В первую очередь необходимо оценить принципиальную возможность протекания реакции в заданных условиях. Анализ энергетических соотношений показывает, что самопроизвольно протекают процессы в сторону наиболее вероятного состояния системы. В ходе таких процессов энергия выделяется, и система переходит в состояние с меньшей внутренней энергией.

Вопросами перехода энергии из одной формы в другую при химических реакциях занимается научная дисциплина «химическая термодинамика», в частности раздел этой дициплины – «термохимия». Основным законом термохимии является закон Гесса. Согласно закону Гесса «самопроизвольно могут протекать только те реакции, которые сопровождаются уменьшением свободной энергии системы или возрастанием неупорядоченности системы».

На практике обнаруживается, что далеко не все реакции, удовлетворяющие закону Гесса, осуществимы в реальности. Для практической возможности проведения реакции необходимо учитывать также скорость протекания данной реакции. Рассмотрением закономерностей, присущих скоростям химических реакций занимается «химическая кинетика и химическое равновесие».

До выполнения заданий на данную тему студенту необходимо изучить разделы, посвященные химической термодинамике и кинетике, усвоить основные понятия и законы данных разделов (скорость реакции, константа скорости, закон действующих масс, зависимость скорости реакции от температуры, правило Вант-Гоффа, константа равновесия, принцип Ле-Шателье).

Кроме того, студент должен самостоятельно разобрать приведенные в литературных источниках примеры решения типовых заданий по данному разделу, а затем приступить к решению задания своего варианта.

Контрольные задания

41-45. Дайте определение понятию «скорость химической реакции». Опишите количественно (где это можно), как влияют на скорость реакции внешние условия (концентрация, температура, давление). Рассчитайте, во сколько раз изменится скорость прямой реакции, при изменении условий, указанных в табл. 5.

Т а б л и ц а 5

номер задания	реакция	изменение температуры	изменение давления
41	CaCO_3(тв.) → CaO_(тв.) + CO₂	↓ на 50 ºC, γ = 3	↑ в 2 раза
42	H₂O+ CO → CO₂ + H₂	↑ на 30 ºC, γ = 4	↓ в 3 раза
43	N₂ + 3H₂ → 2NH₃	↓ на 40 ºC, γ = 2	↑ в 2 раза
44	H₂ + Cl₂ → 2HCl	↓ на 60 ºC, γ = 4	↑ в 3 раза
45	2NO + O₂ → 2NO₂	↑ на 30 ºC, γ = 3	↓ в 2 раза

46-50. Чем характеризуется состояние химического равновесия? От каких факторов зависит константа равновесия? Предскажите, в соответствии с принципом Ле-Шателье, в какую сторону произойдет смещение равновесия при изменении внешних условий, указанных в вашем варианте, табл. 6.

Т а б л и ц а 6

номер	реакция	изменение температуры	изменение концентрации	изменение давления
46	2NO + O₂ ↔ 2NO₂ + Q	↑	↑ C_M(NO)	↑
47	CO₂ + CaCO_3(тв.) + H₂O_(пар) ↔ Ca(HCO₃)_(тв.) – Q	↓	↑ C_M(CO₂)	↑
48	N₂ + 3H₂ ↔ 2NH₃ + Q	↑	↓ C_M(NH₃)	↑
49	2NH₃ + 5NO₂ ↔ 7NO + 3H₂O_(пар) + Q	↓	↑ C_M(NH₃)	↓
50	N₂O₄ ↔ 2NO₂ – Q	↓	↓ C_M(NO₂)	↓

IV. РАСТВОРЫ

1. Способы выражения концентраций растворов

Изучение темы «растворы» студент начинает с того, что сначала изучает материал по учебному пособию. В процессе работы с учебником следует усвоить следующие основные понятия данного раздела курса:

· Какие системы называются растворами?

· Водные растворы и их значение в жизни животных.

· Взаимодействие веществ в растворах.

· Что такое электролитическая диссоциация? Какова роль растворителя в процессе электролитической диссоциации?

· Что называется степенью электролитической диссоциации? Как она зависит от температуры?

· Что такое константа диссоциации? От каких факторов она зависит? Какова зависимость между степенью диссоциации и константой диссоциации?

· Что называется ионным произведением воды и чему оно равно?

· Что такое водородный и гидроксидный показатели?

· Какими величинами pH характеризуются: нейтральная, кислая и щелочная среда? Как рассчитать pH растворов сильных и слабых кислот и оснований?

Для растворов большое практическое значение имеет понятие концентрации. Концентрацией называется способ выражения состава раствора. Состав можно выразить либо безразмерными величинами, такими как массовая доля (процентная концентрация), мольная доля, либо величинами, имеющими размерность, такими как молярность, нормальность.

При химических расчетах наиболее часто используются следующие три способа выражения концентрации:

- процентная концентрация (C_%), показывает, сколько граммов растворенного вещества содержится в 100 г раствора.

- молярная концентрация (C_M), показывает, сколько моль вещества содержится в 1 л раствора.

- нормальная концентрация (C_н), показывает, сколько моль эквивалентов содержится в 1 л раствора.

Для практических целей нередко приходится решать задачи, связанные с переходом от одного способа выражения концентрации к другому. Для этого во многих случаях необходимо использовать понятие плотности раствора:

обычно используемые единицы измерения – г/мл, кг/л.

Для конкретных расчетов требуется вспомнить, что количество вещества (n) и масса вещества (m) связаны между собой при помощи молярной массы вещества (M), а количество эквивалентов вещества (n_экв) и масса вещества связаны между собою с помощью молярной массы эквивалента (M_экв):

Для реакций нейтрализации молярная масса эквивалента вещества находится делением молярной массы вещества на:

число атомов водорода, если вещество – кислота;

число групп OH^¯, если вещество – основание;

число атомов металла умноженное на степень окисления металла, если вещество – соль.

Например,

M_экв(H₃PO₄) = M(H₃PO₄) / 3 = 32,7 г/моль;

M_экв(NaOH) = M(NaOH) / 1 = 40 г/моль;

M_экв(Al₂(SO₄)₃) = M(Al₂(SO₄)₃) / (2 ∙ 3) = 57 г/моль.

Пример 1. Найти молярную концентрацию 10% раствора глюкозы C₆H₁₂O₆, если плотность раствора d = 1,12 г/см³ (г/мл).

Перепишем условие так, чтобы было ясно, какое количество глюкозы нам дано:

По условию задачи 10 г C₆H₁₂O₆ содержится в 100 г раствора.

Требуется найти, сколько моль содержится в 1 л раствора (1000 мл).

Используя плотность раствора, рассчитаем, сколько весит 1000 мл:

m(раствор) = d(раствор) ∙ V(раствор) = 1120 г.

Используя молярную массу глюкозы, которую можно определить по таблице элементов, найдем количество вещества, содержащееся в 100 г раствора:

M(C₆H₁₂O₆) = (6∙12 + 12∙1 + 6∙16) г/моль = 180 г/моль,

n(C₆H₁₂O₆) = m(C₆H₁₂O₆) / M(C₆H₁₂O₆) = 0,056 моль

Далее составляем пропорцию:

В 100 г раствора содержится 0,056 моль глюкозы,

В 1120 г раствора содержится x моль глюкозы.

x = 0,627 моль.

Таким образом, молярная концентрация 10% раствора глюкозы C_M(C₆H₁₂O₆) = 0,626 моль/л.

Пример 2. Найти процентную и эквивалентную концентрации 0,5M раствора серной кислоты H₂SO₄, если плотность раствора d = 1,02 г/см³.

C_M(H₂SO₄) = 0,5М означает, что в литре раствора содержится 0,5 моль серной кислоты.

Определение процентной концентрации по известной молярной является задачей, обратной в рассмотренном выше примере.

Найдем массу 1 л раствора:

m(раствор) = d(раствор) ∙ V(раствор) = 1020 г.

Используя молярную массу серной кислоты, найдем массу серной кислоты, содержащейся в 1 л раствора:

M(H₂SO₄) = (2∙1 + 1∙32 + 4∙16) г/моль = 98 г/моль,

m(H₂SO₄) = n(H₂SO₄) ∙ M(H₂SO₄) = 49 г.