Пособие для БМ-2013-2 PDF

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ ФГБОУ ВПО «ВЯТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

ХИМИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТ

КАФЕДРА НЕОРГАНИЧЕСКОЙ И ФИЗИЧЕСКОЙ ХИМИИ

Е. Г. ФОМИНЫХ

ФИЗИЧЕСКАЯ ХИМИЯ

Рекомендовано Ученым советом ВятГУ в качестве учебного пособия

Киров

2013

УДК …….

………….

Рецензенты: д.б.н., ….

к.т.н., профессор кафедры технологии электрохимических производств ГОУ ВПО «ВятГУ» Ю.П. Хранилов

Фоминых Е.Г. Физическая химия: учебное пособие / Е.Г. Фоминых.

– Киров: Изд-во ВятГУ, 2013. – 102 с.

Учебное пособие содержит комплекс задач по основным разделам современной физической химии. Каждая глава начинается с теоретического введения, за которым следуют примеры решения типовых задач и задачи для самостоятельного решения. Ко всем расчетным задачам даны алгоритмы и методические рекомендации по их решению. Предлагаемые задания, разработанные специально для студентов биологических специальностей, способствуют наиболее глубокому анализу и усвоению теоретического материала, формируют навыки решения прикладных задач.

Учебное пособие предназначено для самостоятельной работы студентов, обучающихся по направлению 020400 «Биология», профиль «Микробиология».

	Редактор
Подписано в печать		Усл. печ. л. 6,38
Бумага для офисной техники		Печать цифровая
Заказ №	Тираж 53	Бесплатно

Текст печатается с оригинала-макета, предоставленного автором.

610000, г. Киров, ул. Московская, 36 Оформление обложки, изготовление ПРИП ВятГУ

Е.Г. Фоминых, 2013

Вятский государственный университет, 2013

2

	Оглавление
	Введение	3
	Общие методические рекомендации к решению задач	4
1	Основы химической термодинамики	7
1.1	Первый закон термодинамики. Термохимия	7
1.2	Второй закон термодинамики. Энтропия	17
1.3	Термодинамические потенциалы	22
2	Приложения химической термодинамики	25
2.1	Растворы	25
2.1.1	Примеры решения задач.	35
2.2.2	Варианты индивидуальных заданий по теме «Растворы»	39
2.2	Химическое равновесие	45
3	Электрохимия. Неравновесные электродные процессы	61
3.1	Электролиты. Электропроводность растворов электролитов	61
3.2	Движение ионов в электрическом поле. Подвижности и числа	68
	переноса ионов
4	Кинетика химических реакций	80
4.1	Основные понятия и законы химической кинетики	80
4.2	Кинетика необратимых химических реакций целого порядка.	83
	Методы определения порядка реакции

Библиографический список Перечень рекомендуемой литературы

3

Введение

Физическая химия, представляющая собой теоретический фундамент современной химии, широко используется для исследования процессов в любых природных системах и является необходимым элементом подго-

товки специалистов в области биологии. Химия изучает вещества и их превращения, физика − главным образом энергию и её превращения. Фи-

зическую химию можно рассматривать как промежуточную область, изу-

чающую связь между физическими и химическими явлениями. Рассматри-

вая теоретические основы физико-химических явлений в их тесной взаи-

мосвязи, она стремится к количественному описанию процессов на основе фундаментальных представлений физики и химии.

Опираясь на важнейшие законы физики и химии и результаты физи-

ко-химических экспериментов, физическая химия исследует свойства ве-

ществ и химические реакции в совокупности с сопутствующими им физи-

ческими явлениями. Она изучает также влияние внешних воздействий на свойства веществ, на химические и фазовые равновесия, на скорость хими-

ческих процессов. Целью физической химии является установление зако-

нов, определяющих возможность протекания химической реакции в задан-

ном направлении, её скорость, выход продуктов в зависимости от условий процесса и свойств участвующих в нем веществ. Все процессы в живом организме связаны с превращением вещества и энергии, а именно эти пре-

вращения и изучает физическая химия.

Современная биология широко использует физическую химию. Для иллюстрации справедливости этого утверждения достаточно перечислить некоторые актуальные проблемы современной биологии, решение которых основано на применении законов физической химии: термодинамика и энергетика биопроцессов, осмотические явления и мембранные равнове-

4

сия, окислительно-восстановительные процессы в физиологических сре-

дах, кинетика биохимических процессов и ферментативный катализ и т. д.

Таким образом, современная физическая химия является мощным инструментом исследования процессов в биологических системах, и сту-

денты-биологи должны усвоить основные идеи и законы этой науки.

Настоящее учебное пособие дополняет курс лекций по физической химии для студентов, обучающихся по направлению 020400 «Биология», и

призвано восполнить «пробел», связанный с отсутствием в учебном плане семинарских занятий. Теоретический материал излагается достаточно кратко, акцентируя внимание студентов на основных положениях, которые и создают необходимый фундамент для понимания физической химии.

Каждой задаче предшествует план проработки теоретического материала.

Основное внимание уделяется практическому приложению базовых физико-химических законов и уравнений для решения реальных задач, с

которыми специалист-биолог может столкнуться в своей профессиональ-

ной деятельности. Учебное пособие содержит комплекс индивидуальных и многовариантных комбинированных задач, которые охватывают наибо-

лее значимые для студентов биологических профилей разделы курса фи-

зической химии, а также методические рекомендации по их решению.

Предлагаемые контрольные задания способствуют лучшему усвоению теоретического материала, формированию навыков применения разнооб-

разных расчетных методов для решения прикладных задач и служат осно-

вой для подготовки студентов к итоговому тестированию по дисциплине.

Учебное пособие предназначено для самостоятельной внеаудитор-

ной работы студентов.

5

Общие методические рекомендации к решению задач

В течение семестра студенты выполняют обязательные многовари-

антные задачи по основным разделам курса и контрольную работу по теме

«Растворы». В данном учебном пособии приведены как тексты задач, так и алгоритм их решения в тех случаях, когда это необходимо. Номер вариан-

та задачи соответствует порядковому номеру студента в алфавитном списке группы.

К решению задач следует приступать только после усвоения соот-

ветствующих теоретических разделов курса. Отвечать на вопросы необхо-

димо в той последовательности, в какой они записаны в условии задачи.

Графики вычерчиваются только на миллиметровой бумаге с соблюдением следующих правил.

1)Размер графика должен быть не меньше, чем половина листа тетради.

2)На осях координат отмечаются через равные интервалы масштабные единицы. Обратите внимание на рациональный выбор масштаба по каждой координатной оси. Масштаб выбирается на основании минимальных и максимальных значений абсциссы и ординаты и должен быть кратным четному числу или пяти (2, 4, 5, 10 и т. п.) и удобным для работы.

3)Точки четко наносятся на график в соответствии с масштабом и соеди-

няются плавной кривой (или прямой в случае линейной зависимости) та-

ким образом, чтобы большинство точек располагалось непосредственно на линии или по обе стороны от неё на приблизительно одинаковом расстоя-

нии. Прямолинейные зависимости при необходимости обрабатываются методом наименьших квадратов.

4) При нахождении производной графическим методом (по угловому ко-

эффициенту касательной в точке) следует брать отношение фактических размеров отрезков, отсекаемых касательными на координатных осях в со-

ответствии с выбранным масштабом.

6

1.Основы химической термодинамики

1.1Первый закон термодинамики. Термохимия

Теоретический минимум, необходимый для решения задачи №1.

1)Основные понятия химической термодинамики, функции состоя-

ния и функции процесса.

2)Первый закон термодинамики. Внутренняя энергия, теплота и работа. Виды работы.

3)Теплота и работа в различных процессах. Энтальпия.

4)Тепловой эффект химической реакции. Закон Гесса и следствия из него. Стандартные состояния и стандартные величины.

Первый закон термодинамики – по сути закон сохранения энергии,

согласно которому внутренняя энергия изолированной системы постоянна.

В неизолированной системе энергия может изменяться за счет теплообме-

на с окружающей средой и совершения работы.
	Математическая запись первого начала термодинамики имеет вид
	dU = δQ – δA	− дифференциальная форма	(1.1)
	∆U = Q – A	− интегральная форма	(1.2)
	Из первого закона термодинамики следует, что при постоянном объ-
еме	тепловой эффект	реакции равен изменению внутренней	энергии
Q	U , а при постоянном давлении – изменению энтальпии Q H .
V			P

Под тепловым эффектом реакции понимают, соответственно, величину

∆H или ∆U в зависимости от условий протекания процесса.

Для реакций в растворах или в твердой фазе, где изменение объема

незначительно принимают, что
∆H = ∆U + ∆ (pV) ≈ ∆U.	(1.3)

7

Если в изотермической реакции участвуют газы:

∆H = ∆U + ∆ (pV) = ∆U + ∆nRT, (1.4)

где ∆n – изменение числа моль газообразных веществ в реакции.

Например, для химической реакции νAA + νBB =νCC + νDD, проте-

кающей в газовой фазе, величина ∆n определяется как разность сумм сте-

хиометрических множителей всех газообразных продуктов реакции и реа-

гентов

∆n = νC + νD – (νA + νB).

(1.5)

Тепловой эффект реакции рассчитывают по следствию из закона

Гесса как разность сумм стандартных энтальпий образования продуктов реакции и исходных веществ с учетом стехиометрических коэффициентов в уравнении реакции

r H

0

H

0

H

0

.

T

j

j

f

j продуктов

i

i

f

i исх.веществ

Для рассматриваемой реакции:

A

B .

r H

0

H

0

C

H

0

D

H

0

H

0

T

C

f

T

D

f

T

A

f

T

B

f

T

(1.6)

(1.7)

Задача № 1

Вычислите тепловой эффект реакции А при 298 К: а) в изобарном процессе, б) в изохорном процессе. Энтальпии образования веществ в стандартных условиях возьмите из справочника /1, табл. 44/.

				Таблица 1.1
	№	Реакция А	№	Реакция А
	в-та		в-та
	1	2 H2 + CO = CH3OH (ж)	14	SO2 + Cl2 = SO2Cl2
	2	4HCl + O2 = 2H2O (ж) + 2Cl2	15	CO + 3H2 = CH4 + H2O (ж)
	3	ß-NH4Cl (тв) = NH3 + HCl	16	2CO + SO2 = Sромб + 2 CO2
	4	2N2 +6 H2O (ж) = 4NH3 + 3O2	17	CO + Cl2 = COCl2
	5	4NO + 6H2O (ж) = 4NH3 + 5O2	18	CO2 + H2 = CO + H2O (ж)
	6	2NO2 = 2NO + O2	19	CO2 + 4H2 = CH4 + 2 H2O (ж)

8

			Продолжение таблицы 1.1
7	N2O4 = 2NO2	20	2CO2 = 2CO + O2
8	Mg(OH)2 = MgO + H2O (газ)	21	CH4 + CO2 = 2CO + 2H2
9	CaCO3 = CaO + CO2	22	C2H6 = C2H4 + H2
10	Ca(OH)2 = CaO + H2O (газ)	23	C2H5OH (ж) = C2H4 + H2O (ж)
1	Sромб + 2 H2O (ж) = SO2 + H2	24	C2H3OН(ж)+H2 = C2H5OH (ж)
12	Sромб + 2 CO2 = SO2 + 2CO	25	C6H6 (ж) + 3H2 = C6H12
13	2SO2 + O2 = 2SO3

Приступая к решению задачи №1, необходимо найти справочные данные о стандартных энтальпиях образования всех участвующих в реак-

ции веществ с учетом их агрегатного состояния /1, табл. 44/ и представить их в виде таблицы.

Таблица 1.2

№

Реакция А, Т=298 К

Вещество

νi

варианта

CH4(газ)

1

H2O(газ)

2

H

j

j

прод.

1

CO2 + 4H2 = CH4 + 2 H2O (газ)

CO2(газ)

1

H2(газ)

4

i

H

i

исх.

H

0

r

298

	H	0	,	кДж
		f 298		моль

-74,85

-241,81

-558,47

-393,51

0

-393,51

164,96

Величина изобарного теплового эффекта реакции

	Q		H	0
				298
	P	r

рас-

считывается по уравнению (1.6), а изохорного теплового эффекта

QV rU2980 − по уравнению (1.4).

9

Теоретический минимум, необходимый для решения задачи № 2.

1)Теплоемкость (истинная и средняя, изобарная и изохорная), ее зависимость от температуры.

2)Зависимость тепловых эффектов реакций от температуры. Уравнение Кирхгофа и способы его интегрирования.

Термохимические данные в справочной литературе приведены, как правило, при стандартной температуре 298 К. Для расчета тепловых эф-

фектов при других температурах используют уравнение Кирхгофа:

d H
dT	C	P	− дифференциальная форма	(1.8)

		T
		2
HT	HT	CP dT
2	1	T	1

− интегральная форма,

(1.9)

где ∆СР – изменение теплоемкости при протекании реакции.

Интегрирование проводят на интервале температур от 298 К до за-

данной Т, при которой протекает реакция. Если разность (Т-298) невелика,

то можно принять ∆СР = const:

H	0	H	0	C P T 298 .	(1.10)
	T		298

В этом случае величина ∆СР может быть рассчитана как разность изобарных теплоемкостей продуктов реакции и исходных веществ с уче-

том стехиометрических множителей при 298 К:

C	P
		j

C	0		C		0
j	P j продуктов		i	i	P

i
	исх.веществ

.

(1.11)

В случае значительной разности температур при интегрировании необходимо учитывать температурную зависимость теплоемкости ∆CP = f(T), для чего используют интерполяционные уравнения вида:

∆CP = ∆a + ∆bT + ∆cT2 + ∆c T–2 , (1.12)

где эмпирические коэффициенты a, b, c, c для индивидуальных веществ приведены в справочниках /1, табл. 44/, а знак ∆ обозначает разность меж-

10