Министерство образования и науки Российской Федерации

Уральский государственный университет им. А.М. Горького

Физическая химия:

Кинетика, электрохимия, электрохимическая кинетика

Задачи к семинарам для студентов 3 курса

Химического факультета

Екатеринбург 2011

Материал подготовлен кафедрой физической химии

Составители: Т.В. Аксенова,

Л.Я.Гаврилова,

В.А.Черепанов

 Уральский государственный университет, 2011

 Т.В.Аксенова, Л.Я.Гаврилова, В.А.Черепанов, составление, 2011

1. Растворы

Способы выражения концентрации

1.1. Массовая доля CuSO₄ в водном растворе 25%. Определите мольную долю, моляльную, молярную и нормальную концентрации раствора. Плотность раствора 1.1 г/см³.

1.2. Моляльность Na₂SO₄ в водном растворе 0.5 моль/кг. Определите мольную и массовую доли, молярную и нормальную концентрации. Плотность раствора 1.2 г/см³.

1.3. Плотность раствора, состоящего из хлороформа (CHCl₃) и ацетона ((CH₃)₂CO), равна 1,122 г/см³. Мольная доля хлороформа в растворе 0,4693. Рассчитайте молярную концентрацию, моляльную концентрацию и массовую долю хлороформа и ацетона в этом растворе.

1.4. Плотность 20% по массе раствора метилового спирта в воде составляет 0,965 г/см³. Рассчитайте молярную концентрацию, моляльную концентрацию и мольную долю метилового спирта в этом растворе.

1.5. Считая, что воздух состоит на 20 объемных % из кислорода и на 80 объемных % из азота, рассчитайте молярную концентрацию, моляльную концентрацию и массовую долю кислорода в этом газовом растворе, если температура равна 298 К, а давление 1 атм.

Растворы неэлектролитов

1.6. Давление насыщенного пара над хлористым метилом (CH₃Cl) при 273 K равно 2.6410⁵ Па, а над хлористым этилом (C₂H₅Cl) при этой же температуре равно 0.63810⁵ Па. Считая, что поведение раствора хлористого этила в хлористом метиле подчиняется закону Рауля, определите состав пара (в мольных долях) над 50% по массе раствором.

1.7. Давление пара тетрахлорметана при 316.5 K равно 0.34810⁵ Па. При растворении в 89 г CCl₄ 1.5 г стеариновой кислоты, давление пара уменьшилось на 3.310² Па. Определите молекулярную массу стеариновой кислоты.

1.8. При общем давлении 781 мм.рт.ст. хлористый метил кипит при 60.2°С. Определите давление пара CH₃Cl при 60.2°С и температуру кипения при исходном общем давлении для раствора, содержащего 0.2 моль нелетучего растворенного вещества в 1000 г хлористого метила. Мольная теплота испарения хлористого метила 31.64 кДж/моль.

1.9. Вычислите давление паров воды над 25% по массе раствором глюкозы (C₆H₁₂O₆) при 20°С. Давление паров воды при этой температуре равно 17.4 мм.рт.ст.

1.10. При 17°С осмотическое давление раствора, содержащего 0.125 г мочевины в 25 мл водного раствора равно 2.00510⁵ Па. Вычислите молекулярный вес мочевины.

1.11. Жидкий SO₂ кипит при 10°С. Теплота испарения его при этой температуре 25.52 кДж/моль. Вычислите температуру кипения раствора, содержащего 1 моль SO₃ на 20 моль SO₂.

1.12. Теплота плавления металлического свинца равна 5.1882 кДж/моль при температуре плавления 327.5°С. Вычислите температуру замерзания раствора, содержащего 1 мольный % примесей, которые не растворяются в твердом свинце.

1.13. При 25°С давление водяного пара равно 23.756 мм.рт.ст. Сколько граммов глицерина (C₃H₈O₃) необходимо растворить в 100 г воды, чтобы понизить давление пара на 1 мм.рт.ст.

1.14. Давление пара раствора, содержащего 3 г антрацена в 100 г диэтилового эфира, равно 485 мм.рт.ст., а давление пара над чистым эфиром при этой же температуре равно 491 мм.рт.ст. Определить молярную массу антрацена.

1.15. Определить осмотическое давление раствора анилина в диэтиловом эфире при 10°С, если давление пара над раствором равно 279. мм.рт.ст., а давление пара над чистым эфиром равно 291.7 мм.рт.ст. Плотность эфира 0.737 г/см³.

1.16. Температура кипения раствора, содержащего 401.6 мг нафталина (C₁₀H₈) в 26.6 г хлороформа (CHCl₃), на 0.455С выше, чем температура кипения чистого хлороформа (61.2С). Найдите а) теплоту испарения 1 г хлороформа; б) значение эбуллиоскопической постоянной.

1.17. Бензол замерзает при 5.42°С. Раствор, содержащий 12.8 г нафталина (C₁₀H₈) в 1000 г бензола, замерзает при 4.908°С. Рассчитайте удельную теплоту замерзания бензола.

1.18. Сколько граммов этилена можно растворить в 0.001 м³ бензола при 20°С, если равновесное давление паров над жидким этиленом при 0°С равно 40.8210⁵ Па, а при – 10°С оно составляет 32.4210⁵ Па. Плотность бензола 0.878 г/см³. Раствор этилена в бензоле считать идеальным. Давление паров этилена над раствором принять равным 1.01310⁵ Па.

1.19. Определить парциальный мольный объем азотнокислого аммония в воде, если объем раствора, содержащего 20 г NH₄NO₃ в 100 г раствора равен 92.35 см³, а объем растворителя в растворе 80.14 см³.

1.20. Определите изменение парциальной мольной энтальпии ацетона, если при смешении 83.3 г изопропилового спирта с 16.7. г ацетона при 20°С выделяется 1443.5 Дж теплоты, а при добавлении 1 моль изопропилового спирта к большому объему раствора этого состава выделяется 83.68 Дж теплоты. Сколько теплоты выделится при добавлении 10 г ацетона к большому объему раствора этого состава?

1.21. Определите плотность 20% по массе раствора метилового спирта, если известно, что парциальные мольные объемы воды и спирта в этом растворе соответственно равны 18 и 37.8 см³/моль.

1.22. Парциальный мольный объем растворенного вещества в разбавленном растворе некоторого растворителя дается выражением , где m – моляльность, a и b – константы. Выразите парциальный мольный объем через a, b, моляльность и количественные характеристики растворителя.

1.23. Найдите изменение парциальной мольной энтропии сероуглерода при 20°С в смеси сероуглерод – хлороформ, с содержанием 0.03 мольные доли сероуглерода, если парциальное давление паров сероуглерода над этим растром 113 мм.рт.ст., а равновесное давление паров над чистым сероуглеродом 303 мм.рт.ст. Изменение парциальной мольной энтальпии при смешении компонентов равно – 1046 Дж/моль.

1.24. Зависимость объема раствора хлорида натрия от количества молей соли n₂, растворенной в 1000 г воды, выражается уравнением:

V (см³) = 1000 + 16.4n₂ + 2.5n₂² – 1.2n₂³.

Определите парциальный мольный объем 0.5 моль/кг раствора NaCl.

1.25. Определите парциальный мольный объем этилового спирта, если плотность 60% водного раствора спирта при 293 K равна 0.8946 г/см³, а парциальный мольный объем воды в этом растворе 16.8 см³/моль.

1.26. Мольная доля нелетучего вещества в водном растворе равна 0.07. Определите коэффициент активности воды в этом растворе при 298 K, если давление насыщенного пара над раствором равно 26.1710² Па, а давление насыщенного пара над чистой водой равно 32.1710² Па.

1.27. Парциальные давления паров C₂H₅OH и H₂O при 20°С над раствором с концентрацией 40 весовых % C₂H₅OH соответственно равны 20.7 и 14.7 мм.рт.ст. Давление пара над чистым спиртом равно 43.6 мм.рт.ст. и над чистой водой – 17.5 мм.рт.ст. Найдите активность и коэффициент активности каждого компонента в растворе.

Растворы электролитов

1.28. Упругость пара над раствором нитрата кальция (концентрация 0.4 моль/кг) при 100°С равна 747 мм.рт.ст. Вычислить кажущуюся степень диссоциации нитрата кальция.

1.29. Упругость пара воды при 80°С равна 355.1 мм.рт.ст. Определить упругость пара над 3.73% раствором хлорида калия, если кажущаяся степень диссоциации KCl равна 78.7%.

1.30. Температура кипения раствора, содержащего 3.4 г BaCl₂ в 100 г воды равна 100.208°С. Вычислите кажущуюся степень диссоциации хлористого бария, если K_эб = 0.52 K∙кг/моль.

1.31. Температура замерзания раствора гидроксида бария, содержащего 1 моль Ba(OH)₂ в 64 л, равна – 0.0833°С. Определите концентрацию гидроксо-групп в растворе.

1.32. Рассчитайте pH растворов азотной кислоты с концентрациями соответственно 10^-2 М и 10^-7 М.

1.33. Константа диссоциации уксусной кислоты при 25°С равна 1.810^-5. Чему равна концентрация ионов водорода и pH раствора, если к 1 литру 1н раствора уксусной кислоты добавить 8.2 г ацетата натрия? Считать раствор идеальным, принять, что объем раствора при внесении соли практически не изменяется.

1.34. Константа диссоциации бензойной кислоты (C₆H₅COOH) равна 6.3×10^-5, а уксусной кислоты (CH₃COOH) – 1.76×10^-5. Определить отношение концентраций катионов водорода в эквимолярных растворах бензойной и уксусной кислот.

1.35. Сколько воды нужно прибавить к 200 мл 0.1М раствора гидроксида аммония, чтобы процент диссоциированных молекул удвоился.

1.36. Рассчитайте произведение растворимости бромида серебра в воде на основании следующих данных:

ΔG_f°(AgBr_тв) = – 95.94 кДж/моль,

ΔG_f°(Ag⁺_aq) = 77.41 кДж/моль,

ΔG_f°(Br^-_aq) =  – 102.8 кДж/моль.

1.37. Буферный раствор приготовлен сливанием 1 л 10^-2 М раствора муравьиной кислоты (K_a = 1.8×10^-4) и 0.5 л 10^-2 М раствора гидроксида натрия. Рассчитать pH буферного раствора.

1.38. Вычислите m_±, a_±, a, a_- и a₊ в 0.2 моль/кг растворе сульфата алюминия. γ_± = 0.023.

1.39. Рассчитайте среднюю ионную активность ионов в 0.01 моль/кг растворе хлорида калия и в этом же растворе в присутствии 0.02 моль/кг раствора хлорида кальция.

1.40. Вычислите pH 0.008 н раствора соляной кислоты с учетом и без учета коэффициента активности.

1.41. Выведите выражение для активности через средний ионный коэффициент активности и моляльность для следующих электролитов: a) KNO₃; б) Na₂SO₄; в) AlCl₃.

1.42. Чему равна ионная сила каждого из следующих растворов: a) 0.1 М NaCl; б) 0.1 М Na₂C₂O₄; в) 0.1 М CuSO₄; г) раствора, содержащего 0.1 М Na₂HPO₄ и 0.1 М NaH₂PO₄?

1.43. Определите соотношение между концентрациями растворов CuCl₂ и KCl, имеющих одну и ту же ионную силу.

1.44. Вычислить pH раствора соляной кислоты, в 600 мл которого содержится 0.246 г HCl. При расчете учесть влияние ионной силы раствора.

1.45. Произведение растворимости сульфата стронция при 25°С равно 2.8×10^-7. Вычислить растворимость сульфата стронция в чистой воде и в 0.002М растворе хлорида магния.

1.46. Растворимость Ba(IO₃)₂ в чистой воде при 25°С равна 8×10^-4 моль/л. Определите растворимость этой соли: а) в 0.1 М растворе KNO₃; б) в 0.03 М растворе Ba(NO₃)₂.

1.47. Вычислить константу гидролиза, pH и активность ионов OH^- и H⁺ в 0.1М растворе карбоната натрия при 298 K. Константа диссоциации угольной кислоты по второй ступени 5.61×10^-11, константа автопротолиза воды 1.27×10^-14.

1.48. Вычислить химический потенциал (относительно стандартного) для 0.1 М раствора серной кислоты, используя предельный закон Дебая-Хюккеля.

1.49. Константа диссоциации α-хлорпикриновой кислоты при 25°С равна 1.47×10^-3. Вычислить степень диссоциации кислоты при 25°С в 0.01 М водном растворе, считая раствор идеальным и неидеальным с использованием 1-го приближения теории Дебая-Хюккеля.