Съдържание

НОХ 2016, II кръг (областен), 10–12 клас — Задача 2

Оригинал на условието (PDF)Съобщи за грешка

Всички материали от НОХ 2016

МОН, XLVIII НАЦИОНАЛНА ОЛИМПИАДА ПО ХИМИЯ И ОПАЗВАНЕ НА ОКОЛНАТА СРЕДА. Областен кръг, 13 февруари 2016 г. Учебно съдържание X - XII клас · 13 февруари 2016 г. · 25 т.

Важно за проверителите!

Примерни решения и оценка на задачите

Важно за проверителите! Освен представените примерни решения, за вярно се приема и всяко друго решение, което е логично обосновано и води до същия (числов или фактологичен) резултат.

При непълни отговори (например неизравнени уравнения) могат да се присъждат и по-малко от предвидените точки.

Условие

Азотът образува с кислорода поредица от оксиди в положителни степени на окисление. За определяне на количествения състав на един от газообразните му оксиди, последният е пропуснат през нажежена до червено медна тръба. Протича реакцията:

\mathbf{yCu + N_xO_y \longrightarrow yCuO + \frac{x}{2}N_2} \qquad ,

в резултат на която масата на тръбата се увеличава с 3,84 g, а обемът на образувания в резултат на химичното взаимодействие газ е 1,34 L (н.у.).

1. Определете емпиричната формула на оксида със съответните изчисления.

2. Запишете емпиричните формули на оксидите на азота в положителните му степени на окисление. Тези формули изразяват състава на мономерните оксиди на азота.

Два от тези мономерни оксиди проявяват склонност към образуване на димери, поради наличие на несдвоен електрон в молекулите им.

3. Изчислете общия брой електрони на атомите, влизащи в състава на молекулите на мономерните оксиди от т. 2, и на тази основа определете кои азотни оксиди са неустойчиви и склонни към димеризация? Запишете с химични формули двата димерни оксида.

4. Какъв химичен характер имат двата мономерни оксида? Обяснете отговора, включително с химично(и) уравнение(я).

Химичното уравнение 2А(g) $\rightleftharpoons$ А $_{\mathbf{2}}$ (g) изразява в общ вид димеризация на молекули на мономера А до димера А $_{\mathbf{2}}$ . За тази реакция стойността на $\Delta E_a = E_{a2} - E_{a1}$ е 57,2 kJ/mol, където: $E_{a1}$ е активираща енергия на правата реакция, $E_{a2}$ – активираща енергия на обратната реакция. Стойността на равновесната константа при температура $T = 70\ {}^{\circ}\mathrm{C}$ е $K = 0{,}334$ .

5. Изчислете отношението $k_2'/k_1'$ при температура $T' = 100\ {}^{\circ}\mathrm{C}$ , където: $k_1'$ и $k_2'$ са скоростните константи на правата и обратната реакции.

Отговори

Решение

Увеличението на масата на тръбата е за сметка на кислородните атоми от неизвестния оксид $\mathrm{N_xO_y}$ , които образуват CuO. Тогава:

$n(\mathrm{O}) = m(\mathrm{O})/M(\mathrm{O}) = 3{,}84/15{,}999 = 0{,}240\ \mathrm{mol}$ 0,5 т.

$n(\mathrm{N_2}) = V(\mathrm{N_2})/V_m(\mathrm{N_2}) = 1{,}34/22{,}4 = 0{,}0598\ \mathrm{mol}$ 0,5 т.

$n(\mathrm{N}) = 2\times n(\mathrm{N_2}) = 2\times0{,}0598\ \mathrm{mol} = 0{,}120\ \mathrm{mol}$ 0,5 т.

От уравнението: $\mathbf{yCu + N_xO_y \rightarrow yCuO + x/2\ N_2}$ следва:

$x:y = n(\mathrm{N}) : n(\mathrm{O}) = 0{,}120 : 0{,}240 = 1:2$ 1,5 т.

Неизвестният оксид $\mathbf{N_xO_y}$ е $\mathbf{NO_2}$ 1 т.

$\mathrm{N_2O}$ NO $\mathrm{N_2O_3}$ $\mathrm{NO_2}$ $\mathrm{N_2O_5}$ $5 \times 0{,}5 =$ 2,5 т.
$22\ e^-$ $15\ e^-$ $38\ e^-$ $23\ e^-$ $54\ e^-$ $5 \times 0{,}5 =$ 2,5 т.

Нечетният брой $\mathbf{e^-}$ при NO и при $\mathrm{NO_2}$ означава наличие на несдвоен електрон в молекулите им и склонност към димеризация. 1 т.

Димери: $\mathrm{N_2O_2}$ $\mathrm{N_2O_4}$ (приемат се съответно и: $\mathrm{(NO)_2}$ $\mathrm{(NO_2)_2}$ ) $2 \times 1 =$ 2 т.

NO – неутрален оксид $\mathrm{NO_2}$ – киселинен оксид $2 \times 0{,}5 =$ 1 т.

NO не взаимодейства с вода и не му съответства оксокиселина. 1 т.

$\mathrm{2NO_2 + H_2O \rightarrow HNO_3 + HNO_2}$ 1 т.

При температура $T = 70 + 273 = 343\ \mathrm{K}$

За правата реакция: $k_1 = A_1\mathrm{e}^{-E_{a1}/RT}$ , 1 т.

а за обратната реакция: $k_2 = A_2\mathrm{e}^{-E_{a2}/RT}$ 1 т.

$K = k_1/k_2$ 1 т.

$K = \dfrac{A_1}{A_2}\mathrm{e}^{-E_{a1}/RT + E_{a2}/RT} = \dfrac{A_1}{A_2}\mathrm{e}^{+\Delta E_a/RT}$ 1 т.

$\Rightarrow \dfrac{A_1}{A_2} = K/\mathrm{e}^{+\Delta E_a/RT} = 0{,}334/\mathrm{e}^{+(57200/(8.314\times343))} = 6{,}50\times10^{-10}$ 2 т.

$A_1$ , $A_2$ и $\Delta E_a$ не зависят от температурата. $2 \times 0.5+1 =$ 2 т.

$\Rightarrow$ При температура $T' = 100 + 273 = 373\ \mathrm{K}$ :

$\dfrac{k'_2}{k'_1} = \dfrac{A_2}{A_1}\mathrm{e}^{+E_{a1}/RT' - E_{a2}/RT'} = \dfrac{A_2}{A_1}\mathrm{e}^{-\Delta E_a/RT'}$ 1 т.

$\dfrac{k'_2}{k'_1} = \dfrac{1}{6{,}50\times10^{-10}}\mathrm{e}^{-57200/(8.314\times373)} = \mathbf{15{,}0}$ 1 т.

Справочни данни

Справочни данни: $R = 8{,}314\ \mathrm{J\ mol^{-1}\ K^{-1}}$ , $0\ {}^{\circ}\mathrm{C} = 273\ \mathrm{K}$

$M$ (K) = 190,71 g/mol, $M$ (E) = 254,41 g/mol

Оригинал в Архива: Problems.pdf · официални решения: Solutions.pdf