физическая химия Nurieva

Министерство образования и науки РФ

Нижнекамский химико-технологический институт (филиал)

Государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования

«Казанский государственный технологический университет»

ФИЗИЧЕСКАЯ ХИМИЯ

ЧАСТЬ 1

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ И КОНТРОЛЬНЫЕ ЗАДАНИЯ

Нижнекамск

2010

УДК 544

Н 90

Печатается по решению редакционно-издательского совета Нижнекамского химико-технологического института (филиала) КГТУ.

Рецензенты:

Биктагиров В.В., кандидат химических наук, доцент; Кутузова Г.С., кандидат технических наук, доцент.

Нуриева, Э.Н.

Н 90 Физическая химия. Часть 1 : методические указания и контрольные задания / Э.Н. Нуриева, Т.Р. Cафиуллина. – Нижнекамск : Нижнекамский химико-технологический институт (филиал)

КГТУ, 2010. – 36 с.

Рассмотрены примеры решения задач, содержание курса и контрольные задания. Задания соответствуют государственным образовательным стандартам дисциплины «Физическая химия» для специальности 240401(ХТОВ), 240501(ХТВМС), 240502(ТППиЭ).

Предназначены для самостоятельной работы студентов технологических специальностей заочной формы обучения.

Подготовлены на кафедре химии Нижнекамского химикотехнологического института Казанского государственного технологического университета.

УДК 544

©Нуриева Э.Н., Cафиуллина Т.Р., 2010

©Нижнекамский химико-технологический институт (филиал) КГТУ, 2010

2

ВВЕДЕНИЕ

Одной из форм овладения студентами материала курса «Физическая химия» является написание контрольной работы. С ее помощью преподавателем осуществляется контроль за самостоятельными занятиями студентов. Проверяя контрольную работу, преподаватель выявляет допущенные в ней ошибки, указывает пути их исправления. Зачтенная преподавателем контрольная работа служит основанием для допуска к сдаче экзамена.

Цель контрольной работы – помочь студентам закрепить в памяти конкретный материал, выработать навыки самостоятельной работы с первоисточниками, учебной и справочной литературой, научить правильно оформлять письменные работы, развить логическое мышление.

Для выполнения контрольных заданий рекомендуется ознакомиться с содержанием разделов по лекциям и учебникам, обращая внимание на физическую сущность явлений, теоретические положения, математические зависимости и графический материал.

При решении задач необходимо представить уравнение в общем виде, раскрыв физический смысл входящих в уравнение величин, и преобразовать его для решения предложенной задачи.

При оформлении контрольной работы следует придерживаться следующих правил:

•все задачи должны строго соответствовать варианту и быть решены в последовательности, указанной в таблице вариантов;

•условия задач должны быть переписаны в тетрадь полностью;

•решения задач должны содержать краткие объяснения

икомментарии к выполненным арифметическим действиям, ссылки на использованные при решении законы и правила;

3

•необходимо пользоваться современной научной химической литературой;

•все величины должны быть выражены в единицах международной системы (СИ);

•на каждой странице необходимо оставлять поля (1/4 страницы) для замечаний рецензента.

Полезно ознакомиться с решениями типовых задач, приведенными в настоящем методическом указании.

4

1 Содержание дисциплины

Химическая термодинамика. Основные понятия: система, изолированная система. Термодинамические параметры: интенсивные и экстенсивные. I закон термодинамики. Тепловые эффекты химической реакции. Закон Гесса. Зависимость теплового эффекта от температуры. Уравнение Кирхгофа. Приближенное и точное интегрирование уравнения Кирхгофа.

II закон термодинамики. Энтропия. Энергия Гиббса и энергия Гельмгольца. Характеристические функции. Химический потенциал.

Химическое равновесие. Закон действующих масс. Константы равновесия в гомогенной системе. Зависимость константы равновесия Кр и Кс от температуры, уравнение изобары и изохоры Вант-Гоффа.

Зависимость константы равновесия КN от давления, уравнение Планка. Принцип Ле-Шателье.

Фазовое равновесие. Правило фаз Гиббса. Однокомпонентные системы. Уравнение Клаузиса-Клапейрона. Анализ диаграммы состояния воды. Растворы. Способы выражения концентрации растворов. Повышение температуры кипения и понижение температуры замерзания растворов. Криоскопическая и эбулиоскопическая константы. Закон распределения и коэффициент распределения веществ между двумя несмешивающимися жидкостями. Экстракция.

Идеальные и неидеальные растворы. Предельно - разбавленные растворы. Закон Рауля. Различные типы диаграмм состояния «со- став-Ткип» и «состав-общее давление». Анализ диаграмм. Разделение растворов на чистые компоненты путем перегонки и ректификации. Законы Коновалова.

Растворы электролитов. Сильные и слабые электролиты. Степень диссоциации и константа диссоциации электролитов. Уравнение Оствальда. Электропроводимость растворов электролитов: удельная и эквивалентная. Зависимость удельной и эквивалентной электропроводности от концентрации электролитов. Закон Кольрауша. Факторы, влияющие на электрическую проводимость. Уравнение Онзагера.

5

2 Примеры решения задач

Задание 1

Для реакции С3Н8 + О2 → СО2 + Н2О Определить:

•Тепловой эффект реакции (∆H) при p=const и Т=298 К.

•Тепловой эффект реакции (∆U) при V= const и Т=298 К.

•Какой из них больше: (∆H) или (∆U)?

•Выделяется или поглощается теплота в ходе данной реакции?

•Как меняется тепловой эффект реакции (∆H) при увеличении температуры?

•Рассчитать тепловой эффект реакции при Т=398 К.

Для решения данной задачи необходимо предварительно ознакомиться со следующим теоретическим материалом: относительная молекулярная масса и молярная масса веществ, первый закон термодинамики, термохимия, тепловые эффекты реакции при р=const и V=const. Теплота образования веществ и связь теплового эффекта реакции с теплотами образования веществ. Зависимость теплового эффекта реакции от температуры (уравнение Кирхгофа) и расчет тепловых эффектов реакции при любых температурах.

Решение

• Расставляем коэффициенты в предложенном химическом уравнении.

С3Н8 + 5О2 = 3СО2 + 4Н2О

Тепловой эффект реакции ∆H при р=const равен сумме теплот образования конечных веществ, умноженных на соответствующие стехиометрические коэффициенты минус аналогичная сумма для исходных веществ.

6

∆Н = ∑ni ∆H нонобрв−в −∑ni ∆Hисхобрв−в

Для предложенной реакции:

∆H = (4 ∆H HобрO.	+3 ∆HCOобр. ) −(∆HCобрH.			+5 ∆HOобр. )
2	2	3	8	2

Теплоты образования (∆Нобр.) приводятся в таблицах для температуры Т=298°K [ 1.стр. 72]

∆H обр	=-241.84 кДж/ моль, ∆Нобр =-393.51 кДж/моль
Н2О		СО2
	∆Нобр	=-103.9 кДж/ моль, ∆Нобр =0
	С3 Н8	О2

Тепловой эффект данной реакции при Т=298 К:

∆Н=[4 (- 241. 84) + 3 (- 393.51)] – [-103.9 + 5 0]= = -2043. 99 кДж Ответ: ∆Н= -2043.99 кДж

• ∆U = ∆H −∆n RT ;

• ∆U = (−2043,99) −1 8,314 10−3 298 = −2046,47 кДж.

• Так как ∆Н< 0,то теплота в ходе данной реакции выделяется.

• Для ответа на вопрос: увеличивается или уменьшается тепловой эффект реакции (∆Н) при увеличении температуры, необходимо анализировать уравнение Кирхгофа.

	d(∆H )	= ∆C p ,
	dT

где ∆Ср – разность теплоемкостей конечных и исходных веществ.

Из уравнения Кирхгофа видно, что тепловой эффект (∆Н) растет с увеличением температуры, если ∆Ср >0, и уменьшается с ростом температуры, если ∆Ср<0.

∆Ср расчитывается по уравнению

∆Ср=Σ ni·Cркон.в-в - Σni·Cрисх.в-в

и для предложенной реакции

∆C p = (4 C p H2O +3 C p CO2 ) −(C p C3H8 +5 C p O2 )

7

Численные значения теплоемкостей веществ (Срi) приво-

дятся в таблицах [1, табл. 6]:
Ср Н2О =33.56 Дж/( моль К),	СрСО2	=37.11 Дж/(моль К)
СрО2 =29.37 Дж/ (моль К),	СрС3Н8	=73.51 Дж/(моль * К)

∆Ср=(4 * 33.56 + 3 * 37.11) – (73.51 + 5 * 29.37) = =25.260 Дж/(моль*К)

∆Ср=25.260Дж/(моль*К), т.е. ∆Ср>0, следовательно с ростом температуры тепловой эффект ∆Η увеличивается.

• Расчет теплового эффекта при Т=398 Κ проводится по интегрированному уравнению Кирхгофа

∆Нт=∆Н298 + ∆Ср (Т-298)

Для предложенной реакции

∆Н398 = ∆Н298 + ∆Ср (398 – 298)

При расчете необходимо обратить внимание на то, чтобы размерности ∆Н и ∆Ср соответствовали друг другу. Переводим ∆Н298 из килоджоулей в джоули.

∆Н=-2043990 Дж + 25.260Дж/К (398 Κ−298 К)=2041464

Дж

Задание 2

Дана реакция С 4 Н 10 = С 4 Н6 + 2Н 2

•Написать выражение для констант равновесия Кр и Кс.

•В объеме 10 литров смешали 580г. С 4 Н 10 и 10г. водорода.

Определить состав равновесной смеси, если константа

равновесия данной реакции Кс = 0.1.

• Определить направление смещения равновесия: а) при увеличении температуры; б) при увеличении давления;

в) при добавлении в равновесную смесь водорода. Для решения данной задачи предварительно нужно проработать следующий материал: химическое равновесие, константа равновесия Кр и Кс, расчет состава равновесной сме-

8

си, влияние изменения внешних условий на состояние химического равновесия (принцип Ле-Шателье).

Решение

Запишем выражения для констант равновесия Кр и Кс.

	C	C4 H	C2				P	P2
Kc =			6	H 2	,	Kp =	C4 H 6	H 2
		C	C4 H10				P
							C4 H10

В данных уравнениях Сi и Рi соответственно равновесные концентрации и парциальные давления веществ.

Определяем молярные массы всех веществ, участвующих в реакции.

М(С4Н10) = 4 * 12 + 1 *10 = 58 г/моль

М(С4Н6) = 4 * 12 + 1 * 6 = 54 г/моль

М (Н2) 1 * 2 = 2г/моль.

Определяем число молей (ni) всех веществ в исходном состоянии:

ni = mi , M i

где mi – масса i -го вещества в граммах;

Мi – молярная масса i-го вещества в г / моль.

	n(C4 H10 ) =				580г			=10моль.
					58г/ моль
	n(H 2 ) =			10г		= 5моль.
		2г/ моль
	n(C4 H6 ) =				0г		= 0моль.
			54г/ моль

Определяем молярные концентрации веществ (Сi)

9

	С i	=	n i		,
			V
	где V – объем реакционного сосуда в литрах.
	Ci (C4 H10 ) =		10моль			=1моль/ л
			10л
	C(H 2 ) =	5моль		= 0,5моль/ л
		10л

С (С 4Н 6) = 0 моль / л

Определить, в каком направлении пойдет реакция сразу после смешения С4Н10 и Н2.

Реакция пойдет в прямом направлении, так как отсутствует С4Н6, необходимый для обратной реакции.

Итак, реакция сразу после смешения идет в прямом направлении, что ведет к увеличению содержания С4Н6 и Н2 и уменьшению количества С4Н10 во времени. Через определенное время наступает состояние химического равновесия и концентрации веществ во времени не будут меняться.

Пусть состояние равновесия наступит тогда, когда образуется Х молей С4 Н6, при этом согласно химическому уравнению образуется 2Х молей Н2 и израсходуется Х молей С4Н10. Следовательно, количество веществ в состоянии равновесия

составят n(C4H10) = 10 – x,	n(H2) = 5 + 2x, n (C4H6) = x
и молярные концентрации веществ будут равны
С (С4Н10) = (10 – х)/10; С (Н2) = (5 + 2х) / 10;
С (С4Н6) = х / 10	(1.1)
Константа равновесия Кс	для предложенной реакции

имеет вид:

Kc = C(C4 H6 ) C 2 (H 2 ) C(C4 H10 )

10