Вопросы и задачи для самоподготовки:

1. Приведите несколько формулировок второго закона тер­модинамики и напишите его математическое выражение.

2. Что такое КПД? Почему он всегда бывает меньше единицы?

3. В чем состоит значение второго закона термодинамики для физической химии и химической технологии?

4. В отличие от первого закона термодинамики, второй закон носит статистический (вероятностный) характер. Что это значит?

5. Что такое свободная и связанная энергия? 6. Что такое энтропия?

7. Как будет изменяться энтропия воды при ее переходе из твердого состояния в жидкое и из жидкого в парообразное?

8. Почему энтропия системы всегда больше нуля?

9. Напишите уравнения изменения энтропии для изотермических обратимых неизолированных, обратимых изолированных и изолированных необратимых процессов.

10. Почему несостоятелен вывод Клаузиуса о тепловой смерти Вселенной?

11. В чем состоит физический смысл изобарно-изотермического и изохорно-изотермического потенциалов? Напишите уравнения, показывающие связь между термодинамическими потенциалами и другими термодинамическими функциями.

12. Знак изобарно-изотермического по­тенциала позволя­ет судить о том, может ли данная реакция идти самопроизвольно, а его величи­на указывает, на ка­кую глубину должна пройти реакция, что­бы система достигла равновесия. Выясните, какие из нижеприведенных реакций будут протекать в прямом, а какие - в обрат­ном направлении. Какая из этих реакций будет ближе всего к равновесию в момент смещения эквимолярных количеств всех веществ, участвующих в реакции, а какая - дальше всего? Все вещества газообразные, температура и давление постоянны.

Реакция	Изобарно-изотермический потенциал, (Дж/моль)
а) SO2 + ½O2 SO3 б) 2НС1 H2 +Cl2 в) CO + H2O CO2 + H2 г) 2Н2 + O2 2H2O	-69920 +190500 -28889 -457617

13. Назовите три составные части тепловой машины. Что они собой представляют у паровоза? Тепловоза? Электровоза?

14. Что представляют собой холодильная машина и тепловой насос? Где они применяются?

15. Подчиняются ли живые организмы второму закону термодинамики? Ответ подтвердите примерами.

Задачи для самостоятельного решения:

1. Определите максимальную работу, которую можно получить, если к воде при 100 °с подводятся 4000 Дж теплоты, а температура конденсата 20 °с.

2. Сравните термодинамическую эффективность паровой машины и машины, работающей на ртутном паре, если котел первой имеет температуру 200 °С, второй 460 °С, а холодильник каждой из машин имеет температуру 30 °С.

3. Вода массой 100 г при 25 °С превращена в пар с температурой 150 °С и давлением 101300 Па. Вычислите изменение энтропии этого перехода, если удельная теплота испарения воды при 100 °С равна 2257 Дж/г, удельная теплоемкость воды 4,187 Дж/г∙К, а удельная теплоемкость водяного пара при давлении 101300 Па равна 1,968 Дж/г∙К.

4.Наидите изменение энтропии при переходе 3 моль кислорода от объема 33,6 л под давлением 202600 Па к объему 67,2 л под давлением 101300 Па. Молярная теплоемкость кислорода С_Р равна 29,37 Дж/моль∙К, температура постоянна.

5. Азот объемом 0,001 м³ смешан с кислородом объемом 0,002 м³ при 27 °С и давлении 1,013∙10⁵ Па. Найти общее изменение энтропии системы.

6. В термостате поддерживается температура 96,6 °С. Температура воздуха в комнате 26,9 °С. Потеря теплоты через изоляцию термостата за некоторый промежуток времени составила 4187 Дж. Найти общее изменение энтропии.

Семинар 4. Химическое равновесие

4 часа

Цель семинара:

1. Познакомиться с понятием термодинамического и химического равновесий, а так же с принципом консервативности Ле-Шателье-Брауна.

2. Научиться решать задачи на вычисление равновесных концентраций реагирующих веществ и смещение равновесия.

План занятия

1. Изучение теоретических основ термодинамического и химического равновесий.

2. Решение задач на расчёт химических равновесий.

3. Подведение итогов семинара.

Основная литература

1. Зайцев О.С. Основы химической термодинамики. Изд. 3-е. М.: Химия, 2007. – с. 55-61.

2. Зимон А.Д. Физическая химия. Изд. 3-е. М.: Агар, 2006. – с. 64-80.

Дополнительная литература

1. Киреев В.А. Курс физической химии. – М.: Химия, 1995.

2. Физическая химия. / Краснов К.С., Воробьев Н.К., Годнев И.Н. и др. Под ред. К.С. Краснова. – М.: Высшая школа, 1995.

3. Климов И.И., Филько А.И. Сб. вопросов и задач по физической и коллоидной химии. – М.: Просвещение, 2003.

Методические рекомендации

При подготовке к теме семинара следует обратить внимание на различные виды равновесий, а также на практическое применение принципа консервативности Ле-Шателье-Брауна. При характеристике химического и биологического равновесий необходимо ответ подтверждать примерами. Решая расчетные задачи использовать умение логически мыслить и обобщать опытные данные.

Вопросы для самоподготовки:

1. Какие реакции называются обратимыми? Необратимыми? Приведите примеры тех и других.

2. Какое состояние называют равновесным? Виды равновесных состояний.

3. Что означает состояние равновесия? Как можно определить, что в системе равновесие наступило?

4. Что определяет константа химического равновесия? От каких факторов она зависит? Не зависит?

5. Напишите математическое выражение закона действующих масс применительно к обратимым идеальным однородным химичес­ким системам и реальным.

6. В каких случаях обратимые реакции протекают до конца? Объясните это с точки зрения закона действующих масс.

7. Сформулируйте принцип смещения химического равновесия Ле Шателье.

8. Как смещается химическое равновесие при изменении температуры, концентрации, давления?

9. В каком направлении смещается равновесие

2СО + О₂ 2СО₂, ∆H = -566,4 кДж

при изменении давления и температуры?

10. В какую сторону сместится равновесие реакции

СО₂ + С 2СО, ∆H = 172,6 кДж

при повышении температуры? Что произойдет в системе при увеличении давления?

11. Выразите математически К_р для следующих реакций, протекающих по уравнениям:

а) FeO + H₂ Fe + H₂O_г;

б) 2HgO 2Hg + O₂;

в) 2Cu + O₂ 2CuO

12. Как повлияет повышение давления при неизменной температуре на равновесие следующих систем:

а) 2HBr H₂ + Br₂, ∆H = 70,3 кДж;

б) 2СО + О₂ 2СО₂, ∆H = - 566,4 кДж;

в) N₂ + O₂ 2NO, ∆H = 180,9 кДж?

13. Каким путем можно повысить выход NO₂ при реакциях, идущих по уравнениям:

а) 2NO + O₂ 2NO₂, ∆H = -113 кДж;

б) N₂O₄ 2NO₂, ∆H = 58.2 кДж?

14. Как можно увеличить процентное содержание PCl₃ в равновесной системе, выраженной уравнением:

PCl₅ PCl₃ + Cl₂; ∆H = 92,5 кДж?

Задачи для самостоятельного решения:

1. Константа равновесия реакции образования HCl при некоторой температуре равна единице. Определите состав(в молярных долях) равновесной реакционной смеси, полученной из водорода объемом 2 л и хлора объемом 3 л.

2. При 50 °С и давлении 0,348∙10⁵ Па степень диссоциации N₂O₄ на NO₂ равна 63%. Определите значение К_р и К_с.

3. В закрытом сосуде при постоянной температуре смешано 2 моль азота и 6 моль водорода. В результате реакции к моменту равновесия прореагировало 10% первоначального количества азота. Как изменилось давление в системе по сравнению с первоначальным?

4. Константа равновесия гомогенной системы:

СО_(г) + Н₂О_(г) СО_{2 (г)} +Н_{2 (г)}

при 850°С равна 1. Вычислите концентрации всех веществ при равновесии, если исходные концентрации были равны: [СО]_исх = 3 моль/л, [Н₂О]_исх = 2 моль/л.

5. В гомогенной газовой системе А + В С + D равновесие установилось при концентрациях [В] = 0,05 моль/л и [С] = 0,02 моль/л. Константа равновесия системы равна 0,04. Вычислите исходные концентрации веществ А и В.

6. Равновесие гомогенной системы:

4HCl_(г) + О₂ 2Н₂О_(г) + 2Сl_{2 (г)}

установилось при следующих концентрациях реагирующих веществ: [Н₂О]_р = 0,14 моль/л; [Сl₂]_р = 0,14 моль/л; [HCl]_р = 0,20 моль/л; [О₂]_р = 0,32 моль/л. Вычислите исходные концентрации хлороводорода и кислорода, а также К_с и К_р.

Семинар 5. Растворы неэлектролитов

4 часа

Цель семинара:

1. Познакомиться с термодинамикой процесса образования растворов.

2. Изучить свойства растворов, законы Рауля и Вант-Гоффа.

3. Научиться решать задачи, используя математические выражения законов Рауля и Вант-Гоффа.

План занятия

1. Изучение основных положений современной теории растворов.

2. Изучение термодинамики процесса растворения.

3. Решение расчётных задач на растворы неэлектролитов.

4. Подведение итогов семинара.

Основная литература

1. Зайцев О.С. Основы химической термодинамики. Изд. 3-е. М.: Химия, 2007. – с. 62-70.

2. Зимон А.Д. Физическая химия. Изд. 3-е. М.: Агар, 2006. – с. 85-90.

Дополнительная литература

1. Болдырев А.И. Физическая и коллоидная химия. – М.: Высшая школа, 2003.

2. Физическая химия. / Краснов К.С., Воробьев Н.К., Годнев И.Н. и др. Под ред. Краснова К.С. – М.: Высшая школа, 1995.

3. Чанг Р. Физическая химия с приложениями к биологическим системам. – М.: Мир, 1990.

Методические рекомендации

Тема «Растворы» изучается в школьном курсе химии, поэтому в ходе подготовки к семинару следует обратить особое внимание на термодинамику процесса растворения, так как это помогает понять и объяснить процесс растворения различных веществ. Знание в математической форме законов Рауля и Вант-Гоффа помогает рассчитать свойства растворов при изменении параметров системы.

Вопросы для самоподготовки

1. Какие системы называют растворами? Какие виды растворов Вам известны? Приведите примеры.

2. Какие силы действуют между молекулами в растворах? Какова внутренняя структура раствора?

3. Изложите основные теории растворов. Перечислите опытные данные, которые легли в основу этих теорий.

4. Объясните процесс растворения одного вещества в другом (растворителе).

5. Термодинамика процесса растворения. Изменение энтропии и энергии Гиббса в процессе растворения.

6. Что такое концентрация раствора? Какие способы выражения концентрации растворов Вам известны? Дайте определение каждому из них.

7. Объясните, почему для идеальных газов молярная доля равна объемной доле.

8. От каких факторов зависит давление насыщенного пара жид­кости?

9. Объясните, почему давление насыщенного пара раствора не­летучего вещества меньше давления насыщенного пара раство­рителя.

10. Сформулируйте закон Рауля, напишите его математическое выражение и поясните входящие в него члены.

11. Приведите примеры двух-трех растворов различных веществ, у которых будут одинаковые давления пара.

12. Одинаковое ли давление пара будет у растворов, содержа­щих в воде массой 100 г глицерин, фруктозу, свекловичный сахар массой 1 г каждый. Дайте обоснованный ответ, не производя расчетов.

13. Что называется температурой замерзания раствора?

14. Объясните, почему растворы затвердевают при другой темпе­ратуре, чем растворитель. Начертите соответствующий график и поясните его.

15. Сформулируйте закон Рауля для понижения температуры замерзания растворов, напишите его математическое выражение и поясните входящие в него члены.

16. Что такое криоскопическая постоянная? В чем состоит ее физический смысл? Каково числовое значение ее для воды?

17. Как определяется криоскопнческая постоянная? Напишите формулы, применяемые для расчета ее, и поясните входящие в них члены.

18. При какой температуре замерзает раствор, содержащий 0,2 моль глюкозы в 1 кг воды? Задачу решите устно и поясните ее.

19. Приведите примеры водных растворов двух-трех различных веществ, которые замерзнут при одной и той же температуре. Дай­те объяснение.

20. В чем сущность криоскопического метода определения от­носительной молекулярной массы?

21. Для каких веществ можно определить истинную относитель­ную молекулярную массу криоскопическим методом?

22. Чем определяется кипение жидкости? Что называется тем­пературой кипения жидкости?

23. Как отличается температура кипения растворов нелетучих веществ по сравнению с температурой кипения растворителя? На­чертите график, подтверждающий это положение, и поясните его.

24. От каких факторов зависит величина повышения темпера­туры кипения растворителя при растворении в нем различных ве­ществ?

25. Что такое эбуллиоскопическая постоянная? От каких фак­торов зависит ее величина? Каков ее физический смысл? Как она определяется?

26. В каком случае растворы различных неэлектролитов, со­держащие в воде объемом 1 л одинаковую массу растворенного ве­щества, будут кипеть при одной и той же температуре? Приведите примеры.

27. При какой температуре закипит раствор, содержащий в воде массой 100 г 0,01 моль свекловичного сахара? Е = 0,512. Задачу решите устно.

28. К растворам какой концентрации применима теория Вант-Гоффа?

29. Что такое осмотическое давление? Как оно обнаруживается и определяется?

30. Объясните, что такое обратный осмос. Где он применяется на практике? Роль осмоса в биологии.

31. Какие мембраны называют полупроницаемыми? Приведите примеры. Каков механизм действия полупроницаемых мембран?

32. Как ведет себя вещество в растворенном состоянии? В чем его свойства аналогичны свойствам газов?

33. Каким законам подчиняется осмотическое давление? Дайте формулировки и напишите математические выражения.

34. Какие растворы называются изотоническими? Приведите примеры.

35. Одинаковым ли осмотическим давлением обладают раство­ры, содержащие в литре: 1) мочевину массой 10 г; 2) глюкозу мас­сой 10 г? Если неодинаковым, то у какого из растворов большее ос­мотическое давление и во сколько раз? Дайте объяснение, не делая расчетов.

36. Какое количество вещества неэлектролита содержится в растворе объемом 1 л, если его осмотическое давление при 0 °С равно 101,3 кПа?

37. Перечислите методы определения относительной молекуляр­ной массы растворенных веществ и укажите, в каких случаях мо­гут быть использованы эти методы. Напишите математические вы­ражения, применяемые для расчетов, и поясните входящие в них величины. Укажите, по какому из методов получаются более точные результаты и почему.

38. Укажите свойства растворов, зависящие от природы ком­понентов, а также свойства, не зависящие от природы растворенного вещества, а зависящие только от относительного числа молекул веществ, находящихся в растворе.