Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Тихоокеанский государственный университет»

ФИЗИЧЕСКАЯ ХИМИЯ

Примеры решения задач

Методические указания

к выполнению контрольных работ

для студентов специальностей

280201.65 «Охрана окружающей среды и рациональное

использование природных ресурсов»

и 240403.65 «Химическая технология природных

энергоносителей и углеродных материалов»

заочной формы обучения

Хабаровск

Издательство ТОГУ

2006

УДК 541.1(075)

Физическая химия. Примеры решения задач : методические указания к выполнению контрольных работ для студентов специальностей 280201.65 «Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов» и 240403.65 «Химическая технология природных энергоносителей и углеродных материалов» заочной формы обучения / cост. В. А. Яргаева. – Хабаровск : Изд-во Тихоокеан. гос. ун-та, 2006. – 39 с.

В методических указаниях представлены примеры решения задач по основным разделам физической химии.

Данные методические указания предназначены для студентов высших учебных заведений технологических специальностей ООС, ХТПЭ и др. заочной формы обучения, изучающих дисциплину «Физическая химия».

Печатается в соответствии с решениями кафедры «Химия» и методического совета факультета математического моделирования и процессов управления.

© Тихоокеанский государственный

университет, 2006

Введение

Настоящие методические указания являются логическим продолжением методических указаний к выполнению контрольной работы по физической химии для студентов заочной формы обучения [1], составленных тем же автором. Номера примеров решения задач совпадают с номерами задач контрольной работы. В некоторых примерах (4, 5, 6) приводятся два варианта решения задач.

Главная цель настоящих методических указаний – помочь студентам-заочникам решить все задачи своего варианта контрольной работы, выданной по методическим указаниям [1].

Настоятельно рекомендуем студентам предварительно изучить теоретический материал по каждому разделу физической химии, используя учебную литературу по физической химии [2 – 10]. В примерах решения задач даются ссылки на соответствующую страницу учебника по физической химии проф. А. Г. Стромберга, изданного в 2001 году [2]. Весь теоретический материал с формулами, определениями и т. д. по каждому разделу, необходимый для решения задач, можно найти и в другой учебной литературе по физический химии [3 – 10].

Использованные в примерах справочные данные приведены в приложении, табл. I – VII [1] или справочной литературе [11, 12]. Для удобства пользования эти же справочные данные (приложение, табл. I  VII) приведены в настоящих методических указаниях.

При рассмотрении примеров обратите внимание, что практически везде используется международная система единиц (СИ); все физические величины, где это требуется, даны с соответствующими единицами измерения; во всех расчетных формулах величины подставлены без преобразований в необходимых единицах измерения. На графиках оси обозначены, указаны единицы измерения величин, четко определен масштаб.

Поскольку многие величины при решении задач по физической химии определяются графическим путем, также обращаем внимание, что реальные графики (примеры 3, 5, 7, 11) должны выполняться только на миллиметровой бумаге, чтобы, например, при нахождении тангенса угла наклона прямолинейной зависимости как можно точнее определить длины отрезков в единицах масштаба.

Очень надеемся, что данные методические указания помогут вам успешно справиться с решением задач по физической химии.

ЖЕЛАЕМ УСПЕХА!

Раздел «Химическая термодинамика»

Пример 1

Процесс протекает в соответствии с уравнением:

С₂Н₅ОН_(г) + 3О_2(г) = 2СО_2(г) + 3Н₂О_(г)

при температуре 800 К.

1. Рассчитайте величины Н⁰, S⁰, G⁰ при 298 К и дайте термодинамическую характеристику процесса при стандартных условиях.

2. Рассчитайте величины Н_т, S_т, G_т при температуре 800 К и оцените влияние повышения температуры на направление протекания реакции.

Р е ш е н и е

Для расчета Н⁰, S⁰, G⁰ при 298 К выпишем термодинамические свойства веществ – участников реакции табл.1(приложение, табл. I или [11]).

Таблица 1

Термодинамические свойства	С2Н5ОН(г)	О2(г)	СО2(г)	Н2О(г)
(298), кДж/моль	-234,80	0	-393,51	-241,81
S^0(298), Дж/(моль·К)	281,38	205,01	213,66	188,72
(298), кДж/моль	-167,96	0	-394,37	-228,61
Ср^0(298), Дж/(моль·К)	65,75	29,37	37,11	33,61

1. При стандартных условиях изменение энтальпии химической реакции , изменение энтропии S⁰_r и изменение энергии Гиббса химической реакции рассчитаем по предложенным формулам (приложение, рисунок ), используя следствие из закона Гесса ([2, с. 67] и данные табл. 1):

= _i (кон.) - _i (нач.) = (2H⁰(СО₂) + 3H⁰(Н₂О)) - -(H⁰(С₂Н₅ОН) + 3H⁰(О₂)) = (2·(-393,51) + 3(-241,81)) – ((-234,80) + 3·0) = = -1277,62 кДж;

= (2S⁰(СО₂) + 3S⁰(Н₂О)) – (S⁰(С₂Н₅ОН) + 3S⁰(О₂)) = (2·213,66 + + 3·188,72) – (281,38 + 3·205,01) = 96,95 Дж/К;

= (2G⁰(СО₂) + 3G⁰(Н₂О)) – (G⁰(С₂Н₅ОН) + 3G⁰(О₂)) = = (2·(-394,37) + 3(-228,61)) – ((-167,96) + 3·0) = -1306,61 кДж;

можно рассчитать вторым способом по уравнению Гиббса [2, с. 94]:

= - Т = -127,62 – 298(-0,09695) = -1306,51кДж.

Величины G⁰_r(298), рассчитанные двумя способами, практически совпадают.

Так как < 0, процесс протекает с выделением теплоты, т. е. является экзотермическим; > 0, процесс протекает с увеличением беспорядка в системе (неупорядоченность системы увеличивается); < 0, поэтому при 298 К процесс протекает самопроизвольно в прямом направлении.

1.2. Для расчета термодинамических функций при температуре 800 К необходимо знать величину изменения теплоемкости химической реакции С⁰_р.

 = _i (кон.) – _i (нач.) = (2 (СО₂) + 3 (Н₂О)) – – ( (С₂Н₅ОН) + 3 (О₂)) = (2·37,11 + 3·33,61) – (65,75 + 3·29,37) = =21,19Дж/К=0,02119кДж/К. (800 – 298) = –1266,98кДж;

= = 117,88 Дж/К = 0,1179 кДж/К;

= - Т = –1266,98 – 800 · 0,1179 = –1361,3 кДж.

При температуре 800 К процесс по-прежнему протекает в прямом направлении, т. к. G_r < 0.

Пример 2

В 150 мл воды растворили 10 г соли NH₄Cl при 298 К.

2.1. Вычислите тепловой эффект растворения соли, используя справочные данные об интегральной теплоте растворения соли.

2.2. Рассчитайте, на сколько градусов понизится температура раствора Т в результате растворения соли. Величины удельных теплоемкостей соли и воды возьмите в справочных таблицах [11, 12] или рассчитайте, используя стандартные молярные теплоемкости.

Р е ш е н и е

2.1. Для определения справочной величины интегральной теплоты растворения NH₄Cl в воде H_m необходимо знать молярную концентрацию полученного раствора NH₄Cl, которую рассчитаем по формуле

.

Для нахождения Н_m(NH₄Cl) из справочной табл. II (приложение) или [9] выбираем молярные концентрации, между которыми находится рассчитанная величина 1,246 моль/кг Н₂О, и соответствующие этим концентрациям величины Н_m:

С_m(1) = 1,0 моль/кгH₂O; Н_m(1) = 15,31 кДж/моль;

С_m(2) = 2,0 моль/кгH₂O; Н_m(2) = 15,27 кДж/моль.

Искомую величину Н_m для С_m = 1,246 моль/кгН₂О можно найти, например, методом графической интерполяции, как показано на рис. 1.

 Н_m,

кДж/моль

15,31 С_m = 1,246 моль/кгН₂О,

Н_m = 15,30 кДж/моль.

15,30

15,29

15,28

15,27 1,2 1,4 1,6 1,8 2,0 С_m, моль/кг Н₂О

Рис. 1. Определение интегральной теплоты

растворения соли методом графической

интерполяции

2.2. Изменение температуры Т можно найти из формулы, связывающей тепловой эффект процесса растворения Н_m с массами и удельными теплоемкостями веществ, участвующих в процессе растворения:

Н_m = -(m(H₂O) · C(H₂O) + m(NH₄Cl) · C(NH₄Cl)) ,

откуда ,

где m(H₂O), m(NH₄Cl) – массы воды и соли, г;

С(Н₂О), С(NH₄Cl) – удельные теплоемкости воды и соли, Дж/(г·К);

n(NH₄Cl) – количество соли NH₄Cl, моль.

Рассчитаем количество NH₄Cl и удельные теплоемкости NH₄Cl и Н₂О по справочным данным (приложение, табл. I, IV или [9]), учтем, что m(Н₂О) = 150 г.

n(NH₄Cl) =

C_p(NH₄Cl) = 84,1 Дж/(моль·К) и С_р(Н₂О) = 75,30 Дж/(моль·К);

С(NH₄Cl) = ;

С(Н₂О) = .

Тогда .

В результате растворения соли NH₄Cl в воде температура в системе понижается, т. к. процесс растворения соли – эндотермический.