Вибираючи завдання для учнів, вчитель зобов'язаний оцінити її з точки зору наступних цілей.
1. Які поняття, закони, теорії, факти повинні бути закріплені в процесі рішення, які сторони властивостей досліджуваного речовини і хімічні реакції відмічені в процесі вирішення.
2. Які прийоми розв'язання задачі повинні бути сформовані.
3. Які розумові прийоми розвиваються в процесі виконання завдання.
4. Які дидактичні функції виконують ці завдання.
Психологічні дослідження проблеми навчання рішенню завдань показують, що несформованість умінь є наслідком причин, які навчаються просто не беруть до уваги. Природа уваги в учнів така, що вони не здатні довго концентрувати його на даному предметі. Найчастіше тривалий рішення однотипних завдань призводить до того, що учні вирішують нову запропоновану завдання по тому старим зразком, який запропонований викладачем і не намагаються зробити це нестандартними способами, по-своєму, не помічаючи, що ситуація в цілому змінилася. Вирішуючи завдання, не усвідомлюють належним чином свою власну діяльність, тобто не розуміють сутності завдань та ходу їх вирішення. Не завжди аналізують зміст завдання, проводять її осмислення та обгрунтування. Не виробляють загальні підходи до вирішення, не визначають послідовності дій. Часто неправильно використовують хімічний мова, математичні дії і позначення фізичних величин. На перше місце при вирішенні завдань ставляться отримання відповіді будь-якою дією, а не пояснення ходу рішення. При вирішенні хімічної завдання не виділяють її хімічну частину і математичні дії. Не задають мету перевірити правильність результату не по відповіді в задачнику, а рішення оберненої задачі або іншим способом. Не виробляють розуміння певної системи завдань, і вони представляються безформним скупченням різних типів, видів, не пов'язаних один з одним. Для тих, хто зможе подолати ці недоліки, рішення задач не буде викликати особливих труднощів. Процес рішення стане захоплюючим, і буде приносити задоволення, подібно до того, яке отримують любителі розгадування кросвордів.
Уміння вирішувати завдання розвивається в процесі навчання, і розвивати це вміння можна тільки одним шляхом - постійно систематично вирішувати завдання!
Тому, якщо ставиться мета - закріплення теоретичного матеріалу, то метод вирішення завдань повинен бути вже відомий учням. Якщо пояснюється новий тип завдань за методом рішення, то учні повинні вільно оперувати навчальним матеріалом. Одночасно обидві цілі ставити не рекомендується [38].
Учитель активізує знання учнів, які використовуються при вирішенні завдань. Потім наводиться аналіз умови задачі. Вчитель коротко його записує за допомогою символів і умовних позначень. Далі розробляють план рішення і по можливості висловлюють його в загальному вигляді за допомогою зазначених вище формул, дотримуючись всіх правил, яким учні на уроках математики і фізики. Тонко після цього приступають до числового рішення і перевіряють відповідь.
Якщо мета рішення - вивчення нового типу завдань, то чітко формулюють алгоритм, який учні записують і відзначають, до якого типу рішення він відповідає. Після чого вирішується аналогічна завдання і пропонується завдання для самостійного рішення.
Виходячи їх вище сказаного, випливає місце задач у процесі навчання.
При поясненні нового матеріалу завдання допомагають ілюструвати досліджувану тему конкретним практичним застосуванням, в результаті учні більш усвідомлено сприймають теоретичні основи хімії.
Використання завдань при закріпленні нової теми дозволяє вчителю виявити, як засвоєно новий матеріал, і намітити методику і план подальшого вивчення даного питання.
Рішення задач будинку сприяє залученню учнів до самостійної роботи з використанням не тільки підручників, а й додаткової довідкової літератури.
З метою поточного, а також підсумкового контролю та обліку знань кращим методом є також розрахункова завдання, тому що при її вирішенні можна оцінити всі якості учня, починаючи від рівня знання теорії до вміння оформляти рішення в зошиті.
Особливе місце займає вирішення завдань при повторенні та узагальненні навчального матеріалу. Саме тут в більшій мірі реалізуються міжпредметні зв'язки, а також системність і цілісність досліджуваної теми або курсу в цілому [57].
1.5 Система хімічних задач
При всій важливості окремих завдань ефект цілісного освітнього процесу забезпечується всією безліччю завдань по кожній темі, яке повинно утворювати систему. Таким чином, ключовий елемент ресурсного забезпечення навчального процесу - система завдань.
Системою завдань називається сукупність завдань до блоку, що вивчається, що задовольняє ряду вимог.
1. Повнота. У системі завдань присутні завдання на всі досліджувані поняття, факти, способи діяльності, включаючи мотиваційні, підводять під поняття, на аналогію, слідства з фактів і пр.
2. Наявність ключових завдань. Завдання згруповані у вузли навколо об'єднуючих центрів - завдань, в яких розглядаються факти чи способи діяльності, що застосовуються при вирішенні інших завдань і що мають принципове значення для засвоєння предметного змісту.
3. Зв'язність. Вся сукупність завдань може бути представлена ​​зв'язковим графом, у вузлах якого - ключові завдання, вище них - підготовчі та допоміжні, нижче - слідства, узагальнення і т. д.
4. Зростання труднощі в кожному рівні. Система складається з трьох підсистем, що відповідають мінімальному, загальному і просунутому рівнях планованих результатів навчання. У кожній з підсистем труднощі завдань безупинно наростає.
5. Цільова орієнтація. Для кожного завдання визначено її місце і призначення в блоці вивчення матеріалу.
6. Цільова достатність. У системі досить завдань для тренаж, аналогічних завдань для закріплення методів вирішення, завдань для індивідуальних і групових завдань різної спрямованості, для самостійної (у тому числі дослідницької) діяльності учнів, для поточного та підсумкового контролю з урахуванням запасних варіантів і т . д.
7. Психологічна комфортність. Система завдань враховує наявність різних темпераментів, типів мислення, видів пам'яті.
Система завдань - основний ресурс вчителя для реалізації ефективного освітнього процесу. Від якості цього ресурсу більш ніж наполовину залежить успіх учнів при вивченні курсу. Решта складових успіху укладені в організації їх діяльності та управлінні цією діяльністю [19, 39].
1.6 Етапи вирішення завдань
Психологами виявлена ​​закономірність у поведінці людини при вирішенні завдань. Він розбиває завдання на деякі число більш простих, тобто ставить перед собою проміжні питання (аналіз задачі). Потім приступає до чергової перевірки ряду простих завдань, накопичуючи кількісну інформацію. Вирішивши їх, переходить до вирішення складної - синтезує. Таким чином, завдання вирішуються шляхом аналізу і синтезу в сукупності. Іноді аналіз протікає в прихованому вигляді (вирішальний провів аналіз швидко, за шаблоном), в такому разі складається враження, що має місце тільки синтез. Тому мета вчителя - не тільки підібрати завдання до уроку, але й обміркувати, як він буде навчати учнів розбивати підібрані завдання на простіші.
Рішення задачі складається з багатьох операцій, які пов'язані між собою і застосовуються в деякій логічній послідовності. Виявлення цих зв'язків і визначення послідовності логічних і математичних операцій лежать в основі вміння розв'язувати задачі.
Рішення передбачає пошукову діяльність, включення в цей процес інтелектуальних операцій. З точки зору дидактики важливо мати на увазі й ту обставину, що при вирішенні будь-якої задачі (математичної, фізичної, хімічної та ін) задаються мета, умови та вимоги до навчально-пізнавальної діяльності. Природно припустити існування закономірностей для процесу оволодіння загальною процедурою діяльності. Звідси випливає необхідність використання загальної методології вирішення завдань, тобто об'єктивному процесі інтеграції природничо-наукових і математичних знань і вмінь, неминучості зв'язку предметних мов. Таким чином, головна дидактична мета вчителя хімії при навчанні рішенню розрахункових завдань: формування загальних логічних основ стехіометричних знань і умінь общепредметних на базі загальнонаукових методів.
У загальному вигляді спосіб вирішення хімічних задач можна представити наступним порядком дій:
1) короткий запис умови задачі (спочатку вказують літерні позначення заданих величин та їх значення, а потім - шукані величини), які при необхідності наводяться в єдину систему одиниць (кількісний бік);
2) виявлення хімічної сутності задачі, складання рівнянь всіх хімічних процесів і явищ, про які йде мова в умові завдання (якісна сторона);
3) співвідношення між якісними і кількісними даними завдання, тобто встановлення зв'язків між приводяться в задачі величинами за допомогою алгебраїчних рівнянь (формул) - законів хімії і фізики;
4) математичні розрахунки [15, 57].
1.7 Класифікація хімічних задач
У ході складання умов найпростіших завдань та їх розв'язання необхідно навчитися класифікувати завдання, розуміти взаємозв'язок між різними величинами, що характеризують умову задачі, тобто, перш ніж приступити до вирішення завдання, необхідно проаналізувати її умова.
На сьогоднішній день не існує остаточної єдине розробленої класифікації хімічних задач. У навчальних посібниках з методики хімії, спеціальних методичних посібниках з рішенням завдань і в статтях наводяться різні класифікації завдань. Загальновизнаною є класифікація завдань на кількісні і якісні, які вирішуються усним письмовим і експериментальним способом. У свою чергу ці завдання бувають репродуктивними і продуктивними. Репродуктивні завдання - це типові завдання, при вирішенні яких можливе застосування алгоритмів. У цьому випадку вчитель сам пояснює хід їх вирішення. Продуктивні - творчі завдання, в них необхідно самостійно знайти шляхи вирішення. Для цього не досить організованого досвіду, необхідно якісно інший досвід, що полягає в умінні логічно мислити, аналізувати ситуацію в здатності до інтуїтивного вирішення проблеми як вищого прояву логічного мислення [20, 57].
Розрізняються завдання та вправи з дидактичним цілям. Завдання мають на меті розвиток в учнів уміння застосовувати знання хімії в різних умовах практики. Вправи мають в якості основних цілей формування навичок, але окремими операціями, розумовою чи фізичною. Отже, знання розрізнення понять «вправи» і «завдання» має не тільки теоретичне, але й практичне значення, оскільки дозволяє доцільно застосовувати вправи або задачі навчанні.

2. Виявлення труднощів при вирішенні завдань з теоретичних основ хімічної технології в рамках вивчення курсу Прикладна хімія
Завдання з хімічної технології, складені і підібрані в цій роботі, були використані для проведення контрольної роботи з прикладної хімії. У апробації брали участь студенти 5 курсу спеціальностей «Хімія» з доп. спец. «Біологія» та «Біологія» з доп. спец. «Хімія» (всього 39 студентів). Контрольна робота проводилася на підсумковому занятті з прикладної хімії. Кожне завдання оцінювалася за 5-бальною системою відповідно до того, наскільки повно представлено рішення. Оцінка за контрольну роботу у цілому також виставлялася за 5-бальною системою, прийнятою у ВНЗ.
Практично всі студенти впоралися з завданнями (92,3%), у тому числі 61,8% на «добре» і «відмінно» (рис. 1). І дійсно, більшість студентів не випробовували труднощів у вирішенні завдань. Найбільш успішно були вирішені завдання по хімічній технології з виробничим змістом (металургія - повністю вирішили 66,7% студентів, виробництво органічних сполук - 61,5%, рис. 2). Деякі утруднення викликало рішення завдань на теми хімічна кінетика і хімічна рівновага (повністю ці завдання вирішили близько 40% студентів), можливо, через складний математичного апарату цих завдань, де потрібне знання основ інтегрування, диференціювання, зведення в ступінь і т.д.
Ми проаналізували рішення кожного типу завдань. Багато студентів не отримали високі бали за контрольну роботу через те, що не отримали правильні підсумкові відповіді. Дійсно, досить велика частина хлопців вирішила завдання «не повністю» (рис. 3, 4). Як правило, такі студенти приводили вірні формули для розрахунків, але важко було у підстановці чисельних значень.
Конкретні, найбільш часто зустрічаються, в рішенні завдань представлені в табл. 1.

Таблиця 1.

Тема	Результати контрольної роботи,%			Зауваження
	Вирішили повністю	Чи не вирішили	Вирішили не повністю або з помилками
Термохімія	46,2%	12,8%	41%	Помилки пов'язані в основному з рівняннями хімічних реакцій, студенти забувають розставити коефіцієнти, а також помилки пов'язані з наслідками із закону Гесса.
Хімічна рівновага	41%	15,4%	43,6%	Помилки пов'язані з перебуванням константи рівноваги: ​​студенти «перевертають» формулу для знаходження Кс, а також коефіцієнти перед речовинами ставлять як множники, а не як ступінь. Не пам'ятають про знак «-» в рівнянні Вант-Гоффа (залежність константи рівноваги від температури). Також спостерігаються труднощі при знаходженні рівноважних концентрацій, якщо відома константа рівноваги (з використання змін. Х)
Хімічна кінетика	38,5%	20,5%	41%	Помилки пов'язані з визначенням порядку реакцій. Багато студентів забували про присутність експоненти і предекспоненціального множника в рівнянні Арреніуса.
Техніко-економічні показники виробництв	59%	10,3%	30,7%	Помилки пов'язані з неправильним знаходженням виходу продукту і з незнанням формул для розрахунку ступеня перетворення вихідних реагентів та селективності.
Завдання з екологічним змістом	51,3%	8%	30,7%	Помилки пов'язані з незрозумілу зумінням суті завдання, а також помилки пов'язані з неправильним перекладом м 3 в літри, і з неправиль-ним використанням значення маси речовини замість обсягу розчину у формулі
Металургія	66,7%	7,7%	25,6%	Помилки пов'язані з не-вільним знаходженням m пр і m теор. У формулі , Наприклад, при знаходженні m пр, замість формули пишуть , Тобто студенти плутають значення маси порожньої породи з масою чистого речовини.
Електрохімічні виробництва	56,7%	12,8%	30,2%	Помилки пов'язані з не-вільним знаходженням еквівалента елемента, з неправильним переведенням годинників на секунди (система СІ).
Виробництво органічних сполук	61,5%	7,7%	30,8%	Помилки пов'язані з не-вільним знаходженням молекулярної маси речовини, з неправильним визначенням брутто - формули речовини

Загальні помилки:
1. неправильне знаходження молекулярної маси речовини.
2. не знання правил округлення числових значення, що в підсумку призводить
до неправильного знаходженню відповіді.
3. Помилки, пов'язані з підрахунком е ^х, ln x, 10 ^x і т.д. на калькуляторі.

\ S
Рис. 1. Оцінки, отримані студентами на контрольній роботі з прикладної хімії
\ S
1 - Рис. 2. Частка студентів, які повністю вирішила завдання за окремими темами. термохімія, 46.2%
2 - хімічна рівновага, 41%
3 - хімічна кінетика, 38.5%
4 - техніко-економічні показники, 59%
5 - завдання з екологічним змістом, 51.3%
6 - металургія, 66.7%
7 - електрохімічні виробництва, 56.4%
8 - виробництво органічних сполук, 61.5%
Таким чином, апробація завдань з хімічної технології серед студентів 5 курсу на підсумковій контрольній роботі показала необхідність повторення в курсі основи хімічної технології базових тем з фізичної хімії (хімічна кінетика, термодинаміка, електрохімія тощо) та вищої математики (диференціювання, інтегрування, статечні функції й т.д.). Реальною допомогою для самостійного опрацювання цього фактично вже добре відомого студентам матеріалу може послужити посібник з прикладної хімії «Завдання з теоретичних основ хімічної технології», що складається за матеріалами представленої роботи.

3. Методика розв'язування задач з теоретичних основ хімічної технології
Одна з головних задач хімічної науки і промисловості - отримання необхідних людині речовин (продуктів, матеріалів). Тому більшість навчальних хімічних задач знизилася з розрахунками за рівнянням хімічної реакції, яку в загальному вигляді можна представити так:
АА + ВВ cC + dD
де A, В, С, D - умовні позначення формул різних речовин;
а, в, с, d - стехіометричні коефіцієнти.
Розрахунок за рівнянням реакції найбільш простий лише в ідеальному випадку, коли реагенти абсолютно чисті, взяті в строго стехіометричних відносинах, втрат при реакції немає, тобто вихід продукту становить 100%. Практично ці умови не виконуються. Як правило, вихідні речовини містять домішки або взяті у вигляді розчинів; звичайно одне з речовин, що вступають в реакцію (найбільш доступне, дешеве, беруть у надлишку і, нарешті, реальний вихід продуктів завжди менше 100%.)
Отже, хімічні завдання ділять на:
1) Розрахункові
2) Якісні
Розрахункові завдання умовно діляться на дві групи:
1) Завдання, які вирішуються з використанням хімічної формули речовини або на виведення формули.
2) Завдання, для вирішення яких використовують рівняння хімічних реакцій.
3) Завдання, для вирішення яких використовують як математичні формули.
Перша група завдань включає розрахунки за визначенням маси чистого речовини в суміші (розчині) за відомою масовій частці його (або процентному змісту); обчислення масової частки (або відсотка) елементів за формулами речовин (пряма і зворотна задачі).
До другої групи завдань відносяться обчислення за хімічними рівняннями маси, об'єму та кількості продуктів реакції або взаємодіючих речовин в різних одиницях виміру. При цьому враховують довільне співвідношення компонентів, тобто наявність надлишку одного з реагуючих речовин; практичний вихід продукту реакції, наявність домішок у вихідних речовинах та продуктах реакції.
На уроках узагальнення знань про хімічних виробництвах складаються завдання з виробничим змістом. Спільно з учнями визначаємо, які особливості таких завдань слід при цьому враховувати:
1) умови процесу (концентрація, тиск, температура);
2) можливість протікання процесу;
3) кінетику і рівновага реакцій;
4) склад сировини (наявність домішок, необхідність очищення);
5) вихід продукту (втрати в процесі очищення; оборотність процесу; побічні реакції; циркуляція);
6) використання енергії екзотермічних процесів;
7) утилізація побічних продуктів та відходів виробництва.
8) екологічний аспект;
9) техніко-економічні показники хімічних виробництв;
10) використання електричної енергії. [54]
При складанні методичного посібника для вирішення завдань з хімічної технології ми умовно виділили кілька розділів завдань по їх хімічної тематики:
I. Загальні питання хімічної технології.
1. термохімічні.
2. хімічна кінетика.
3. хімічну рівновагу.
II. Техніко-економічні показники хімічних виробництв.
III. Завдання з екологічним змістом.
IV. Виробництво неорганічних сполук.
1. металургія.
2. електрохімічні виробництва.
V. Виробництво органічних сполук.
VI.Творческіе і винахідницькі завдання.
Кожен розділ завдань супроводжується методичної частиною, де наводяться основні теоретичні аспекти теми, закони і формули для математичних розрахунків. Далі розглядаються методичні рекомендації щодо вирішення завдань, конкретні приклади рішення типових і найбільш складних завдань, а також завдання для самостійного рішення. Ці завдання можуть бути використані на практичних заняттях, для проведення колоквіумів, індивідуальної співбесіди при захисті лабораторних робіт, а також у середній загальноосвітній школі при вивченні факультативного курсу з хімії.
3.1 Загальні питання хімічної технології
3.1.1 Термохімія
Термохімія - вчення про теплові ефекти хімічних реакцій. Для вирішення завдань по термохімії необхідно знати такі поняття, як тепловий ефект реакції, стандартна тепловий ефект утворення речовини, стандартна тепловий ефект згоряння хімічної сполуки, закон Гесса і наслідки з нього, можливість мимовільного протікання реакції, залежність енергії Гіббса від температури. Найбільш важливим поняттям хімічної енергетики є тепловий ефект хімічної реакції. Дані про теплові ефекти застосовуються для визначення будови і реакційної здатності сполук, енергії міжатомних і міжмолекулярних зв'язків, використовуються у технологічних та технічних розрахунках. В основі термохімічних розрахунків за рівняннями реакцій лежить закон збереження і перетворення енергії, або перший початок термодинаміки. Сутність його полягає в тому, що при всіх перетвореннях енергія не виникає і не зникає, а одні її види переходять в еквівалентні кількості інших видів. Кількість виділилася (поглиненої) теплоти в результаті хімічної реакції називається тепловим ефектом реакції Q (при p-const Q _P або V-const Q _V) (вимірюється в кДж). За тепловим ефектом хімічні реакції поділяються на екзотермічні (з виділенням теплоти (+ Q)) і ендотермічні (з поглинанням теплоти (-Q)). Існує величина зворотна тепловому ефекту (записується з протилежним знаком). Вона характеризує внутрішню енергію речовини і називається ентальпією (ΔН). Зміна ентальпії вимірюють в кДж / моль, тобто це та кількість теплоти, що виділяється або поглинається при утворенні 1 моль речовини з простих речовин. З термодинамічної точки зору приймають, що тепловий ефект при постійному тиску і температурі дорівнює зміні ентальпії ΔН. Передачу енергії при цьому розглядають як би з боку самої реакційної системи. Якщо система віддала енергію в зовнішнє середовище, величина ΔН вважається негативною ΔН <0, якщо реакційна система отримала енергію за рахунок зовнішнього середовища - величину ΔН вважають позитивною ΔН> 0. Обчислення теплоти реакції по теплотам освіти беруть участь у ній речовин, проводиться на підставі закону Гесса.
Закон Гесса: Тепловий ефект хімічної реакції при постійному тиску і об'ємі не залежить від шляху реакції (тобто від проміжних стадій), а визначається початковим і кінцевим станом системи (тобто станом вихідних речовин і продуктів реакції (газ, жид. , тв.)).
Δ _r М ⁰ ₂₉₈ - стандартна ентальпія реакції (reaction), тепловий ефект реакції.
Δ _f М ⁰ ₂₉₈ - стандартна ентальпія утворення (formation) 1 моль речовини з простих речовин в стандартних умовах (Т = 298К або 25С, Р = 1 атм.), На які вказує знак «0», (кДж / моль).
Δ _з Н ⁰ ₂₉₈ - стандартна ентальпія згорання (combustion) 1 моль речовини (до утворення СО _2, Н ₂ О, та ін продуктів), (кДж / моль).
Слідство 1 з закону Гесса:
Тепловий ефект хімічної реакції дорівнює різниці між алгебраїчною сумою теплот утворення продуктів реакції і алгебраїчною сумою теплот утворення вихідних речовин
Δ _r Н _⁰²⁹⁸ = Σ (n _j • Δ _f М ⁰ _{298) прод} - Σ (n _i • Δ _f М ⁰ _{298) вих.}
де, n _j і n _i - Кількість речовини продуктів реакції і вихідних речовин відповідно (чисельно дорівнює коефіцієнту в рівнянні реакції), (моль).
Слідство 2 з закону Гесса:
Тепловий ефект хімічної реакції дорівнює сумі теплот згоряння вихідних речовин мінус сума теплот згоряння продуктів реакції
Δ _r Н _⁰²⁹⁸ = Σ (n _i • Δ _з Н _{⁰²⁹⁸⁾} - Σ (n _j • Δ _з Н _{⁰²⁹⁸⁾}
де, n _i і n _j - Кількість речовини вихідних речовин і продуктів реакції відповідно (чисельно дорівнює коефіцієнту в рівнянні реакції), (моль).
У хімічних реакціях може одночасно змінюється і енергія системи та її ентропія, тому реакція протікає в тому напрямі, в якому загальна сумарна рушійна сила реакції зменшується. Якщо реакція відбувається при постійному температурі і тиску, то загальна рушійна сила реакції називається енергією Гіббса (ΔG ⁰⁾ і напрям реакції визначається її зміною.

Залежність енергії Гіббса реакції від температури описується рівнянням

ΔG ⁰ _T = ΔH ⁰ _T - TΔS ⁰ _T
При стандартній температурі
ΔG ⁰ ₂₉₈ = ΔH _⁰²⁹⁸ - TΔS _⁰²⁹⁸
ΔG ⁰ ₂₉₈ - стандартна енергія Гіббса, зміна енергії Гіббса при утворенні 1 моль речовини з простих речовин в стандартних умовах, (кДж / моль).
Стандартну енергію Гіббса реакції розраховують на першу слідству із закону Гесса.
Δ _r G _⁰²⁹⁸ = Σ (n _j Δ _f G _{⁰²⁹⁸⁾ прод.} -Σ (n _i Δ _f G _{⁰²⁹⁸⁾ результат.}
ΔS _⁰²⁹⁸ - стандартна ентропія 1 моль речовини в стандартному умовах, (Дж / К * моль). Ентропію можна характеризувати як міру безладу (невпорядкованості) системи. Ця величина характеризує зміну температури в системі.

Оскільки ентропія - функція стану системи, її зміна (ΔS) в процесі хімічної реакції можна підрахувати, використовуючи наслідок із закону Гесса.

Δ _r S ^₀₂₉₈ = Σ (n _j Δ _f S _{⁰²⁹⁸⁾ прод.-Σ} (n _i Δ _f S _{⁰²⁹⁸⁾ результат}
де, n _j і n _i - Кількість речовини продуктів реакції і вихідних речовин відповідно (чисельно дорівнює коефіцієнту в рівнянні реакції), (моль).
Δ _r S ^₀₂₉₈ = Σ (n _i Δ _f S _{⁰²⁹⁸⁾ результат-Σ} (n _j Δ _f S _{⁰²⁹⁸⁾ прод}
де, n _i і n _j - Кількість речовини вихідних речовин і продуктів реакції відповідно (чисельно дорівнює коефіцієнту в рівнянні реакції), (моль).
Δ _r S ^₀₂₉₈ - стандартна ентропія реакції, (Дж / К).
Δ _f S ^₀₂₉₈ - стандартна ентропія освіти хімічної речовини, (Дж / К * моль).
Знак «-» перед членом TΔS ^₀₂₉₈ (ентропійних членом) ставиться, для того щоб при ΔH = 0 зробити ΔG негативною величиною ΔG <0 - умова мимовільного протікання реакції.
Якщо знехтувати зміною ΔS ⁰ і ΔН ⁰ з збільшенням температури, то можна визначити Т _равн, тобто температуру, при якій встановлюється хімічна рівновага хімічної реакції для стандартного стану реагентів, тобто з умови рівноваги реакції ΔG = 0 маємо 0 = Δ _r H ^₀₂₉₈ - TΔ _r S ^_0298, звідси

Слід знати:
Якщо ΔS = 0 (ΔS> 0), ΔH <0 (ΔH = 0) то ΔG <0 - реакція протікає мимовільно, процес протікає в прямому напрямку (енергетично вигідний).
Якщо ΔS = 0 (ΔS <0), ΔH> 0 (ΔH = 0) то ΔG> 0 - протікання реакції неможлива, можлива тільки у зворотному напрямку (енергетично невигідний).
Якщо ΔS = 0, ΔH = 0 ΔG = 0 - система перебуває в стані рівноваги.

Приклади розв'язання задач

1. Обчислити тепловий ефект реакції отримання гідроксиду кальцію
Сао _(т) + Н ₂ О _(ж) = Са (ОН) _{2 (т),} якщо теплота освіта Сао _(т) дорівнює +635701,5 Дж / ​​моль, теплота освіти Н ₂ О _(ж) +285835,5 Дж / моль і теплота освіти Са (ОН) ₂ +986823 Дж / ​​моль.
Рішення:

Тепловий ефект реакції

Сао _(т) + Н ₂ О _(ж) = Са (ОН) _{2 (т)} за першою слідству закону Гесса, буде дорівнює теплоті освіти Са (ОН) _{2 (т)} мінус теплота освіти Н ₂ О _(ж) і теплота освіти (Сао _(т)):
Δ _r Н ^₀₂₉₈ = Σ (n _j • Δ _f М ⁰ _{298) прод} - Σ (n _i • Δ _f М ⁰ _{298) вих.}
Δ _r Н ^₀₂₉₈ = 1 моль • Δ _f М ⁰ ₂₉₈ (Са (ОН) _{2 (т))} - (1 моль Δ _f М ⁰ ₂₉₈ (Сао _(т)) +
+1 Моль • Δ _f М ⁰ ₂₉₈ (Н ₂ О _(ж))) = 1 моль * 986823 Дж / ​​моль - (1 моль * 635701,5 Дж / ​​моль +
+ 1 моль * 285835,5 Дж / моль) = 65286 Дж.
Відповідь: 65286 Дж.
2. Обчисліть зміни енергії Гіббса в реакції димеризації діоксиду азоту при стандартній температурі, при 0 і 100 º С. Зробити висновок про направлення процесу.
Рішення:
При стандартній температурі 298 К зміна ентальпії в реакції
2NO _{2 (г)} N ₂ O _{4 (г)} дорівнює (перше наслідок закону Гесса)
Δ _r Н ^₀₂₉₈ = Σ (n _j • Δ _f М ⁰ _{298) прод} - Σ (n _i • Δ _f М ⁰ _{298) вих.}
Δ _r Н ^₀₂₉₈ = 1 моль * 9660 Дж / ​​моль - 2 моль * 33800 Дж / ​​моль = - 57940 Дж
Зміна температури одно
Δ _r S ^₀₂₉₈ = Σ (nΔ _f S _{⁰²⁹⁸⁾ прод.-Σ} (nΔ _f S _{⁰²⁹⁸⁾ результат} = 1 моль * 304 Дж / ​​моль * К -
-2 Моль * 234 Дж / моль * К = - 164 Дж / К
Залежність енергії Гіббса реакції від температури описується рівнянням
ΔG ⁰ _T = ΔH ⁰ _T - TΔS ⁰ _T
При стандартній температурі
Δ _r G ^₀₂₉₈ = ΔH ^₀₂₉₈ - TΔS ^₀₂₉₈ = - 57940 Дж - (298 К * (-164 Дж / ​​К)) = -9068 Дж / ​​моль
Негативне значення енергії Гіббса реакції говорить про те, що зміщення рівноваги вправо (мимовільний процес), тобто в бік утворення діоксиду азоту.
При 0 º С (273К)
Δ _r G ^₀₂₇₃ = -57940 Дж + 273К * 164 Дж / ​​К = -13168 Дж / ​​моль
Більш високе негативне значення ΔG ₂₇₃ в порівнянні з ΔG ⁰ ₂₉₈ свідчить про те, що при 273 К рівновагу ще більше зміщений у бік прямої реакції.
При 100 º С (373 К)
Δ _r G ₃₇₃ = -57 940 Дж + 373К * 164 Дж / ​​К = 3232 Дж / ​​моль.
Позитивна величина ΔG ₃₇₃ вказує на зміну напряму реакції: рівновага зміщена вліво, тобто в бік розпаду димеру N ₂ O ₄ (реакція неможлива). Відповідь: при 0 º С (273 К) Δ _r G ₂₇₃ = -13 168 Дж / ​​моль, реакція протікає спонтанно; при 100 º С (373 К) Δ _r G ₃₇₃ = 3232 Дж / ​​моль, реакція неможлива.
3. Складіть термохімічне рівняння горіння метану СН ₄ і розрахуйте об'єм повітря, необхідний для спалювання 1моль метану, якщо відомо, що при згорянні 5,6 л метану виділяється 220 кДж теплоти, вміст кисню в повітрі дорівнює 20%.
Рішення:
СН ₄ + 2О ₂ = СО ₂ + 2Н ₂ О, ΔН <0
Знаходимо кількість речовини метану об'ємом 5,6 л

Якщо при згорянні СН ₄ кількістю речовини 0,25 моль виділяється 220 кДж теплоти, то при згорянні СН ₄ кількістю речовини 1 моль виділяється 880 кДж теплоти.
Термохімічне рівняння:
СН ₄ +2 О ₂ = СО ₂ + 2Н ₂ О + 880 кДж
З рівняння реакції видно, що на згоряння СН ₄ кількістю речовини 1моль витрачається О ₂ кількістю речовини 2 моль, на згоряння СН ₄ кількістю речовини 0,25 моль витрачається х моль О _2, звідки х = 0,5 моль.
Кисень кількістю речовини 0,5 моль займає обсяг 11,2 л.
У повітрі 20% кисню, отже, обсяг повітря буде дорівнює

Відповідь: 880 кДж, 56 л.

Завдання для самостійного вирішення

1. Розрахуйте, яка з нижче перелічених реакцій при стандартних умовах може йти мимовільно:
а) Fe _(к) + Al ₂ O _{3 (к)} = Al _(к) + Fe ₂ O _{3 (к)}
б) Al _(к) + Fe ₂ O _{3 (к)} = Fe _(к) + Al ₂ O _{3 (к)}
в) CuSO _{4 (к)} + 2NH ₄ OH _(ж) = Cu (OH) _{2 (к)} + (NH _{4) 2} SO _{4 (к)}
г) Al ₂ O _{3 (корунд)} + 3SO ₃ = Al ₂ (SO _{4) 2 (к)}
2. При зварюванні трамвайних рейок використовують термітну суміш, яку готують, змішуючи порошки алюмінію та оксиду заліза (III) у кількісному відношенні 2:1. Термохімічне рівняння горіння термітної суміші наступне: 2Al + Fe ₂ O ₃ = Al ₂ O ₃ + 2Fe + 829,62 кДж. Скільки теплоти виділиться при утворенні: 1) 4 моль заліза; 2) 1 моль заліза?
3. Розрахуйте, чи достатньо теплоти, що виділяється при згорянні 200 кг кам'яного вугілля, яке містить 82% вуглецю, для повного розкладання 162 кг карбонату кальцію, якщо для розкладання 1 моль СаСО ₃ необхідно 180 кДж теплоти, а при згорянні 1 моль вуглецю, що входить до складу кам'яного вугілля, виділяється 402 кДж теплоти.
4. Процес алюмінотермії виражається хімічним рівнянням
8Al + 3 Fe ₃ O ₄ = 4Al ₂ O ₃ + 9Fe ΔH <0. Розрахуйте, скільки теплоти виділиться при згоранні 1 кг терміта.
5. Чи можливий випал колчедану масою 1т по наступному рівнянню хімічної реакції 4FeS ₂ + 11O ₂ → 2 Fe ₂ O ₃ + 8SO ₂ ΔH <0
6. Обчисліть тепловий ефект освіти NH ₃ з простих речовин, при стандартному умови по теплових ефектів реакції:
2H ₂ + O ₂ = 2H ₂ O _(ж) ΔН ⁰ ₁ = -571, 68 кДж,
NH ₃ + 3O ₂ = 6H ₂ O _(ж) + 2N ₂ ΔН ⁰ ₂ = -1530,28 кДж.
7. Стандартний тепловий ефект реакції згоряння етану дорівнює -1560 кДж. Розрахуйте стандартну теплоту утворення етану, якщо відомо, що
Δ _f М ⁰ ₂₉₈ (H ₂ O) = -285,84 кДж / моль і Δ _f М ⁰ ₂₉₈ (СО ₂₎ = -396,3 кДж / моль.
8. Обчисліть тепловий ефект реакції відновлення оксиду заліза воднем, користуючись наступними даними.
FeO + CO = Fe + CO ₂ ΔН = -13,19 кДж
CO + 1/2O ₂ = CO ₂ ΔН = -283,2 кДж
2H ₂ + 1/2O ₂ = 2H ₂ O _(р) ΔН = -242 кДж
9. Перебіг, який з наведених реакцій відновлення оксиду заліза (III) найбільш ймовірно при 298 К.
Fe ₂ O _{3 (k)} + 3H _{2 (р)} = 2Fe _(к) + 3H ₂ O _(к)
Fe ₂ O _{3 (k)} + 3С _{(графіт)} = 2Fe _(к) + 3СO _(к)
Fe ₂ O _{3 (k)} + 3СО _(р) = 2Fe _(к) + 3СО _{2 (к)}
10. В якій їх перерахованих нижче реакцій тепловий ефект ΔН ^₀₂₉₈ буде стандартної теплотою SO _{3 (г)}
а) S _(г) + 3 / 2 O ₂ = SO _{3 (г)}
а) S _(г) + 1 / 2 O ₂ = SO _{3 (г)}
а) S _(к) + 3 / 2 O ₂ = SO _{3 (г)}
3.1.2 Хімічна рівновага
При протіканні хімічної реакції через деякий час встановлюється рівноважний стан (хімічна рівновага). Слово «рівновагу» означає стан, в якому збалансовані всі протилежно спрямовані на систему впливу. Тіло, що перебуває в стані стійкої рівноваги, виявляє здатність повертатися в цей стан після якого-небудь обурює впливу.
Прикладом тіла, що знаходиться в стані стійкої рівноваги, може служити кулька, що лежить на дні ямки. Якщо його штовхнути в одну або іншу сторону, він незабаром знову повертається в стан стійкої рівноваги. На відміну від цього кульку, що лежить на краю ямки, знаходиться в стані нестійкої рівноваги - достатньо малого поштовху, щоб він необоротно скотився в ямку.
Обидва цих прикладу є прикладами статичної рівноваги. У хімії, проте, доводиться стикатися не стільки зі статичними рівновагами, стільки з динамічними («рухомими»). Динамічна рівновага встановлюється, коли виявляються збалансованими два оборотних або протилежні процеси. Динамічні рівноваги поділяють на фізичні і хімічні. Найбільш важливими типами фізичних рівноваг є фазові рівноваги. Система перебуває в стані хімічної рівноваги, якщо швидкість прямої реакції дорівнює швидкості зворотної реакції.
Наприклад, якщо швидкість протікання реакції (константа швидкості до ₁₎
k ₁
А _(р) + В _(пар) АВ _(г)
дорівнює швидкості зворотної реакції (константа швидкості k ₂₎
k ₂
АВ (г) А _(р) + В _(пар)
то система знаходиться в динамічній рівновазі. Подібні реакції називаються оборотними, а їх рівняння записують з допомогою подвійної стрілки:
k ₁
А _(р) + В _(пар) АВ _(г)
k ₂
Реакції, що протікають зліва направо, називаються прямий, справа наліво - зворотною.
Потрібно підкреслити, що реакційна система залишається у стані динамічної рівноваги лише до тих пір, поки система залишається ізольованою. Ізольованою називають таку систему, яка не обмінюється з навколишнім середовищем ні речовиною, ні енергією.
Стан хімічного рівноваги оборотних процесів кількісно характеризується константою рівноваги. Так, для оборотної реакції загального вигляду
k ₁
АA + bB сC + dD (1.2.1)
k ₂
константа рівноваги К, що представляє собою відношення констант швидкості прямої і зворотної реакцій, запишеться
  (1.2.2)
де, К _з - Константа швидкості реакції, що залежить від концентрації реагуючих компонентів; З _i або [i] - рівноважна молярна концентрація i - того компонента;
a, b, c, d - стехіометричні коефіцієнти речовин.
У правій частині рівняння (1.2.2) стоять концентрації взаємодіючих частинок, які встановлюють при рівновазі, - рівноважні концентрації.
Рівняння (1.2.2) являє собою математичний вираз закону діючих мас при хімічному рівновазі. Для реакції за участю газів константа рівноваги виражається через парціальні тиску, а не через їх рівноважні концентрації. У цьому випадку константу рівноваги позначають символом К _р.

Р _i - Рівноважні парціальні тиску i-того компонента.
З _i - Рівноважна молярна концентрація компонентів.
a, b, c, d - стехіометричні коефіцієнти речовин.
Стан хімічного рівноваги при неіменних зовнішніх умов теоретично може зберігатися нескінченно довго. У реальній дійсності, тобто при зміні температури, тиску чи концентрації реагентів, рівновазі може «зміститися» в ту або іншу сторону протікання процесу.
Зміни, що відбуваються в системі в результаті зовнішніх впливів, визначається принципом рухомого рівноваги - принципом Ле Шательє - Брауна. При вплив на рівноважну систему, будь-якого зовнішнього фактора, рівновагу в системі зміщується в такому напрямку, щоб зменшити вплив цього чинника.
1. Вплив тиску на рівновагу хімічної реакції (для реакції, що проходить в газовій фазі).
aA + bB cC + dD
- Якщо реакція йде з збільшенням кількості компонентів a + b <c + d, то підвищення тиску зміщує рівновагу хімічної реакції справа наліво.
- Якщо реакція йде з зменшенням кількості компонентів a + b> c + d, при збільшенні тиску зсув рівноваги відбудеться зліва направо.
- Якщо кількість компонентів однаково a + b = c + d, то зміна тиску не вплине на положенні рівноваги.
2. Вплив інертного газу. Введення інертного газу подібно до ефекту зменшення тиску (Ar, N _2, водяна пара). Інертний газ не бере участь в реакції.
3. Вплив зміни концентрації реагуючих речовин. При введення додаткової кількості речовини рівновагу хімічної реакції зміститися в ту сторону де концентрація речовини зменшується.
4. Вплив температури на хімічну рівновагу реакції.
Якщо до рівноважної системі підводиться теплота, то в системі відбуваються зміни, щоб послабити цей вплив, тобто процеси з поглинанням теплоти. При екзотермічних реакціях зниження температуру змістить рівновагу зліва направо, а при ендотермічних реакціях підвищення температури змістить рівновагу праворуч ліворуч.
Залежність К _р від температури - рівняння Вант - Гоффа.
; ;
( ); Lnk _{T 1} - lnk _{T 2} =
Приклади розв'язання задач
1. Реакція сполуки азоту і водню оборотна і протікає за рівнянням
N ₂ + 3Н ₂ 2NН _3. При стані рівноваги концентрації беруть участь у ній речовин були: [N _2] = 0,01 моль / л, [Н _2] = 2,0 моль / л, [NH _3] = 0,40 моль / л. Обчислити константу рівноваги і початкові концентрації азоту і водню.
Рішення:
Для наведеної реакції

Підставляючи значення рівноважних концентрацій, отримаємо
= 2
Відповідно до рівняння реакції з 1 моль азоту і 3 моль водню отримуємо
2 моль аміаку, отже, на освіту 0,4 моль аміаку пішло
0,2 моль азоту і 0,6 моль водню. Таким чином, вихідні концентрації йтимуть [N _2] = 0,01 моль / л + 0,2 моль / л = 0,21 (моль / л),
[H _2] = 2,0 моль / л + 0,6 моль / л = 2,6 (моль / л).
Відповідь: До _равн = 2; З ₀ (N ₂₎ = 0,21 моль / л і С ₀ (Н ₂₎ = 2,6 моль / л.
2. Один моль суміші пропену з воднем, що має щільність за воднем 15, нагріли в замкнутому посудині з платиновим каталізатором при 320 ° С, при цьому тиск у посудині зменшилася на 25%. Розрахуйте вихід реакції у відсотках від теоретичного. На скільки відсотків зменшиться тиск в посудині, якщо для проведення експерименту в тих же умовах використовувати 1 моль суміші тих же газів, що має щільність за воднем 16?
Рішення:
З ₃ Н ₆ + Н ₂ З ₃ М ₈
1) Нехай ν (C ₃ H ₆₎ = х, ν (H ₂₎ = 1-x, тоді маса суміші дорівнює
42х + 2 (1 - х) = 2 • 15 = 30,
звідки х = 0,7 моль, тобто ν (C ₃ H ₆₎ = 0,7 моль, ν (H ₂₎ = 0,3 моль.
Тиск зменшився на 25% при незмінних температурі і обсязі за рахунок зменшення на 25% числа молей в результаті реакції. Нехай у моль Н ₂ вступило в реакцію, тоді після реакції залишилось:
ν (C ₃ H ₆₎ = 0,7 - у, ν (H ₂₎ = 0,3 - у, ν (C ₃ H ₈₎ = у,
ν _о6щ = 0.75 = (0,7 - у) + (0,3 - у) + у, звідки y = 0,25 моль.
Теоретично могло утворитися 0,3 моль С ₃ Н ₈ (H ₂ - у браку), тому вихід дорівнює . Константа рівноваги за даних умов дорівнює

2) Нехай у другому випадку ν (C ₃ H ₆₎ = a моль, ν (H ₂₎ = (1 - а) міль, тоді маса суміші дорівнює 42а + 2 (1 - а) = 2 • 16 = 32, звідки , а = 0,75, тобто ν (C ₃ H ₆₎ = 0,75, ν (H ₂₎ = 0,25. Нехай в реакцію вступило b моль Н _2. Це число можна знайти з умови незмінності константи рівноваги
=
З двох коренів даного квадратного рівняння вибираємо корінь, що задовольняє умові 0 <b <0,25, тобто b = 0,214 моль
Загальне число молей після реакції одно
ν _oбщ = ((0,75 - 0,214) + (0,25 - 0,214) + 0,214 - 0,786) міль, т. е. воно зменшилося на 21,4% в порівнянні з вихідним кількістю (1 моль). Тиск пропорційно числу молей, тому воно також зменшилася на 21,4%.
Відповідь: вихід З ₃ Н ₈ - 83,3%; тиск зменшиться на 21,4%.
Завдання для самостійного вирішення
1. В реакції між розпеченим залізом і парою
3Fe _(тв) + 4Н ₂ О _(г) Fe ₃ O _{4 (тв)} +4 Н _{2 (г),} при досягненні рівноваги парціальні тиску водню і пара рівні 3,2 і 2,4 кПа відповідно. Розрахуйте константу рівноваги.
2. Обчисліть константи рівноваги К _р К _С газової реакції
СО + Cl ₂ СОCl _2, склад газової суміші при рівновазі був наступним (% за об'ємом): СО = 2,4, Cl ₂ = 12,6, СОCl ₂ = 85,0, а загальний тиск суміші при 20С становило 1,033 * 10 ⁵ Па. Обчисліть ΔG реакції.
3. Розрахуйте константу рівноваги при деякій заданій даній температурі для оборотної реакції СО + Н ₂ О СО ₂ + Н _2, враховуючи, що в стані рівноваги концентрації беруть участь у реакції речовин були рівні [СО] = 0,16 моль / л, [Н ₂ О] = 0,32 моль / л, [СО _2] = 0, 32 міль / л, [Н _2] = 0,32 моль / л.
4. У сталевому резервуарі знаходяться карбонат кальцію і повітря під тиском 1 атм. при температурі 27 ° С. Резервуар нагрівають до 800 ° С і чекають встановлення рівноваги. Обчисліть константу рівноваги К _р реакції CaCO ₃ СаО + СО ₂ при 800 ° С, якщо відомо, що рівноважний тиск газу в резервуарі при цій температурі одно 3,82 атм., А при 27 ° С СаСО ₃ не розкладається.
5. При постійній температурі в гомогенної системі А + В = 2С встановилася рівновага з рівноважними концентраціями [А] = 0,8 моль / ль, [В] = 0,6 моль / л, [С] = 1,2 моль / л. визначте нові рівноважні концентрації, якщо в систему додатково ввели 0,6 моль / л речовини В.
6. Як можна обгрунтувати оптимальні умови промислового синтезу аміаку з високим виходом на основі термохімічного рівняння реакції
N ₂ + ДТ ₂ 2NH ₃ + 491,8 кДж і з урахуванням того, що при низьких температурах швидкість прямої реакції дуже мала?
7. Обчисліть константу рівноваги нижче наведених реакції, що протікає при стандартних умовах і при 400К.
а) Na ₂ O _(к) + CO _{2 (г)} → Na ₂ CO _{3 (к)}
б) N ₂ O _{4 (р)} = 2NO _{2 (г)}
8. Рівняння реакції окислення хлориду водню
4НСl _(г) + O _{2 (р)} = 2H ₂ O _(р) + 2Cl _{2 (г)} Розрахуйте константу рівноваги цієї реакції при Т = 500К. Запропонуйте способи збільшення концентрації хлору в рівноважній суміші.
9. При змішуванні 2 моль оцтової кислоти і 2 моль етилового спирту в результаті реакції СН ₃ СООН + С ₂ Н ₅ ОН = СН ₃ СООС ₂ Н ₅ + Н ₂ О до моменту настання рівноваги залишилося 0,5 моль СН ₃ СООН і С ₂ Н ₅ ОН, а також деяка кількість ефіру і води. Визначте склад рівноважної суміші, якщо змішують по 3 моль СН ₃ СООН і С ₂ Н ₅ ОН при тій же температурі.
10. Обчислити початкові концентрації речовин в оборотної реакції
2СO + О ₂ 2СО ₂ і константу рівноваги, якщо рівноважні концентрації становлять [СО] = 0,44 моль / л, [О _2] = 0,12 моль / л, [СО _2] = 0,18 моль / л.
3.1.3 Хімічна кінетика
Це розділ фізичної хімії, що вивчає швидкість хімічних реакцій, а в більш широкому сенсі - закономірності їх перебігу.
Термін швидкість реакції означає швидкість, з якою утворюються продукти, або швидкість, з якою витрачаються агенти при протіканні хімічної реакції. Хімічні реакції відбуваються з різними швидкостями. Зі швидкістю хімічних реакцій пов'язані уявлення про перетворення речовин, а також економічна ефективність їх отримання в промислових масштабах. Основним поняттям у хімічній кінетиці є поняття про швидкість реакції, яка визначається зміною кількості речовини реагентів (або продуктів реакції) в одиницю часу в одиниці об'єму. Якщо при незмінному обсязі і температурі концентрація одного з реагуючих речовин зменшилася (або збільшилася) від значення з ₁ до значення з ₂ за проміжок часу від t ₁ до t _2, то середня швидкість реакції складе
(1.3.1)
де D З _i - зміни концентрації i-того компонента, моль / м ³ або моль / л,
w _i - Швидкість реакції, (моль / (л • с) або моль / м ³ * с). Рівняння (1.3.1) підходить для реакцій протікають в гомогенному реакційному просторі.
Якщо реакція протікає в гетерогенному просторі, то вираз для швидкості реакції з даного речовини i має вигляд (моль / м ³ * с).
(1.3.2)
dn _i - Зміна кількості i-того компонента, моль; S - площа, м ^2;
dt - Зміна часу, с.
I. Продукти реакції або проміжні сполуки утворюються при взаємодії частинок в елементарному хімічному акті. Число частинок в елементарному хімічному акті називається молекулярних реакцій. Елементарні реакції бувають трьох типів:
- Мономолекулярні А ® Р ₁ + Р ₂ + ...
- Бімолекулярний А + В ® Р ₁ + Р ₂ + ...
- Трімолекулярние 2А + В ® Р ₁ + Р ₂ + ... 3А ® Р ₁ + Р ₂ + ...,
А + В + С ® Р ₁ + Р ₂ + ...
Четирехмолекулярних реакцій не буває, тому що ймовірність одночасного зіткнення чотирьох молекул мізерно мала.
Швидкість реакції можна виміряти, визначаючи кількість реагенту або продукту в часі. Швидкість реакції залежить від природи реагуючих речовин і від умов, у яких реакція протікає. Найважливішими з них є концентрація, температура і присутність каталізатора.
Розглянемо реакцію між речовинами А і В, що протікає по схемі
АА + ВВ + .... → СС + dD + ...
Швидкість реакції залежить від концентрацій А і В, проте заздалегідь не можна стверджувати, що вона прямо пропорційна концентрації того або іншого. Залежність швидкості хімічної реакції від концентрації реагуючих речовин виражається основним законом хімічної кінетики - законом діючих мас: швидкість елементарної хімічної реакції прямо пропорційна добутку концентрації реагуючих речовин у ступенях, рівних стехіометричним коефіцієнтами в рівнянні реакції.
Для елементарної реакції
n ₁ А + n ₂ В ® n ₃ З + n ₄ Е + ...
w = або w = k [A] ^nA [B] ^{n В.} (1.3.3)
Вираз такого типу називають кінетичним рівнянням, де k - константа швидкості (не залежить від концентрації реагуючих реагентів і часу); C _A, C _B - поточні концентрації реагуючих речовин; n _1, n ₂ - Деякі числа, які називаються порядком реакції по речовин А і В відповідно. Порядок реакції збігається зі стехіометричним показниками елементарної реакції. Порядок реакції n - сума показників кінетичних ступенів в хімічному рівнянні реакції. Сума показників ступенів n ₁ + n ₂ = n називається загальним порядком реакції. Для елементарної реакції загальний порядок дорівнює молекулярному, а порядок про речовини рівні коефіцієнтам в рівнянні реакції. Порядок реакції по i - тому компоненту не дорівнює його стехиометрическому коефіцієнту в хімічному рівнянні складної реакції.
1. Реакції нульового порядку. Швидкість цих реакцій не залежить від концентрації реагує речовини n = 0. З рівнянь 1.3.1 і 1.3.3 отримаємо наступне
w = k або . (1.3.4)
Інтегруючи вираз (1.3.4) отримуємо:
C _{A, t} = C _{A, 0} - k ₀ t, k ₀ t = C _{A, 0} - C _{A, t} (1.3.5)
Введемо поняття час напівперетворення t _{1 / 2} - Це час, протягом якого перетворюється половина вихідної речовини.
Для реакції нульового порядку в рівняння 1.3.5 підставимо
t _{1 / 2} =

2. Реакції першого порядку. Для реакції першого порядку n = 1 типу

А ® Р ₁ + Р ₂ + ..., швидкість прямо пропорційна концентрації речовини А:

w = ;
lnC _{A, t} = LnC _{A, 0} - kt
С = С _{А, t} = C _{A, 0} e ^{- kt}
t _{1 / 2} =
3. Реакції другого порядку. Для реакції другого порядку n = 2 типу
А + В ® Р ₁ + Р ₂ +..., якщо С _{А, 0} = С _{В, 0} кінетичне рівняння має вигляд
w = ;

t _{1 / 2}
Для реакції другого порядку типу А + В ® Р + ... якщо С _{А, 0} ¹ С _{В, 0} кінетичне рівняння має вигляд
w =
Періоди напіврозпаду речовини А і В, якщо С _{А, 0} ¹ С _{В, 0,} різні,
тобто t _{1 | 2} (A) ¹ t _{1 | 2} (B).
4. Реакції третього порядку. Кінетика реакції третього порядку n = 3 типи
2А + В ® Р ₁ + Р ₂ + ... 3А ® Р ₁ + Р ₂ + ..., А + В + С ® Р ₁ + Р ₂ + ...
при рівних початкових концентраціях описується рівнянням
w =
t _{1 | 2} =
Для реакції А + В + С ® Р + ..., якщо С _{А, 0} ¹ С _{В, 0} ¹ З _{З, 0} кінетичне рівняння прийме вигляд
w =
II. Вираз (1.3.1) записано для фіксованої температури. Для наближеної оцінки зміни швидкості широко використовується емпіричне правило Вант-Гоффа, відповідно до якого швидкість хімічної реакції стає в 2-4 рази більше при підвищенні температури на кожні 10 ° C. У математичній формі залежність зміни швидкості реакції від температури виражається рівнянням
(1.3.4)
- Швидкість реакції при підвищеній температурі Т _2,
- Швидкість реакції при початковій температурі Т _1; γ-температурний коефіцієнт швидкості, що показує, у скільки разів збільшиться швидкість реакції при підвищенні температури на 10 ° С (2-4). Це дозволяє припустити, що між швидкістю реакції та температурою повинна існувати експонентна залежність. Точне співвідношення між швидкістю реакції та температурою встановив шведський хімік Арреніус в 1899 р. Це співвідношення, що отримало назву рівняння Арреніуса, має вигляд
  (1.3.5)
де k - константа швидкості реакції; А - постійна, що характеризує кожну конкретну реакцію (константа Арреніуса, або «предекспонента»);
Е _a - постійна, характерна для кожної реакції і звана енергією активації, Дж; R - універсальна газова стала Дж / ​​(К * моль);
Т - температура, К.
Підкреслимо, що це рівняння пов'язує температуру не зі швидкістю реакції, а з константою швидкості. Наведемо рівняння Арреніуса для двох температур

III. Одне з найбільш сильних засобів впливу на швидкість реакції - присутність у реагує системі каталізатора - речовини, яка підсилюють (а іноді і знижують - тоді його називають інгібітором) швидкість хімічної реакції, але сама не витрачається в цьому процесі.
Приклади розв'язання задач
1. У скільки разів збільшиться швидкість хімічної реакції при підвищенні температури з 0 до 50 ° С, приймаючи температурний коефіцієнт швидкості рівним трьом?
Рішення:

У математичній формі залежність зміни швидкості реакції від температури виражається рівнянням

= γ
Температура збільшується на 50 ° С, а γ = 3. Підставляючи ці значення, отримаємо = 3 = 243
Відповідь: швидкість збільшиться в 234 рази.
2. Для реакції першого порядку А → 2В визначте час за який прореагувало на 90% речовини А. Константа швидкості реакції 1 * 10 ^-4 с ^-1.
Рішення:
А → 2В
; ;
C _{0, A} - C _A = 0,9 C _{0, A}
C _A = 0,1 C _{0, A}
k ₁ t = lnC _{0, A} - lnC _A
Відповідь: 64 ч.
3. Як зміниться швидкість реакції 2А + В ₂ 2АВ, що протікає і закритій посудині, якщо збільшити тиск в 4 рази?
Рішення:
За законом дії мас швидкість хімічної реакції прямо пропорційна добутку молярних концентрацій реагуючих речовин: w = . Збільшуючи в посудині тиск, ми тим самим збільшуємо концентрацію реагуючих речовин. Нехай початкові концентрації А і В дорівнювали [А] = а,
[У] = b. Тоді w = ka ² b. Внаслідок збільшення тиску в 4 рази збільшилися концентрації кожного з реагентів теж в 4 рази і стали [A] = 4a, [B] = 4b.
При цих концентраціях w ₁ = k (4а) ² * 4b = k64а ² b. Значення k і обох випадках один і той же. Константа швидкості для даної реакції є незмінною, чисельно рівна швидкості реакції при молярних концентраціях реагуючих речовин, рівних 1. Порівнюючи w і w _1, бачимо, що швидкість реакції зросла в 64 рази. Відповідь: швидкість реакції зросла в 64 рази.
4. Енергія активації деякої реакції за відсутності каталізатора дорівнює
76 кДж / моль і при температурі 27 ° С перебігає з деякою швидкістю k _1. У присутності каталізатора при цій же температурі швидкість реакції збільшується в 3,38 • 10 ⁴ разів. Визначте енергію активації реакції в присутності каталізатора.
Рішення:
Константа швидкості реакції за відсутності каталізатора запишеться у вигляді
= Ае = Ae ^-30,485.
Константа швидкості реакції в присутності каталізатора дорівнює
= Ае = Ае .
За умовою задачі
= E ^{- (- 30,485 - )} = 3,38 * 10 ^4.
Логаріфміруя останнє рівняння і отримуємо
30,485 - = 1n (3,38 * 10 ⁴⁾ = 10,43.
Звідси Е _а = 2493 • 20,057 = 50 кДж / моль.
Відповідь: енергія активації реакції в присутності каталізатора дорівнює 50 кДж / моль.
Завдання для самостійного вирішення
1. За який час пройде реакція при 60 ◦ С, якщо при 20 ◦ С вона закінчується за
40 с, а енергія активації 125,5 кДж / моль?
2. У забрудненому повітрі міститься домішка монооксиду вуглецю, який утворюється при неповному згоранні твердого палива та роботі двигунів внутрішнього згоряння. Монооксид вуглецю повільно окислюється киснем повітря до діоксиду вуглецю. Припустимо, що за певних умов швидкість такої реакції становить 0,05 моль / л * с, а концентрація діоксиду вуглецю дорівнює 0,2 моль / л * с. Розрахуйте концентрацію діоксиду вуглецю через 10 с після зазначеного моменту.
3. Один з важливих видів сировини для органічного синтезу - так званий водяний газ, що представляє собою суміш водню і монооксиду вуглецю. Цю суміш отримують при пропущенні водяної пари через вежі, наповнені розпеченим вугіллям. З водяного газу отримують метанол, формальдегід та інші речовини. Розрахуйте значення константи швидкості реакції отримання водяного газу, якщо при концентрації водяної пари, що дорівнює 0,03 моль / л швидкість реакції складає 6,1 • 10 ^-5 моль / л * с.
4. У реакції А + В → С з загальним порядок рівним 1, k ₁ = 5 * 10 ^-5 c ^-1 Визначте концентрації речовин А і В та швидкість через 1 годину і через 5 годин, якщо початкова концентрації А становить 0,2 моль / л.
5. Причиною появи небезпечного для здоров'я туману (смогу) вважають утворення великої кількості вихлопних газів автомобілів при високій вологості повітря. У смозі присутній отруйний діоксид азоту, який виходить при реакції монооксиду азоту з атомарним киснем. Розрахуйте швидкість цієї реакції, якщо через 5 хв після початку спостережень концентрація діоксиду азоту була дорівнює 0,05 моль / л, а через 20 хв - 0,08 моль / л.
6. Рівняння реакції омилення уксусноетіловий ефіру:
СН ₂ СООС ₂ Н ₅ + NаОН = СН ₃ СООNa + С ₂ Н ₅ ОН
Вихідні концентрації реагуючих речовин до початку реакції були: [СН ₃ СООС ₂ Н _5] = 0,50 моль / л, [NаОН] = 0,25 моль / л. Визначити, як і у скільки разів зміниться швидкість реакції в момент, коли концентрація [СН ₃ СООС ₂ Н _5] стала рівною 0,30 моль / л.
7. Атмосферні забруднення, наприклад фторовані і хлоровані вуглеводні - фреони (СС1 ₃ F, СС1 ₂ F _2, СС1F _3), руйнують захисний озоновий шар Землі. Фреони хімічно стабільні в нижніх шарах атмосфери, але в стратосфері під дією ультрафіолетового випромінювання Сонця розкладаються, виділяючи атомарний хлор, який і взаємодіє з озоном. Розрахуйте швидкість такої реакції з утворенням кисню та монооксиду хлору, якщо через 15 с після початку реакції молярна концентрація озону була 0,30 моль / л, а через 35с (від початку реакції) стала дорівнює 0,15 моль / л.
8. За реакцією дегидрирования бутану, що протікає за рівнянням
З ₄ Н ₁₀ → З ₄ Н ₈ + Н ₂ при температурі 800 К, стежили за обсягом реагуючих газів, займаному ними при тиску 101 кПа і 293 К. Обсяг реактора 0,2 л, швидкість протікання реакції дорівнює 1,33 • 10 ^{- 2} кПа / с. Розрахуйте, через який час після початку реакції зміна обсягу досягне 0,01 л.
9. Розрахуйте зміни константи швидкості реакції, що має енергію активації 191 кДж / моль, при збільшенні температури від 330 до 400 К.
10. Обчисліть порядок реакції і константу швидкості, якщо при зміні початкової концентрації з 0,502 моль / л до 1,007 моль / л час напівперетворення зменшиться з 51 с до 26 с.
11. Для реакції омилення оцтово-етилового ефіру при великому надлишку води константа швидкості при 20 º С дорівнює 0,00099 хв ^-1, а при 40С її величина становить 0,00439 хв ^-1. Визначте енергію активації і константу швидкості реакції при 30 º С.
3.2 Техніко-економічні показники хімічних виробництв
Значення хімії стає особливо ясним, коли досліджуваний матеріал пов'язують з практичними питаннями. Один із способів його зв'язку з життям - вирішення завдань на теми з виробничі змістом. Для хімічної промисловості, як галузі матеріального виробництва має значення технічний і економічний аспекти, від яких залежить нормальне функціонування виробництва. Техніко-економічні показники (ТЕП) відбивають можливості підприємства випускати продукцію заданої номенклатури і якості, що задовольняє вимогам замовника, і в заданій кількості. Вони є критеріями, що дозволяє встановити економічну доцільність організації даного виробництва та його рентабельність.
Рентабельність процесу виробництва характеризується наступними ТЕП: ступінь перетворення, вихід продукту, селективність, продуктивність, потужність та інтенсивність апаратури, практичний і теоретичний видатковий коефіцієнт.
У цьому розділі розглядаються завдання наступних типів:
1. Завдання, в яких звертається увага на отримання речовини або на застосування його у виробничих умовах.
2. Завдання на визначення виходу одержуваного речовини по відношенню до теоретичного.
3. Завдання, що розкривають хімічну бік технології виробництва і потребують складання рівняння реакції за якою воно протікає.
4. Завдання, в яких звертається увага на масштаби виробництва чи розміри апаратури (веж, камер, колонок) і т. п.
Ступінь перетворення ( ) - Це відношення кількості речовини, що вступив у реакцію, до його вихідного кількістю речовини. Припустимо, протікає проста необоротна реакція типу А → В. Якщо позначити через вихідне кількість речовини А, а через - Кількість речовини А в даний момент, то ступінь перетворення реагенту А складе
(2.1)
Чим вище ступінь перетворення, тим більша частина вихідної сировини вступила в реакцію і повніше пройшов процес хімічного перетворення.
Вихід продукту (η) є показником досконалості процесу і показує відношення кількості фактично отриманої кількості того чи іншого продукту до його теоретичного кількості.
; (2.2), (2.3)
Продуктивність апарату (П) визначає кількість готового продукту m фактично виробляється в одиницю часу t при заданих умовах процесу виробництва. Вимірюється т / добу, тис.т / рік, кг / год, нм ³ / доб.
(2.4)
Інтенсивність апарату - продуктивність, віднесена до одиниці корисного обсягу або до одиниці корисної площі. Вимірюється кг / м ³ и кг / м ²
  або (2.5), (2.6)
Максимально можлива продуктивність апарату при оптимальних умовах процесу виробництва називається його потужністю W
W = П _max (2.7)
Селективність - відношення маси цільового продукту до загальної маси продуктів, отриманих в даному процесі, або до маси перетвореного сировини за час t.
Якщо А → В, А → С, де В - цільовий продукт, С - побічний продукт, то рівняння має наступний вигляд:
(2.8)
Це відношення швидкості перетворення речовини А в цільовий продукт до загальної швидкості витрати речовини А.

Витратний коефіцієнт К _р визначає витрати сировини, води, палива, електроенергії пари на одиницю виробленої продукції
(2.9)
G _вих - витрати сировини, палива, енергії при виробництві продукту в кількості G. Вимірюється в т / т, нм ³ / т, нм ³ / нм ^3, кВт * год / т.
Приклади розв'язання задач
1. Скільки теоретично можна отримати чавуну, що містить 3% вуглецю і 3% інших елементів, з 1 т залізної руди, що містить 80% заліза?
З кожної тонни залізної руди, що містить в середньому 80% магнітного залізняку, виплавляють 570 кг чавуну, що містить 95% заліза. Який був вихід заліза від теоретичного?
Рішення:
М (Fе ₃ О ₄₎ = 232 г / моль
М (Fе) = 56 г / моль
Записуємо формулу визначення η (Fе):

Обох величин в умові немає. Але m (Fе) _пр можна розрахувати за масою чавуну і масової частки заліза в ньому:
m (Fе) _пр = 570 кг • 0,95 = 541,5 кг.
Відразу теоретичну масу заліза по умові не вирахувати. Можна знайти масу магнітного залізняку за масою руди і вмісту в ній масової частки залізняку:
m (Fе ₃ О ₄₎ = 1000 кг • 0,8 = 800 кг.
За обчисленої масі магнітного залізняку і його формулі знайдемо масу заліза в ньому:
800> 232 в 3,45 разу => m (Fе) буде> 168 (56 • 3) теж в 3,45 рази, тобто
M (Fе) = 168 • 3,45 = 579,6 (кг).
Підставляючи отримані значення практичної і теоретичної маси заліза до первісної формулу, отримаємо вихід заліза:
η (Fе) =
Відповідь: η (Fе) = 93,4%.
2. Для отримання формальдегіду метиловий спирт необхідно окислити на срібному каталізаторі: СН ₃ ОН + 0,5 О ₂ = СН ₂ О + Н ₂ О. Крім основних реакцій протікають і побічні. Припустимо, що на окислення подається 3,2 кмоль метилового спирту. Їх них утворилося 1,8 кмоль формальдегіду, 0,8 моль - побічних продуктів (сумарно) і залишилися неокислених 0,6 кмоль метилового спирту. Необхідно знайти ступінь перетворення метилового спирту, вихід формальдегіду і селективність.
Рішення:
Визначимо ступінь перетворення. Для цього кількість непрореагировавшего спирту, що залишився після реакції, 0,6 кмоль необхідно вирахувати з його початкового кількості 3,2 кмоль. Підставивши дані значення у формулу (2.1) отримаємо:

Розрахуємо селективність по формальдегіду. Загальна кількість отриманих продуктів дорівнює сумі кількості формальдегіду 1,8 кмоль та кількості продуктів 0,8 кмоль.

Знайдемо вихід продукту формальдегіду.

Відповідь: = 0,81, φ (НСНО) = 0,69, η (НСНО) = 56%
Завдання для самостійного вирішення
1. Розрахувати основні техніко-економічні показники отримання синтетичного аміаку:
а) витратний коефіцієнт сировини за Н ₂ та N ₂ (у м ³⁾ на 1т аміаку.
Б) вихід аміаку
в) продуктивність заводу.
Г) інтенсивність процесу синтезу аміаку в т / м ³ корисного обсягу колонки на добу. На 1т аміаку практично витрачається 3000 нм ³ азотоводородной суміші, теоретично 2635 нм ^3. 5 колонок з висотою 0,36 м.
2. Обчислити витратний коефіцієнт на 1т СН ₃ СООН для Сас _2, містить 65% Сас _2, якщо вихід З ₂ Н ₂ 97%, оцтового альдегіду 95% і СН ₃ СООН 96%.
3. Обчислити кількість аміаку і СО ₂ (в кг) витрачених на виробництво сечовини. Втрати сечовини 5% надлишок аміаку 100%, ступінь перетворення карбомата амонію сечовину 75%
4. При окислювальному дегидрировании метилового спирту протікають одночасно дві реакції: дегідрування та окислення метанолу. Вихід формальдегіду 90% при ступені конверсії метанолу 65%. Обчисліть витрата метанолу на 1т формальдегіду.
5. Продуктивність мечі для випалу сірчаного колчедану складає 30т на добу. Вихід SО ₂ - 97,4% від теоретичного. Скільки тонн SО ₂ робить піч на добу, якщо вміст сірки в колчеданов 42,4%?
6. Піч для варіння скла, що виробляє на добу 300т скломаси має ванну довжиною 60м, шириною 10м і глибиною 1,5 м. Визначити:
а) річну продуктивність, якщо 15 діб піч перебуває на ремонті
б) інтенсивність печі за добу роботи.
В) кількість аркушів віконного скла за з зварюваної скломаси (стандарт. Лист 1250 * 700 * 2 мм і щільність 2500 г / м ³⁾
7. При прямій гідратації етилену поряд з основною реакцією приєднання Н ₂ О протікають побічні реакції. Так 2% (від маси) етилену витрачається на освіту простого діетилового ефіру, 1% ацетальдегіду, 2% низькомолекулярного рідкого полімеру. Загальний вихід спирту при багаторазовій циркуляції сост. 95%. Напишіть рівняння хімічної реакції утворилися вище перерахованих сполук і підрахуйте витрата етилену на 1т етилового спирту, і скільки діетилового ефіру може при цьому вийде.
8. Шахтна піч для одержання оксиду кальцію має в середньому висоту
14 м і діаметром 4 м; вихід оксиду кальцію складає 600 - 800 кг на 1 м ³ печі на добу. Визначте добовий вихід оксиду кальцію.
9. Продуктивність печі для випалювання колчедану становить 30 т колчедану на добу. Колчедан містить 42,2% сірки. Повітря витрачається на 60% більше теоретичного. Вихід сірчистого газу складає 97,4%.
Обчислити а) зміст колчедану FеS ₂ (у%), б) обсяг та склад газової суміші, що виходить із суміші за 1 годину; в) масу вільного в печі недогарка; г) масу вільного в печі не прореагировавшего FeS _2.
10. Протікають дві паралельні реакції 2А → С і А → 3В. Визначте вихід продукту С, ступінь перетворення реагенту А і селективність по продукту В, якщо на виході з реактора відомо кількість речовин ν (А) = 2 моль, ν (С) = ν (В) = 3 моль.
3.3 Завдання з екологічним змістом
Охорона повітряного і водного басейнів, захисту грунтів, збереження і відтворення флоти і фауни - важливі проблеми сучасності. У нашій країні розроблено кілька загальних напрямків захисту біосфери від промислових викидів: створення безвідходних технологій, замкнутих систем виробництв, заснований на повному комплексному використанні сировини, зменшення обсягу промислових стоків шляхом створення безстічних виробництв, проведення заходів щодо зменшення забруднення біосфери газоподібними викидами спалювання палива; розробка методів утилізації; і знешкодження виробничих відходів та викидів на діючих підприємствах.
Екологічна хімія - наука, що вивчає основи екологічних явищ і хімічних процесів, що відбуваються в природі. У даному розділі застосовуються основні закони і формули, які застосовуються для розрахунку маси, кількості речовини, об'єму, концентрації, в тому числі і для визначення гранично-допустимих концентрацій.
Гранично - допустима концентрація (ГДК) - це така концентрація, яка не робить на живі організми прямого або непрямого впливу, не знижує його працездатність, самопочуття. Основним завданням газоочистки та очищення стічних вод служить доведення змісту токсичних домішок у газах і зливних водах до ГДК встановлених санітарними нормами. При неможливості досягти ГДК шляхом очищення іноді застосовують багаторазове розведення токсичних речовин або викид газів через високі димові труби для розсіювання домішок у верхніх шарах атмосфери. Для санітарної оцінки середовища використовують кілька видів ГДК.
- ГДК повітряного середовища;
- ГДК водного середовища;
- ГДК грунту.
Для визначення гранично-допустимої концентрації застосовують наступну формулу:
,
де С _m - Гранично - допустима концентрація, m - маса токсичного з'єднання,
V - об'єм, у якому присутній з'єднання даної маси.
Теоретичне визначення концентрації домішок в нижніх шарах атмосфери в залежить від висоти труби. Висота труби, від якої залежить вміст домішок у приземному шарі повітря, розраховується за емпіричною формулою:

де М - кількість шкідливих речовин, що викидаються в атмосферу, г / с; V - Обсяг викидаються газів, м ³ / с; Т - різниця між температурами вихідних газів і навколишнього повітря, ◦ С; N - кількість труб, через які виводяться відхідні гази.
Гранично допустимий викид (ПВД) шкідливих домішок в атмосферу, що забезпечує концентрацію цих речовин у приземному шарі повітря не вище ГДК, розраховується за формулою

де А - коефіцієнт, що визначає умови вертикального і горизонтального розсіювання шкідливих речовин в повітрі; F-коефіцієнт, що враховує швидкість седиментації шкідливих речовин в атмосфері; m-коефіцієнт, що враховує умови виходу газу з гирла труби. Коефіцієнт m може бути обчислений за формулою

де v - середня швидкість газу на виході з труби, м / с; d - діаметр труби, м.
Приклади розв'язання задач.
1. В даний час мурашину кислоту отримують з природного газу шляхом каталітичного окислення міститься в ньому метану. Обчисліть об'єм природного газу (в. у.), Необхідного для отримання мурашиної кислоти масою 69 т, якщо об'ємна частка метану в ньому дорівнює 0,95. Визначте переваги даної технології в порівнянні з методом отримання мурашиної кислоти шляхом розкладання Форміат натрію сірчаної кислотою при охолодженні розчину.
Рішення:
СН ₄ + 3 [Про] → НСООН + Н ₂ О
ν (НСООН) = = = 1,5 * 10 ⁶ моль;
V (СН ₄₎ = ν * V _m = 1,5 * 10 ⁶ моль * 22,4 л / моль = 33,6 * 10 ⁵ л.
V (природного газу) = 33,6 * 10 ⁶ л: 0,95 = 35,37 * 10 ⁶ л = 35,37 * 10 ³ м ³
Відповідь: обсяг природного газу дорівнює 35,37 * 10 ³ м ^3.
Сучасний спосіб отримання мурашиної кислоти дає економічну вигоду, тому що його використання зменшує витрату цінної сировини. Екологічна вигода полягає в тому, що якщо природний газ використовують без попередньої переробки, то це викликає попадання в атмосферу великої кількості продуктів його згоряння: оксидів сірки, азоту, вуглецю, які забруднюють навколишнє середовище. Дана технологія отримання мурашиної кислоти має також переваги в порівнянні з синтезом кислоти з Форміат натрію, який здійснюється в кілька стадій і дає в якості побічних продуктів виробництва солі сірчаної кислоти, кислотні та лужні стічні води.
Природний газ даного обсягу майже повністю витрачається на отримання мурашиної кислоти. Отже, викид відходів виробництва в навколишнє середовище зменшується в порівнянні з методом отримання її розкладанням Форміат натрію, так як використовується маловідходних технологій.
2. У стічних водах хіміко-фармацевтичного комбінату був виявлений хлорид ртуті HgCl _2, концентрація якого склала 5 мг / л. Для його очищення вирішили застосувати метод осадження. Як осадителя використовували сульфід натрію (Na ₂ S) масою 420 р. Чи будуть достатньо очищені стічні води, щоб допустити їх скидання в сусідній водойму, що містить 10 000 м ³ води?
ГДК (HgCl ₂₎ = 0,0001 мг / л. Обсяг стічних вод 300 м ³
Рішення:
HgCl ₂ + Na ₂ S = HgS + 2NaCI
C (HgCI ₂₎ = 5 мг / л = 5 * 10 ^-3 г / л; V = 300 м ^{3 =} 300 * 10 ³ л;
m (HgCl ₂₎ = 1500г
ν (HgCl ₂₎ = 5,52 моль
m (Na ₂ S) = 420 г; ν (Na ₂ S) = 5,38 моль. Згідно рівняння реакції в нестачі міститься сульфід натрію, в надлишку - хлорид ртуті. Залишиться хлориду ртуті кількістю 0,14 моль, m = 0,14 моль * 271,58 г / моль = 1938
m (HgCl ₂₎ = 38 г;
Знаходимо ГДК

Це число значно перевищує ГДК. Однак при скиданні стічних вод у природна водойма концентрація хлориду ртуті знизиться і буде дорівнює: . Отримане число також більше ГДК. Таким чином, скидання води неприпустимий.
Відповідь: З _m (HgCl) = 0,127 мг / л у стічних водах і 0,0037 мг / л у відкритому водоймищі, що значно більше ГДК.
3. Як можна утилізувати доменний газ?
Рішення:
Доменний газ має високу температуру, тому на першій стадій його
переробки здійснюють утилізацію тепла, на другий - від газу відокремлюють
колошниковий пил (оксиди міді) з допомогою циклонів і електрофільтрів. Надалі доменний газ використовують як паливо. Крім того, його
можна очистити від оксидів сірки з реакції Клауса:
SO ₂ + 2H ₂ S = 3S + 2Н ₂ О.
Слід зазначити, що в даний час доменний процес вважається безперспективним. Його замінюють прямим відновленням заліза з руди.
Завдання для самостійної роботи
1. У радіусі 2 км навколо хімічного заводу відчувається легкий запах сірководню. Аналіз проб повітря, відібраних з вертольота, показав, що газ знаходиться в атмосфері на висоті до 2,0 км. Середня концентрація сірководню в повітрі становить 1 / 20 промислово допустимої концентрації (ГДК), що дорівнює 0,01 мл / л. Скільки тонн сірчаної кислоти (вважаючи на безводну) можна було б отримати, якби вдалося вловити весь сірководень у цьому просторі?
2. Картопля, вирощений поблизу шосе, завжди містить вельми отруйні сполуки свинцю. У перерахунку на метал в 1кг такої картоплі було виявлено 0,001 моль свинцю. Визначте, у скільки разів перевищено гранично допустимий вміст свинцю в овочах, значення якого дорівнює 0,5 кг?
3. Природний газ містить головним чином метан СН _4, але в ньому присутні і домішки, наприклад отруйний сірководень Н ₂ S - до 50 г на 1 кг метану. Щоб видалити домішка сірководню, можна окислити його перманганатом калію КМnО ₄ в кислому середовищі до сірки. Розрахуйте масу сірки, яку можна таким чином виділити з 1 т природного газу. Визначте також масу сірчаної кислоти, яка може бути отримана з цієї сірки.
4. Діоксид сірки утворюється в основному при спалюванні твердого палива на теплових електростанціях. Це безбарвний газ з різким запахом, він сильно дратує слизові оболонки очей і дихальних шляхів. Наявність діоксиду сірки в атмосфері - причина кислотних дощів, оскільки під дією кисню повітря і води діоксид сірки перетворюється в сірчану кислоту. Однак далеко не всі виробництва, у викидах яких міститься діоксид сірки, мають сучасні споруди для газоочистки. Частіше застосовується розведення викидів чистим повітрям або розсіювання їх у повітряному середовищі шляхом влаштування димових труб великої висоти. Встановлено, що при висоті труби 100 м на відстані 2 км від підприємства вміст діоксиду сірки в повітрі одно 2,75 мг / м ^3. У скільки разів цей показник перевищує значення гранично допустимої концентрації, що дорівнює 7,8 * 10 ^-6 моль / м ^3.
5. Формальдегід НСНО застосовується при виготовленні деревостружкових плит, фарб, штучного волокна, лікарських засобів, оргскла і т.п. Він володіє сильним і різким запахом і гнітюче діє на серцево-судинну і нервову системи. Запах формальдегіду відчувається при його вмісті в повітрі, що дорівнює 0,2 мг / м ^3, а санітарні норми вимагають, щоб домішка формальдегіду в повітрі не перевищувала 0,003 мг / м ^3. Розрахуйте молярну концентрацію формальдегіду: а) при повній відповідності повітря санітарним нормам; б) при появі запаху формальдегіду.
6. Розрахуйте, якої висоти повинна бути труба, щоб концентрація оксиду сірки (IV) в приосадкувате шарі повітря не перевищувала ГДК (0,5 мг / г ^3). Відходить паливний газ з об'ємною часткою оксиду сірки (IV) 0,05% надходить у димову трубу зі швидкістю 300 м ³ / год при температурі 130 ◦ С. Температура повітря 20 ◦ С.
7. Незаконне поховання ртуті призвело до того, що її зміст в 1кг грунту на деякій ділянці лісопаркової зони склало 0,005 моль. ГДК ртуті в грунті одно 21 мг / кг. У скільки разів перевищено значення ГДК ртуті у грунті?
8. Водний розчин 0,001 моль йоду в надлишку йодиду калію повністю знебарвився після пропускання через нього 1м ³ повітря. Розрахуйте вміст діоксиду сірки (мг / м ³⁾ у досліджуваному повітрі і порівняйте отриманий результат з ГДК (SO _2), що дорівнює 0,05 мг / м ^3. Перевищено Чи має значення ГДК діоксиду сірки?
9. Історики вважають, що випадки отруєння сполуками свинцю в Стародавньому Римі були обумовлені використанням свинцевого водопровідних труб. Свинець у присутності діоксиду вуглецю взаємодіє з водою. При цьому утворюється розчинна гідрокарбонат свинцю:
Рb + СО ₂ + Н ₂ О = РbСО ₃ + Н ₂ ↑
РbСО ₃ + СО ₂ + Н ₂ О = Рb (НСО _{3) 2}
Катіони свинцю не приносять шкоди здоров'ю, якщо їх вміст у воді не перевищує 0,03 мг / л. У скільки разів воно було перевищено, якщо вважати, що 1 літр водопровідної води містив 0,0000145 моль Рb ^{2 +?}
10. При виробництві сірки автоклавним методом неминуче виділяється близько
3 кг сірководню на кожну тонну одержуваної сірки. Сірководень - надзвичайно отруйний газ, що викликає запаморочення, нудоту і блювоту, а при вдиханні у великій кількості - поразка м'яза серця і судоми, аж до смертельного результату. Який обсяг сірководню (при н. У.) Необхідно поглинути в системах газоочистки при отриманні 125 т сірки на хімзаводі?
11. На нафтопереробному заводі через поломки стався аварійний викид нафтопродуктів у найближче озеро. Маса скинутих продуктів становила 500 кг. Чи виживуть риби, що живуть в озері, якщо відомо, що приблизна маса води в озері 10000 т. Токсична концентрація нафтопродуктів для риб становить 0,05 мг / л.
12. Визначте ПВД фтороводню (в м за сек), що забезпечує концентрацію його в приземному шарі атмосфери в районі суперфосфатного заводу не вище ГДК 0,05 мг / м ^3, при висоті димової труби 100 м та її діаметрі 0,7 м. Обсяг газового викиду дорівнює 160, а коефіцієнт седиментації - 1. Середня швидкість газу на виході з труби - 0,4 м / с. Температура газу, що виходить 40С, а атмосфери - 23С.
3.4 Виробництво неорганічних сполук
3.4.1 Металургія
Металургія - це наука про промислові способи отримання металів з ​​природної сировини. Металургією також називаю металургійну промисловість. Сировиною у виробництві металів є металеві руди. За винятком невеликого числа металів знаходяться в природі у вигляді хімічних сполук входять до складу металевих руд. Основним завданням металургійної промисловості є отримання металів з руд. Для цього руду готують, піддають вторинній обробці і процесу відновлення.
Завдання, які наводяться в цьому розділі є розрахунковими завданнями по рівняннях хімічних реакцій. При вирішенні завдань використовують основні закони і формули хімії, а також формули які розглядалися в попередніх розділах (вихід продукту, інтенсивність, продуктивність і тд.)
Однією з найважливіших задач хімічної технології є збагачення сировини. Для цього застосовують метод флотації, який заснований на різній змочуваності водою мінералів.
Вихід концентрату (В _к) називається відсоткове відношення ваги отриманого концентрату до ваги взятої руди.
Ступінь вилучення (С _і) називається відсоткове відношення ваги витягнутого елемента в концентраті до його ваги в руді.
Ступенем збагачення (С _о) називається відношення процентного вмісту елемента в концентраті до змісту його у вихідній руді.
У цьому розділі при вирішення завдань використовують такі поняття: вихід продукту, розрахунок складу руди, можливість мимовільного протікання реакції отримання металу, які докладно описуються в інших розділах.
Приклади розв'язання задач
1. Розрахувати мінімальний витрата магнію для видалення сурми з 10 т чорнового свинцю, в якому сурма становить 0,5% маси. Сурма виділяється зі сплаву у складі з'єднання Мg ₃ Sb ₂
Рішення:
Складемо перше рівняння маса магнію, доданого в чорновій сплав, дорівнює масі магнію в виділилися зі сплаву з'єднанні Mg ₃ Sb _2. Запишемо друге рівняння, вважаючи, що маса сурми, що міститься в 10 т чорнового сплаву, дорівнює масі сурми і утворився з'єднанні Мg ₃ Sb _2.
m (Mg) = m (Mg ₃ Sb ₂₎ * (3 * M (Mg) / M (Mg ₃ Sb ₂₎
10 * 0,005 = m (Mg ₃ Sb ₂₎ * (2 * M (Sb) / M (Mg ₃ Sb ₂₎
Або
m (Mg) = m (Mg ₃ Sb2) * (3 * 24) / 316
0,05 = m (Mg ₃ Sb ₂₎ * ₍₂ * 122/316)
Для вирішення системи рівнянні розділимо праву і ліву частини першого рівняння на відповідні частини другого і позначаючи (Мg) через х, отримаємо:
x / 0,05 = 24 * 3 / 122 * 2, x = 0,0148
Відповідь. Мінімальний витрата магнію-14,8 кг.
2. На збагачувальній фабриці флотації піддається руда, що містить 1,3% міді. При флотації 1т вихідної руди вийде 110,5 кг концентрату, що містить 9,6% міді. Визначте вихід концентрату, ступінь вилучення і ступінь збагачення.
Рішення
1.В _к =
2. Для обчислення С _і розмірковуємо так
а) в 100 кг вихідної руди міститься 1,3 кг міді
в 1000 кг ---------------------------------- х кг міді
х = 13 кг міді
б) в 100 кг концентрату міститься 9,6 кг міді
в 110,5 кг ---------------------------------- х кг міді
х = 10,6 кг міді.
Отже, ступінь вилучення буде дорівнює
С _і =
3. З _о = рази.
Відповідь У _к = 11,05%, С _і = 81,5%, С _о = 7,4 рази.
Приклади розв'язання задач
1. Є титанова руда, що складається з мінералів рутилу, перовскіту і порожньої породи. Масова частка ТiО ₂ в цих мінералах становить відповідно 97% і 59%. Обчислити масові частки названих вище мінералів в руді, якщо відомо, що вміст титану одно 27% від маси руди, а порожньої породи - 38%.
2. Для легування сталі, потрібно внести в розплав титан, щоб його масова частка склала 0,12%. Яку масу сплаву Феротитан треба додати до розплаву сталі масою 500 кг, якщо масові частки металів у ферротітане становлять: титану - 30%, заліза - 70%
3. Деяка порода складається з мінералів сильвініту (KCl), каїніту (MgSO ₄ * KCl * 3H ₂ О) і карналіту (MgCl ₂ * KCl * 6H ₂ О). Масова частка калію в породі становить 18%, а домішок (не містять калію і магнію) - 12%. Обчисліть можливу масу магнію в 100 кг породи.
4. При збагачення 10 т мідної сульфідної руди, що містить 1,5% міді, отримано 400 кг концентрату, що містить 30% міді. Визначити ступінь вилучення і ступінь концентрації.
5. При флотації 5т цинкової руди, що містить 3% цинку, отримано 340 кг концентрату, що містить 22% цинку. Визначте вихід концентрату, ступінь вилучення і ступінь концентрації.
6. Відновлюючи вугіллям з'єднання Fe (CrO _{2) 2} (хромистий залізняк), отримують сплав ферохром, використовуваний в металургії. Визначте масову частку хрому в цьому сплаві, вважаючи, що інших компонентів, крім заліза і хрому, він не містить.
7. Залізна руда має склад: магнетит Fе ₃ О ₄ (масова частка 55%), ільменіт FеТiО ₃ (масова частка 15%) та інші речовини, що не містять залізо і титан. Яку масу заліза і титану можна отримати з такої руди масою 300 кг?
8. З мідної руди масою 16т, що містить халькозин Cu ₂ S і речовини, що не містять мідь, отримали чорновий метал масою 650 кг. Визначте масові частки міді і халькозину в руді, якщо масова частка міді в чорновому металі становить 98,46%.
9. Для видалення вісмуту з чорного свинцю до розплавленого металу додають сплав Pb - Ca, масова частка кальцію в якому становить 0,03. Розрахувати теоретичний витрата сплаву Pb - Ca для видалення вісмуту з 100 т чорнового свинцю, масова частка вісмуту в якому дорівнює 0,001. Вісмут виділятися з сплаву у складі з'єднання Ca ₃ Bi _2.
10. Мідна руда містить CuCO ₃ * Cu (OH) ₂ і азурит 2CuCO ₃ * Cu (OH) ₂ Яку масу міді можна отримати з руди масою 5т, якщо масова частка малахіту 8%, азуриту 3,6%. Визначте масову частку міді в руді.
3.4.2 Електрохімічні виробництва
Електролізом називається окислювально-відновна реакція, що протікає при пропущенні постійного електричного струму через розплав або розчин електроліту.
Сутність електролізу полягає в наступному: при пропущенні електричного струму через розплав або розчин електроліту позитивні іони електроліту (іони металів або водню) притягуються катодом, а негативні іони (кислотні залишки або гідроксильні групи) - анодом. Принесені до катода від джерела струму електрони приєднуються до позитивних іонів електроліту, відновлюючи їх. Одночасно негативні іони електроліту віддають свої електрони аноду, від якого вони рухаються до джерела струму. Втрачаючи свої електрони, вони окислюються в нейтральні атоми або групи атомів. Таким чином, у катода протікає процес відновлення, а біля анода - процес окислення.
А (+): nA ^{n - -} ne ^- → nA ^{p -}
K (-): nB ^{n + +} ne ^- → nB ^{p +}
Обидва процеси утворюють єдину окислювально-відновну реакцію. Але на відміну від звичайних окислювально-відновних реакцій електрони від відновника до окислювача переходять не прямо, а за допомогою електричного струму. Катод, що приносить електрони, є відновником, а анод, що відносить їх, - окислювачем.
Основними показниками електрохімічних виробництв є вихід за струмом, ступінь використання енергії. Витратний коефіцієнт по енергії, напруга, прикладена до електролізера, та ін Більшість обчислень базується на законі Фарадея, згідно з яким маса речовини, яка виділяється при електролізі пропорційно силі струму I, часу електролізу t і електрохімічного еквівалента цієї речовини Е _Е
Маса речовини обчислюється за формулою
(1.3.1)
де, I - сила струму, F - стала Фарадея (96500 Кл)
(Г-екв) (1.3.2)
Mr - відносна молекулярна маса речовини,
n - заряд іона (абсолютне значення) у вигляді якого речовина знаходиться в розчині або в розплаві (тобто кількість відданих або прийнятих електронів).
Вихід по струму визначається відношенням маси речовини, яка виділяється при електролізі, до маси речовини, яка теоретично має виділиться відповідно до закону Фарадея, і виражається у відсотках:
(1.3.3)
Маса m _теор знаходиться за формулою
(1.3.4)
Вихід по енергії визначається за рівнянням
(1.3.5)
де, Е _теор і Е _пр - теоретичне і практичне напруга розкладу при електролізі відповідно, В; η - вихід по енергії,%.
Вихід за енергією може бути обчислений і за кількістю витраченої енергії:
(1.3.6)
де w _теор і w _пр - кількість енергії, теоретично необхідне і практично витрачений на отримання одиниці продукту.
(1.3.7)
де 1000 - коефіцієнт переведення Вт * ч в кВт * год;
1 * 10 ^-6 - число, використовуване для перекладу грамів в тонни.
Теоретичний витрата електроенергії знаходиться по відношенню
(1.3.8)
де φ _разл - напруга розкладання.
Приклади розв'язання задач
1. Які процеси відбуваються при електролізі розплаву гідроокису натрію?
Рішення:
У розплаві їдкого натру містяться іони Nа ⁺ та ОН . Окислюються у анода іони ОН в наступній стадії розкладаються з утворенням води і кисню. Процес можна зобразити наступним чином:
К (-): 2Na ^{+ +} 2е ^- = 2Na;
А (+): 2ОН - 2e ^- = Н ₂ О + О ₂
Два атоми кисню, з'єднуючись один з одним, утворюють молекулу кисню О _2. Таким чином, сумарне рівняння
4NаОН = 4Na + 2Н ₂ О + О ₂
При електролізі розплавів солей кисневих кислот окислюються іони кислотних залишків тут же розкладаються на кисень і відповідні оксиди.
Своєрідно протікає електроліз у водному розчині. Справа в тому, що сама вода - електроліт, хоча і дуже слабкий. Таким чином, у водному розчині фактично містяться два електроліту - розчинник та розчинену речовину і відповідно по два види як позитивних, так і негативних іонів. Які з них будуть розряджатися, залежить від ряду умов. Як правило, можна керуватися наступним. Якщо позитивні іони електроліту є іонами дуже активних металів, як наприклад Na ⁺ чи К ^-, то при електролізі розряджаються не іони цих металів, а іони водню з води з виділенням вільного водню та звільненням гідроксильних іонів, що може бути виражено електронно-іонним рівнянням :
2H + OH + 2е ^- = Н ₂ ↑ + 2ОН
Якщо негативними іонами електроліту є кислотні залишки кисневих кислот, то при електролізі розряджаються не кислотний залишки цих кислот, а іони ОН з води з виділенням кисню, що можна виразити рівнянням:
4Н ₂ О - 4е ^- = 4Н ^{+ +} 4ОН
4ОН ^- 2Н ₂ О + О ₂
Складаючи обидва рівняння, отримуємо:
2Н ₂ О - 4е ^- = 4H ^{+ +} O ₂
2. Визначити вихід по струму (у%), якщо протягом 24 годин у електролізері розчину кухонної солі при силі струму 15500А було отримано 4200 л електролітичної лугу з концентрацією NaOH 125 кг / м ^3.
Рішення:
По рівнянню (1.3.4) маса гідроксиду натрію теоретично повинна була скласти

практично було отримано

Отже, вихід за струмом за формулою (1.3.3) буде дорівнює

Відповідь: вихід по струму 94,6%.
3. Визначте фактичну витрату електроенергії (в кіловат-годинах) на отримання хлору масою 1 т і вихід по енергії (у%), якщо середня напруга на електролізері 3,35 В, вихід за струмом 96%, а електрохімічний еквівалент хлору дорівнює 1,323 г / А * год
Рішення:
Використавши формулу (1.3.7), визначимо фактичну витрату енергії

Якщо прийняти вихід по струму за 100%, то при теоретичному напрузі розкладання NaCl, рівному 2,17 В, теоретичний витрата енергії на 1т хлору складе

У цьому випадку вихід по енергії

Відповідь: вихід по енергії 62,2%; 2637 кВ / год
Завдання для самостійного вирішення
1. Один із способів промислового одержання кальцію - електроліз розплавленого хлориду кальцію. Яка маса металу буде отримана, якщо відомо, що в результаті електролізу виділився хлор об'ємом 896 л (н.у.)?
2. При електролізі розчину хлориду натрію в електролізі, який працював протягом 24 год при силі струму 30000 А, було отримано 8,5 м ³ електролітичної лугу з концентрацією NaOH 120 кг / м ^3. Розрахувати вихід по струму (для лугу)
3. Визначити силу струму, необхідні для вироблення 100%-ного гідроксиду натрію масою 1720 кг на добу в електролізері із залізним катом при його безперервній роботі, якщо вихід по струму складає 96%
4. Обчислити масу хлору, що виробляється на рік заводом, на якому встановлено 5 серій по 150 електролізерів із залізними катодами при безперервній роботі протягом 350 днів, силі струму 34000 А і виході за струмом 95%. Визначити потужність генератора змінного струму електростанції, що забезпечує потреби заводу в електричній енергії при напрузі донної серії 550 В, якщо ККД випрямляча струму становить 95%.
5. Обчислити теоретичний і практичний витрата електроенергії на 1т 100% NаОН для електролізу розчину хлориду натрію з ртутним катодом. Теоретичне напруга розкладання одно 3,168 В. Визначити вихід по енергії, якщо практичне напруга розкладу 4,4 В, а вихід за струмом 92,5%.
6. Які речовини, і в якій кількості виділяються на вугільних електродах, якщо склад розчину 0,1 моль HgCl ₂ і 0,2 моль CuCl ₂ і через нього пропускається струм силою 10 А протягом 1 год?
7. При проходженні електричного струму через розбавлений розчин сірчаної кислоти протягом 10 хв виділилося 100 мл водню при 18С і тиску
755 мм рт. ст. Обчисліть силу струму.
8. При електролітичному отриманні магнію в якості електроліту може служить розплавлених хлорид магнію. Обчисліть вихід по струму, якщо у ванні, що працює при силі струму 40000 А, протягом 5 год, виділилося 72,6 кг магнію.
9. Про межі кількість електрики, необхідний для виділення 1 м ³ водню і 0,5 м ³ кисню, що отримується при електролізі води. Теоретичне напруга води дорівнює 1,23 У, а фактичне перевищує його в 1,5 - 2 рази. Розрахувати фактичний витрата електричної енергії.
10. При електролізі розчину містить 2,895 г суміші FeCl ₂ і FeCl _3, на катоді виділилося 1,12 г металу. Обчисліть масову частку кожного з компонентів вихідної суміші, якщо електроліз проводили до повного осадження заліза.

3.5 Виробництво органічних сполук
Основний або важкий органічний синтез - це виробництво у великих кількостях найважливіших органічних речовин переважно жирного ряду і простих за будовою: спиртів (метилового, етилового), галогенпохідних (вінілхлорид), альдегідів та кетонів (формальдегід, ацетон), карбонових кислот (мурашина, оцтова, ВШК), алкенів, дієнових УГВ. На базі продуктів важкого органічного синтезу отримують СМС, лікарські препарати, отрутохімікати, пластмаси, волокна.
Як правило, це розрахункові завдання по рівняннях хімічних реакцій. При вирішенні таких завдань застосовуються основні закони і формули для знаходження виходу продукту, маси, кількості і т.д.
При вирішенні задач використовуються як структурні формули, так і брутто-формули.
Приклади розв'язання задач
1. При взаємодії саліцилової кислоти з оцтовим ангідридом отримують ацетилсаліцилову кислоту, відому в медицині під назвою «аспірин»:
Розрахуйте масу аспірину, який можна отримати з 690 кг саліцилової кислоти, якщо масова частка виходу продукту становить 75% від теоретично можливого.
Рішення:
У рівнянні реакції можна написати як структурні формули, так і брутто-формули.
З ₇ Н ₁₂ О ₃ + З ₄ Н ₆ О ₃ → З ₈ Н ₁₄ О ₄ + СН ₃ СООН
саліцилова кислота оцтовий ангідрид аспірин оцтова кислот
Знаходимо кількість саліцилової кислоти.
ν (С ₇ Н ₁₂ О ₃₎ =
По рівнянню ν (С ₇ Н ₁₂ О ₃₎ = ν (С ₈ Н ₁₄ О ₄₎ = 4792 моль
m _теор (С ₈ Н ₁₄ О ₄₎ = 4792 моль * 174 г / моль = 833808г.
Знаходимо m _пр

Відповідь: 625 кг.
Завдання для самостійного вирішення
1. У промисловості вінілхлорид отримують піролізом дихлоретану:
2С ₂ Н ₄ + 2НС1 → З ₂ Н ₃ С1 + НСl. В даний час здійснено збалансований синтез дихлоретану, при якому отримують єдиний продукт процесу - вінілхлорид. Для цього виділяється при піролізі дихлоретан змішують з етиленом і піддають окислювальному хлоруванню на каталізаторі, який містить хлорид міді (II) на носії. Напишіть рівняння реакції і розрахуйте обсяг хлороводню (н. у.), Що виділився при піролізі 19,8 кг дихлоретану, і масу вінілхлориду, отриманого при збалансованому синтезі. Який обсяг займе етилен (н. у.), Необхідний для другої стадії процесу?
2. Полімеризацією хлоропрену отримують Хлоропренові каучуки, що характеризуються високою стійкістю до дії світла, тепла й розчинників. Знайдіть молекулярну формулу хлоропрену, якщо відомо, що масові частки елементів у ньому становлять: вуглецю - 54,24%, водню - 5,65%, хлору - 40,11%. Відносна щільність його парів за воднем дорівнює 44,25.
3. Полімеризації стиролу отримують полістирол, який використовують в електротехніці у виробництві декоративно-оздоблювальних матеріалів і предметів побутового призначення. Знайдіть молекулярну формулу стиролу, якщо відомо, що масова частка вуглецю в ньому становить 92,3%, водню - 7,7%. Відносна молекулярна маса стиролу дорівнює 104.
4. Один з багатоатомних спиртів використовують для приготування антифризів - рідин, замерзаючих при низькій температурі. Антифризи використовують в зимових умовах для охолодження автомобільних двигунів. Знайдіть молекулярну формулу цього спирту, якщо масова частка вуглецю в ньому становить 38,7%, водню - 9,7%, кисню - 51,6%. Відносна щільність його парів за воднем дорівнює 31. Напишіть структурну формулу спирту і назвіть його.
5. Найбільш перспективний спосіб отримання оцтового альдегіду - пряме окислення етилену киснем у присутності каталізаторів - хлоридів паладію і міді. Напишіть рівняння реакцій і розрахуйте який обсяг етилену (н.у.) витратиться на одержання 200 кг оцтового альдегіду, якщо масова частка виходу його становить 96% від теоретично можливого?
6. Алкени широко використовують для одержання альдегідів методом оксосинтез. Сутність цього методу полягає у взаємодії алкена з синтез-газом (суміш оксиду вуглецю (II) і водню) при нагріванні і в присутності спеціального каталізатора. Напишіть рівняння реакцій. Який обсяг етилену (н.у.) витрачається на отримання 360 кг пропаналя методом оксосинтез, якщо масова частка виходу альдегіду становить 90% від теоретично можливого?
7. У промисловості мурашину кислоту отримують нагріванням оксиду вуглецю (II) з порошкоподібною гідроксидом натрію з наступною обробкою утворився Форміат натрію сірчаною кислотою:
+ СО 4Н ₂ SО ₄
NaОН → НСООNа → НСООН.
- NaHSO ₄
Яку масу мурашиної кислоти можна отримати з 112 кг оксиду вуглецю (II), якщо масова частка виходу кислоти становить 86% від теоретично можливого?
8. Двохосновні адипінова кислоту Ноосі-(СН _{2) 4-СООН} у великих кількостях використовують для отримання синтетичного волокна нейлону. У харчовій промисловості вона може заміняти лимонну і винну кислоти. Зараз Адипінову кислоту отримують окисленням циклогексану киснем. Розрахуйте масу адипінової кислоти, яку можна отримати з 336 кг циклогексану, якщо масова частка виходу кислоти становить 75% від теоретично можливого.
9. Взаємодією етилового спирту з оцтової кислотою отримують етилацетат, використовуваний у виробництві нітроцелюлозних лаків. Визначте масу етилацетату, який утворюється при взаємодії 60 кг 80%-ний оцтової кислоти з 70 кг 96%-ного етанолу. Масова частка виходу етилацетату становить 90% від теоретично можливого.
10 -. Ізоамілацетат (грушева есенція) використовують у харчовій і кондитерській промисловості. Визначте масу грушевої есенції, яку можна отримати при взаємодії 66 кг ізоамілового спирту і 112,5 кг 80%-ний оцтової кислоти. Масова частка виходу есенції становить 60% від теоретично можливого.
11. Анілін широко застосовують у виробництві барвників, фармацевтичних препаратів, допоміжних речовин для гумової промисловості, полімерних матеріалів. Останнім часом анілін часто отримують з хлорбензолу й аміаку: З ₆ Н ₅ С1 + 2NH ₃ → C ₆ H ₅ NH ₂ + NH ₄ Cl
Визначте масу аніліну, який можна отримати з 450 кг хлорбензолу, якщо масова частка виходу аніліну становить 94% від теоретично можливого.
12. Полівінілхлорид (ПВХ) використовують як пакувальний матеріал для харчових продуктів, а також як сировина для виробництва іграшок, мийних шпалер і т.д. Щорічно в Ханти-Мансійському окрузі відходи з ПВХ складає 0,1% від загальної кількості побутових відходів - 2 млн. тонн. Напишіть рівняння реакцій одержання ПВХ з метану. Розрахуйте, скільки тонн природного газу (вміст метану 95%) витрачається на отримання такої кількості ПВХ.

3.6 Творчі та винахідницькі задачі
У цьому розділі не передбачаються методичні рекомендації при вирішенні завдань, тому що діапазон вирішення теоретичних завдань дуже широкий і при вирішенні таких завдань відбувається акт творчості, знаходиться новий шлях у вирішенні складних проблем або створюється щось нове. Але при вирішенні таких завдань студенти спираються на закони хімії, фізики і математики.