fx_zaochniki

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ

ГОСУДАРСТВЕННОЕОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕУЧРЕЖДЕНИЕВЫСШЕГОПРОФЕССИОНАЛЬНОГООБРАЗОВАНИЯ

РОССИЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ГЕОЛОГОРАЗВЕДОЧНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

КАФЕДРА ХИМИИ

Н.Н. Акинфиев

К.М. Корчемская

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ И КОНТРОЛЬНЫЕ ЗАДАНИЯ

ПО ФИЗИЧЕСКОЙ ХИМИИ ДЛЯ СТУДЕНТОВ ЗАОЧНОГО ОТДЕЛЕНИЯ

Москва 2007

2

ОБЩИЕ МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ ПО ВЫПОЛНЕНИЮ КОНТРОЛЬНЫХ РАБОТ

По курсу "Физическая химия" студенты должны выполнить две контрольные работы. Каждый студент выполняет вариант заданий в соответствии со своим шифром – номером студенческого билета. Номер задания определяется двумя последними цифрами вашего билета (см. табл.). Например, ваш билет 3PM-99-152. В крайней левой графе табл. 1 находим предпоследнюю цифру – 5; в верхней графе – последнюю цифру 2. На пересечении строки 5 и столбца 2 указаны задачи, составляющие задание для первой контрольной работы. Аналогично в табл. 2 находится вариант задания второй контрольной работы.

При решении задач необходимо записывать уравнения соответствующих реакций, а также приводить весь ход решения задачи. Перед решением каждого задания необходимо внимательно разобрать соответствующий раздел теории, изложенный в основных рекомендуемых учебных и методических пособиях. Кроме того, в данном пособии приведены алгоритмы решения типовых задач для обеих контрольных работ. Термодинамические данные, необходимые для решения задач, приведены в Приложении 1.

Если при решении задач встретятся затруднения, консультацию преподавателя можно получить, воспользовавшись электронным адресом кафед-

ры химии МГГРУ: [e-mail]1.

ЛИТЕРАТУРА

Основная

1.Физическая химия. Теоретическое и практическое руководство. Учебное пособие для вузов/ Под ред. Акад. Б.П. Никольского. − Л.: Химия. 1987. − 880 с.

2.Общая химия: Учебник/ Под ред. Е.М. Соколовской и Л.С. Гузея. − 3-е изд., перераб. и доп. − М.: Изд-во Моск. Ун-та, 1989. − 640 с.

3.П. Эткинс. Физическая химия. В двух т. Перевод с англ. К.П. Бутина. −

М.: Мир. 1980.

1 При изменении адреса следует навести справки в канцелярии Университета.

3

Дополнительная

4.Булах А.Г., Кривовичев В.Г. Золотарёв А.А. Формулы минералов, термодинамический анализ в минералогии и геохимии. Практическое руководство и справочник. − СПб.: Изд-во С.Петербургского ун-та, 1995. 260 с.

5.Булах А.Г., Кривовичев В.Г. Расчёт минеральных равновесий. - Л.: Не-

дра, 1985.

6.Гаррелс Р.М., Крайст Ч.Л. Растворы, минералы, равновесия. − М.: Мир, 1968.

7.Вуд Б., Фрейзер Д. Основы термодинамики дли геологов. − М.: Мир, 1981.

8.Керн Р., Вайсброд А. Основы термодинамики для минералогов, петрологов и геологов. - М: Мир, 1966.

ОГЛАВЛЕНИЕ
ОБЩИЕ МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ ПО ВЫПОЛНЕНИЮ
КОНТРОЛЬНЫХ РАБОТ............................................................................	2
ЛИТЕРАТУРА..............................................................................................	2
ТАБЛИЦА 1. .................................................................................................	4
ТАБЛИЦА 2. .................................................................................................	5
КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА № 1. .................................................................	6
Методы решения задач к контрольной работе № 1. ...............................	11
КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА № 2. ...............................................................	17
Методы решения задач к контрольной работе № 2. ...............................	23
Приложение 1. Термодинамические свойства компонентов ................	29
Приложение 2. Сокращения названий минералов..................................	37
Приложение 3. Справочные материалы...................................................	39

4

ТАБЛИЦА 1.

Предпослед-									Последняя цифра шифра (номера студенческого билета)
няя цифра
		0			1			2		3	4	5	6	7	8	9
шифра
0	1,	33,	34,	2,	32,	35,	3,	31,	36,	4, 30, 37,	5, 29, 38,	1, 30, 39,	2, 31, 40,	3, 33, 41,	4, 29,42,	5, 28, 43,
	51, 66			52, 67			53, 68			54, 69	55, 70	56, 67	57, 68	58, 69	60, 70	59, 71
1	6, 28, 39,			7, 27, 40,			8, 26, 41,			9, 25, 42,	10, 24, 43,	6, 20, 44,	7, 25, 45,	8, 26, 46,	9, 31, 47,	10, 28, 48,
	56, 71			57, 72			58, 73			59 74	60, 75	61, 72	62, 73	63, 74	64, 75	65, 76
2	11, 23, 44,			12, 22, 45,			13, 21, 44,			14, 20, 43,	15, 19, 42,	11, 20, 49,	12, 21, 50,	13, 24, 50,	14, 23, 49,	15, 27, 48,
	61, 76			62, 77			63, 78			64, 79	65, 80	65, 77	64, 78	63, 79	62, 80	61, 81
3	16, 18, 41,			17, 23, 40,			16, 18, 39,			15, 19, 38,	14, 20,37,	16, 31, 47,	17, 33, 46,	18, 25, 45,	1, 19, 44,	2, 20, 43,
	65, 81			64, 82			63, 83			62, 84	60, 85	60, 82	59, 83	58, 84	57, 85	56, 86
4	13, 21, 36,			12, 22, 35			11, 23, 34,			10, 24, 46,	9, 29, 47,	3, 21, 42,	5, 22, 41,	4, 23, 40,	6, 26, 39,	8, 25, 38,
	59, 86			58, 87			57, 88			56, 89	55, 90	55, 87	54, 88	53, 89	52, 90	51, 90
5	8, 26, 48,			7, 27, 49,			6, 28, 50,			5, 29, 50,	4, 30, 49,	10, 26, 37,	9, 27, 36,	12, 28, 35,	11, 29, 34,	2, 30, 35,
	54, 90			53, 89			52, 88			51, 87	65, 86	65, 89	64, 88	63, 87	62, 86	61, 85
6	3, 31, 48,			2, 32, 47,			1, 33, 46,			1, 11, 45,	2, 12, 44,	3, 31, 34,	5, 32, 36	4, 33, 37,	2, 18, 38,	3, 17, 39,
	64, 85			63, 84			62, 83			61, 82	60, 81	60, 84	59, 83	58, 82	57, 81	56, 80
7	3, 13, 43,			4, 14, 42,			5, 15, 41,			6, 16, 40,	1, 16, 39,	4, 18, 40,	5, 19, 41,	6, 21, 42,	7, 22, 43,	8, 23, 44,
	59, 80			58, 79			57, 78			56, 77	55, 76	55, 79	54, 78	53, 77	52, 76	51, 75
8	7, 18, 38,			8, 20, 37,			9, 21, 36,			2, 22, 35,	3, 24, 34,	9, 24, 45,	10, 15, 46,	11, 33, 47,	12, 31, 48,	13, 30, 49,
	54, 75			53, 74			52, 73			51, 72	50, 71	55, 74	56, 73	60, 72	61, 71	62, 70
9	5, 26, 35,			6, 30, 34,			4, 31, 36,			5, 32, 37,	2, 33, 38,	14, 28, 50,	15, 26, 36,	16, 27, 38,	17, 2, 40,	18, 1, 41,
	51, 70			52, 69			53, 68			54, 67	55, 66	63, 69	54, 68	65, 67	59, 66	58, 66

5

ТАБЛИЦА 2.

	Предпослед-			Последняя цифра шифра (номера студенческого билета)
	няя цифра
		0	1	2	3	4	5	6	7	8	9
	шифра
	0	1, 27, 74, 83,	2, 28, 73,	3, 29, 72,	4, 30, 71,	5, 31, 70,	6, 32, 69,	9, 38, 51,	10, 37, 52,	11, 36, 53,	12, 35, 54,
		96, 116	84, 97, 117	85, 98, 118	86, 99, 119	87, 100, 120	88, 101, 121	91, 96, 116	92, 97, 117	93, 98, 118	94, 99, 119
	1	7, 33, 66,	8, 34, 67,	9, 35, 66,	10, 36, 65,	11, 37, 64,	12, 38, 62,	14, 34, 55,	15, 33, 56,	16, 32, 57,	17, 31, 58,
		89, 102, 122	90, 103, 123	91, 104, 124	92, 105, 125	93, 106, 126	94, 107, 127	95, 100, 120	95, 101, 121	94, 102, 122	93, 103, 123
	2	13, 39, 62,	14, 40, 61,	15, 41, 60,	16, 42, 59,	17, 43, 58,	18, 44, 57,	19, 30, 59,	20, 29, 60,	21, 28, 61,	22, 27, 62,
		95, 108, 128	95, 109, 129	94, 110, 130	93, 111, 131	92, 112, 132	91, 113, 133	92, 104, 124	91, 105, 125	90, 106, 126	89, 107, 127
	3	19, 45, 56,	20, 46, 55,	21, 47, 54,	22, 42, 53,	23, 49, 52,	24, 50, 51,	24, 28, 63,	25, 29, 64,	26, 30, 65,	1, 31, 66,
		90, 114, 134	89, 115, 135	87, 115, 116	87, 114, 117	86, 113, 118	85, 112, 119	88, 108, 128	87, 109, 129	86, 100, 130	85, 111, 131
	4	25, 27, 51,	26, 28, 52,	1, 29, 53,	2, 30, 54,	3, 31, 55,	4, 32, 56,	3, 32, 67,	4, 33, 68,	5, 34, 69,	6, 35, 70,
		84, 111, 120	83, 110, 121	83, 109, 122	84, 108, 123	85, 107, 124	86, 106, 125	84, 112, 132	83, 113, 133	83, 114, 134	84, 115, 135
	5	5, 33, 57,	6, 34, 58,	7, 35, 59,	8, 36, 60,	9, 37, 61,	10, 38, 62,	8, 36, 71,	9, 37, 72,	10, 38, 73,	11, 39, 74,
		87, 10 ,126	88, 104, 127	89, 103, 128	90, 102, 129	91, 101, 130	92, 100, 131	85, 96, 116	86, 97, 117	87, 98, 118	88, 99, 119
	6	11, 39, 63,	12, 40, 64,	13, 41, 65,	14, 42, 66,	15, 43, 67,	16, 44, 68,	13, 40, 75,	14, 41, 76,	15, 42, 77,	16, 43, 78,
		93, 99, 132	94, 98, 133	95, 97, 134	95, 96, 135	94, 115, 135	93, 114, 134	89, 100, 120	90, 101, 121	91, 102, 122	92, 103, 123
	7	17, 45, 69,	18, 46, 70,	19, 47, 71,	20, 48, 72,	21, 49, 73,	22, 50, 74,	18, 45, 79,	19, 46, 80	20, 48, 81	21, 50, 82
		92, 113, 133	91, 112, 132	90, 111, 131	89, 110, 130	88, 109, 129	87, 108, 128	93, 104, 124	94, 105, 125	95, 106, 127	95, 107, 126
	8	23, 50, 75,	24, 49, 76,	25, 48, 77,	26, 47, 78,	1, 46, 79,	2, 45, 80,	23, 49, 82,	24, 36, 81,	25, 47, 80,	26, 50, 79,
		86, 107, 127	85, 106, 126	84, 105, 125	83, 104, 124	83, 103, 123	84, 102, 122	94, 108, 129	93, 109, 128	92, 110, 130	91, 111, 131
	9	3, 44, 81,	4, 43, 82,	5, 42, 81,	6, 41, 79,	7, 40, 68,	8, 39, 78,	2, 36, 78,	3, 37, 77,	4, 38, 76,	5, 39, 75,
		85, 101, 121	86, 100, 120	87, 99, 119	88, 98, 118	89, 97, 117	90, 96, 116	90, 112, 135	89, 113, 134	88, 114, 124	87, 115, 133

6

КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА № 1.

1.Раскройте смысл основных понятий термодинамики: термодинамическая система, параметры состояния, термодинамический процесс.

2.Какие виды процессов изучает термодинамика? Дайте подробное объяснение.

3.Дайте формулировку и математическое выражение I закона термодинамики.

4.Объясните понятия: функция состояния и функция процесса на примере таких понятий как внутренняя энергия, энтальпия, работа, теплота.

5.Дайте определение и раскройте физический смысл энтальпии и внутренней энергии.

6.Дайте определение теплового эффекта процесса. Какой процесс называется эндо-, а какой экзотермическим? Какие знаки тепловых эффектов приняты в термодинамике?

7.Какие условия в термодинамике приняты за стандартные? Дайте определение стандартной энтальпии образования сложного вещества ∆fН°298. Каковы значения ∆fН°298 простых веществ и протона H+?

8.В чем разница между понятиями: энтальпия реакции ∆rН°298 и энтальпия образования вещества ∆fН°298? В каких единицах измеряются

∆rН°298и ∆fН°298?

9.Что такое теплоемкость вещества, и в каких единицах она измеряется?

Чем отличаются друг от друга Cv и Ср? Как теплоемкость вещества Ср зависит от температуры?

10.Запишите уравнение Кирхгофа, дающее зависимость энтальпии процесса от температуры. Как рассчитать энтальпию реакции при заданной температуре?

11.Сформулируйте II закон термодинамики и запишите его математическое выражение. Напишите объединенное уравнение I и II законов термодинамики.

12.Какая функция является критерием направленности процессов в изолированной системе? Каковы термодинамические условия самопроизвольного протекания процесса и равновесия в изолированной системе?

13.Сформулируйте третий закон термодинамики. Какое минимальное значение может иметь энтропия индивидуального вещества? Каковы единицы измерения энтропии?

14.Как связаны энтропия и термодинамическая вероятность состояния?

7

15.Что такое стандартная энтропия вещества S°298? Как, используя зна-

чения энтропий компонентов реакции, рассчитать стандартное изменение энтропии процесса?

16.Как изменяется энтропия вещества в результате фазового перехода? Запишите соответствующее уравнение.

17.Как рассчитать величину энтропии вещества или реакции при заданной температуре? Запишите общее уравнение и предложите варианты его решения.

18.Сформулируйте критерий направленности термодинамического процесса, протекающего в неизолированной системе в изобарноизотермических условиях. Используя объединенное уравнение, выведите выражение для свободной энергии Гиббса (G).

19.Сформулируйте II закон термодинамики в терминах функции Гиббса G. Сформулируйте и запишите в общем виде условия равновесия химической реакции и термодинамической системы.

20.Как математически связаны между собой такие термодинамические функции, как внутренняя энергия (U), энтальпия (Н), свободные энергии Гельмгольца (F) и Гиббса (G)?

21.Что такое стандартный изобарный потенциал образования сложного

вещества ∆fG°298 и в каких единицах он измеряется? Каковы принятые значения ∆fG°298 простых веществ и протона H+?

22.В чем разница между понятиями: функция Гиббса реакции ∆rG°298 и функция Гиббса образования вещества ∆fG°298? Как, используя табличные значения стандартных изобарных потенциалов образования компонентов реакции, рассчитать стандартное изменение энергии Гиббса для процесса ∆rG°298?

23.Дайте определение понятия химического потенциала компонента µ . Как связаны между собой µ°298 и ∆fG°298?

24.Как химический потенциал зависит от температуры? Запишите полное уравнение в случае, когда теплоемкость вещества зависит от температуры по уравнению Майера-Келли Cp = a + b T – c/T2

25.Как химический потенциал зависит от давления? Запишите выражения для твёрдых веществ и идеальных газов.

26.Приведите примеры гомогенной и гетерогенной реакции. Запишите выражение для константы равновесия реакции с участием газов.

27.Как рассчитать зависимость ∆rG° от температуры при стандартном давлении? Какие термодинамические функции нужно знать для расчета?

28.Как рассчитать зависимость ∆rG от давления при постоянной температуре? Объясните значения понятий: литостатическое давление (Р) и парциальное давление газа (p)? Запишите формулу зависимости ∆rG°298 для реакции с участием твердой и газообразной фаз?

8

29.Запишите уравнение изотермы химической реакции, определяющее

связь константы равновесия Ka и изменения стандартного изобарного потенциала ∆rG°.

30.Как рассчитать "поля устойчивости минералов" в координатах давле-

ние – температура? Дайте объяснение понятию поля устойчивости.

Выведите формулу для построения полей устойчивости в приближе-

нии ∆rCp = 0 в случае, когда в реакции участвуют только конденсированные фазы.

31.Запишите полное уравнение для расчёта полей устойчивости минералов, связанных гетерофазной реакцией с участием газов (смешанного флюида). Запишите выражение для константы равновесия такой реакции. Какие параметры определяют равновесие такой реакции?

32.Сформулируйте принцип Ле-Шателье. Как, используя этот принцип, разметить поля устойчивости минералов?

33 – 42. Запишите уравнение реакции и вычислите изменение энтальпии а)

при стандартных условиях ∆rH°298 и б) при температуре 500°C ∆rH°773 (формула 1 Приложения 3) для следующих процессов (сокращения

минералов приведены в Приложении 2):

33.Ne + Q Jd

34.Mc Lc + Q

35.Ak Wol + Per

36.Di + CO2 Dol + Q

37.Grs + Q An + Wol

38.Mgn Per + CO2

39.Dol Cal + Per + CO2

40.Rds MnO + CO2

41.Cal + Q Wol + CO2

42.Sd FeO + CO2

43 – 50. Запишите реакции растворения следующих минералов1 и вычислите тепловой эффект растворения 1 моля этого вещества а) при стан-

дартных условиях ∆rH°298 и б) при температуре 75°С ∆rH°348. Теплоёмкость компонентов реакции считайте постоянной. Как влияет уве-

личение температуры на растворимость вещества?

43.Mgn

44.Cal

45.Dol

46.Sd

47.Rds

48.Cer

49.Smt

1 в виде реакции электролитической диссоциации

9

50.Mal

51-65. Запишите уравнения следующих реакций, а затем выражения для их констант равновесия. Оцените температурный интервал устойчивости продуктов и реагентов на поверхности Земли (P = 1 бар). В расчёте примите приближение ∆rCp = 0:

51.Rds MnO + CO2

52.Mgn Per + CO2

53.Cer PbO + CO2

54.Sd FeO + CO2

55.Cal + An + Q Gr + CO2

56.Di + CO2 Dol + Q

57.Cal + Q Wol + CO2

58.Dol Cal + Per + CO2

59.Mgn + Q Fo + CO2

60.Sd + Q Fa + CO2

61.Mgn + Q En + CO2

62.Dsp Crn + H2O (газ)

63.Brc Per + H2O (газ)

64.Mgn + H2O (газ) Brc + CO2

65.Cal + H2O (газ) Prt + CO2

66 – 77. Запишите уравнения и исследуйте P–T условия равновесия следующих реакций в диапазоне температур 25 – 1500°С и давлений 1 – 10000 бар. Расчёт проведите в предположении ∆rCp = 0. Результаты представьте в виде диаграмм полей устойчивости минералов в координатах P-T. Разметьте полученные поля устойчивости.

66.Ne + Q Jd

67.Mc Lc + Q

68.Ak Wol + Per

69.Grs + Q An + Wol

70.Hel + Q Wol + And

71.Grs + Q Wol + And

72.Ak Lrn + En

73.Ak Lrn + Fo + Q

74.Mg-Crd Fo + And + Q

75.Mg-Crd En + And + Q

76.Fe-Crd Fa + And + Q

77.Fe-Crd Fs +And + Q

78 – 90. Запишите уравнения, выражения для константы равновесия и исследуйте P–T условия равновесия следующих реакций в диапазоне температур 25 – 1500°С и давлений 1 – 10000 бар. Расчёт про-

10

ведите, пренебрегая зависимостью химического потенциала минералов от давления. Кроме того, примите также ∆rCp = 0. Результаты представьте в виде диаграмм полей устойчивости минералов в координатах lgP-T. Разметьте полученные поля устойчивости.

78.Cal + An + Q Grs + CO2

79.Dol + Q Di + CO2

80.Cal + Q Wol + CO2

81.Dol Cal + Per + CO2

82.Mgn + Q Fo + CO2

83.Sd + Q Fa + CO2

84.Mgn + Q En + CO2

85.Cal + Q Lrn + CO2

86.Cal + Q Rnk + CO2

87.Dsp Crn + H2O (газ)

88.Brc Per + H2O (газ)

89.Ms Mc + Crn + H2O (газ)

90.Kln And + Q + H2O (газ)