствора поваренной соли при силе тока 15500А было получено 4200 л электролитической щелочи с концентрацией NaOH125 кг/м3.
Решение:
По уравнению (1.3.4) масса гидроксида натрия теоретически должна была составить

практически было получено

Следовательно, выход по току по формуле (1.3.3) будет равен

Ответ: выход по току 94,6%.
3. Определите фактический расход электроэнергии (в киловатт-часах) на получение хлора массой 1 т и выход по энергии (в%), если среднее напряжение на электролизере 3,35В, выход по току 96%, а электрохимический эквивалент хлора равен 1,323 г/А*ч.
Решение:
Использовав формулу (1.3.7), определим фактический расход энергии

Если принять выход по току за 100%, то при теоретическом напряжении разложения NaCl, равном 2,17В, теоретический расход энергии на 1т хлора составит

В этом случае выход по энергии

Ответ: выход по энергии 62,2%; 2637 кВ/ч
Задачи для самостоятельного решения
1. Один из способов промышленного получения кальция – электролиз расплавленного хлорида кальция. Какая масса металла будет получена, если известно, что в результате электролиза выделился хлор объемом 896 л (н.у.)?
2. При электролизе раствора хлорида натрия в электролизе, работавшем в течении 24ч при силе тока 30000 А, было получено 8,5 м3 электролитической щелочи с концентрацией NaOH 120 кг/м3. рассчитать выход по току (для щелочи)
3. Определить силу тока, необходимые для выработки 100% -ного гидроксида натрия массой 1720 кг в сутки в электролизере с железным катом при его непрерывной работе, если выход по току составляет 96%
4. Вычислить массу хлора, вырабатываемого за год заводом, на котором установлено 5 серий по 150 электролизеров с железными катодами при непрерывной работе в течении 350 дней, силе тока 34000 А и выходе по току 95%. Определить мощность генератора переменного тока электростанции, обеспечивающий потребности завода в электрической энергии при напряжении донной серии 550 В, если КПД выпрямителя тока составляет 95%.
5. Вычислить теоретический и практический расход электроэнергии на 1т 100% NаОН для электролиза раствора хлорида натрия с ртутным катодом. Теоретическое напряжение разложения равно 3,168 В. Определить выход по энергии, если практическое напряжение разложения 4,4 В, а выход по току 92,5%.
6. Какие вещества, и в каком количестве выделяются на угольных электродах, если состав раствора 0,1 моль HgCl2 и 0,2 моль CuCl2 и через него пропускается ток силой 10 А в течение 1 ч?
7. При прохождении электрического токачерез разбавленный раствор серной кислоты в течении 10 мин выделилось 100 мл водорода при 18С и давлении
755 мм рт. ст. Вычислите силу тока.
8. При электролитическом получении магния в качестве электролита может служит расплавленных хлорид магния. Вычислите выход по току, если в ванне, работающем при силе тока 40000 А, в течении 5 ч, выделилось 72,6 кг магния.
9. Определить количество электричества, необходимое для выделения 1 м3 водорода и 0,5 м3 кислорода, получаемое при электролизе воды. Теоретическое напряжение воды равно 1,23 В, а фактическое превышает его в 1,5 – 2 раза. Рассчитать фактический расход электрической энергии.
10. При электролизе раствора содержащего 2,895 г смеси FeCl2 и FeCl3, на катоде выделилось 1,12 г металла. Вычислите массовую долю каждого из компонентов исходной смеси, если электролиз проводили до полного осаждения железа.

3.5 Производство органических соединений
Основной или тяжелый органический синтез – это производство в больших количествах важнейших органических веществ преимущественно жирного ряда и простых по строению: спиртов (метилового, этилового), галогенопроизводных (винилхлорид), альдегидов и кетонов (формальдегид, ацетон), карбоновых кислот (муравьиная, уксусная, ВЖК), алкенов, диеновых УГВ. На базе продуктов тяжелого органического синтеза получают СМС, лекарственные препараты, ядохимикаты, пластмассы, волокна.
Как правило, это расчетные задачи по уравнениям химических реакций. При решении таких задач применяются основные законы и формулы для нахождения выхода продукта, массы, количества и т.д.
При решении задач используются как структурные формулы, так и брутто-формулы.
Примеры решения задач
1. При взаимодействии салициловой кислоты с уксусным ангидридом получают ацетилсалициловую кислоту, известную в медицине под названием «аспирин»:
Рассчитайте массу аспирина, который можно получить из 690 кг салициловой кислоты, если массовая доля выхода продукта составляет 75% от теоретически возможного.
Решение:
В уравнении реакции можно написать как структурные формулы, так и брутто-формулы.
С7Н12О3 + С4Н6О3 → С8Н14О4 + СН3СООН
салициловая кислота уксусный ангидрид аспирин уксусная кислот
Находим количество салициловой кислоты.
ν(С7Н12О3)=
По уравнению ν(С7Н12О3)= ν(С8Н14О4)=4792 моль
mтеор(С8Н14О4)=4792 моль*174 г/моль=833808г.
Находим mпр

Ответ: 625 кг.
Задачи для самостоятельного решения
1. В промышленности винилхлорид получают пиролизом дихлорэтана:
2С2Н4 + 2НС1→ С2Н3С1 + НСl. В настоящее время осуществлен сбалансированный синтез дихлорэтана, при котором получают единственный продукт процесса — винилхлорид. Для этого выделяющийся при пиролизе дихлорэтан смешивают с этиленом и подвергают окислительному хлорированию на катализаторе, содержащем хлорид меди(II) на носителе. Напишите уравнение реакции и рассчитайте объем хлороводорода (н. у.), выделившегося при пиролизе 19,8 кг дихлорэтана, и массу винилхлорида, полученного при сбалансированном синтезе. Какой объем займет этилен (н. у.), необходимый для второй стадии процесса?
2. Полимеризацией хлоропрена получают хлоропреновые каучуки, характеризующиеся высокой устойчивостью к действию света, теплоты и растворителей. Найдите молекулярную формулу хлоропрена, если известно, что массовые доли элементов в нем составляют: углерода — 54,24%, водорода — 5,65%, хлора — 40,11%. Относительная плотность его паров по водороду равна 44,25.
3. Полимеризацией стирола получают полистирол, который используют в электротехнике в производстве декоративно-отделочных материалов и предметов бытового назначения. Найдите молекулярную формулу стирола, если известно, что массовая доля углерода в нем составляет 92,3%, водорода — 7,7%. Относительная молекулярная масса стирола равна 104.
4. Один из многоатомных спиртов используют для приготовления антифризов — жидкостей, замерзающих при низкой температуре. Антифризы используют в зимних условиях для охлаждения автомобильных двигателей. Найдите молекулярную формулу этого спирта, если массовая доля углерода в нем составляет 38,7%, водорода — 9,7%, кислорода — 51,6%. Относительная плотность его паров по водороду равна 31. Напишите структурную формулу спирта и назовите его.
5. Наиболее перспективный способ получения уксусного альдегида — прямое окисление этилена кислородом в присутствии катализаторов — хлоридов палладия и меди. Напишите уравнения реакций и рассчитайте какой объем этилена (н.у.) израсходуется на получение 200 кг уксусного альдегида, если массовая доля выхода его составляет 96% от теоретически возможного?
6. Алкены широко используют для получения альдегидов методом оксосинтеза. Сущность этого метода заключается во взаимодействии алкена с синтез-газом (смесь оксида углерода(II) и водорода) при нагревании и в присутствии специального катализатора. Напишите уравнения реакций. Какой объем этилена (н.у.) расходуется на получение 360 кг пропаналя методом оксосинтеза, если массовая доля выхода альдегида составляет 90% от теоретически возможного?
7. В промышленности муравьиную кислоту получают нагреванием оксида углерода (II) с порошкообразным гидроксидом натрия с последующей обработкой образовавшегося формиата натрия серной кислотой:
 + СО 4Н2SО4
NaОН → НСООNа → НСООН.
 - NaHSO4
Какую массу муравьиной кислоты можно получить из 112 кг оксида углерода(II), если массовая доля выхода кислоты составляет 86% от теоретически возможного?
8. Двухосновную адипиновая кислоту НООС-(СН2)4-СООН в больших количествах используют для получения синтетического волокна найлона. В пищевой промышленности она может заменять лимонную и винную кислоты. Сейчас адипиновую кислоту получают окислением циклогексана кислородом. Рассчитайте массу адипиновой кислоты, которую можно получить из 336 кг циклогексана, если массовая доля выхода кислоты составляет 75% от теоретически возможного.
9. Взаимодействием этилового спирта с уксусной кислотой получают этилацетат, используемый в производстве нитроцеллюлозных лаков. Определите массу этилацетата, который образуется при взаимодействии 60 кг 80%-ной уксусной кислоты с 70 кг 96%-ного этанола. Массовая доля выхода этилацетата составляет 90% от теоретически возможного.
10-. Изоамилацетат (грушевая эссенция) используют в пищевой и кондитерской промышленности. Определите массу грушевой эссенции, которую можно получить при взаимодействии 66 кг изоамилового спирта и 112,5 кг 80%-ной уксусной кислоты. Массовая доля выхода эссенции составляет 60% от теоретически возможного.
11. Анилин широко применяют в производстве красителей, фармацевтических препаратов, вспомогательных веществ для резиновой промышленности, полимерных материалов. В последнее время анилин часто получают из хлорбензола и аммиака: С6Н5С1 + 2NH3 → C6H5NH2 + NH4Cl
Определите массу анилина, который можно получить из 450 кг хлорбензола, если массовая доля выхода анилина составляет 94% от теоретически возможного.
12. Поливинилхлорид (ПВХ) используют как упаковочный материал для пищевых продуктов, а также как сырье для производства игрушек, моющих обоев и т.д. Ежегодно в Ханты-Мансийском округе отходы из ПВХ составляет 0,1% от общего количества бытовых отходов – 2 млн. тонн. Напишите уравнения реакций получения ПВХ из метана. Рассчитайте, сколько тонн природного газа (содержание метана 95%) тратится на получение такого количества ПВХ.

3.6 Творческие и изобретательские задачи
В этом разделе не предусматриваются методические рекомендации при решении задач, т.к. диапазон решения теоретических задач очень широк и при решении таких задач происходит акт творчества, находится новый путь в решении сложных проблем или создается нечто новое. Но при решении таких задач студенты опираются на законы химии, физики и математики.
    продолжение
--PAGE_BREAK--