random / books / Лесникова - Физическая химия. Самостоятельное решение задач по химической термодинамике, электрохимии и кинетике

переработки пластических масс и эластомеровŸ

специальности или направления подготовки

Лесникова Наталья Петровна. Физическая химия. Самостоятельное решение задач по химической термодинамике, электрохимии и кинетике.: учеб. пособие [Электронный ресурс] : для студентов дневной и заочной формы обучения специальностей 130404 šПодземная разработка месторождений полезных ископаемыхŸ и 150402 šГорные машины и оборудованиеŸ /Н. П. Лесникова. – Электрон. дан. – Кемерово : ГУ КузГТУ, 2010. – 1 электрон. опт. диск (CD-ROM) ; чб. ; 12 см. – Систем. требования : Pentium IV ; ОЗУ 8 Мб ; Windows ХР ; (CD-ROM-дисковод) ; мышь. - Загл. с экрана.

В учебном пособии представлены теоретические основы разделов физической химии по химической термодинамике (термохимия, термодинамические потенциалы, химическое равновесие); электрохимии (электропроводность, электродвижущие силы); кинетике односторонних, простых реакций и кинетике сложных реакций. По этим разделам подробно рассмотрены примеры решения задач и предлагаются задачи для самостоятельного решения на практических занятиях и во время внеаудиторной работы. Примеры и задачи, составленные по основным разделам физической химии, соответствуют действующим программам этого курса. Классический подход изложения материала в пособии должен способствовать более прочному усвоению знаний по физической химии и приобретении навыков в физико-химических расчетах.

@ ГУ КузГТУ @ Лесникова Н.П.

3

Предисловие

Всвязи с общей тенденцией уменьшения числа занятий по физической химии и переноса центра тяжести познания на самостоятельную, внеаудиторную работу студента возникла необходимость в данном пособии.

Цель пособия – показать, как следует применять теоретические знания при решении задач различной степени сложности: от подстановки численных значений в известные формулы и уравнения, обращая внимание на размерность величин, до умения правильно использовать в каждом конкретном случае сведения из различных разделов курса физической химии.

Вданном пособии рассмотрены разделы физической химии: химическая термодинамика, электрохимия и кинетика. Каждый раздел содержит определения, выводы основных уравнений, примеры с решением (71 пример) и задачи для самостоятельного решения (133 задачи). Теоретические введения разделов не подменяют учебники и лекционный материал, а способствуют более глубокому пониманию физико-химических законов и помогают в решении конкретных задач.

Последовательность изложения разделов пособия соответствует логической структуре курса и рабочей программе практических занятий по физической химии. В пособии для удобства в работе использована сквозная нумерация формул, примеров с решениями и задач для самостоятельной работы.

Пособие составлено на основе многолетнего опыта преподавания автором физической химии в КузГТУ; предназначено для студентов различных специальностей химико-технологического факультета дневной и, особенно, заочной форм обучения; может быть также полезным для молодых преподавателей, ведущих семинарские занятия.

Автор выражает искреннюю благодарность за ценные советы и помощь в подготовке пособия к изданию преподавателям и сотрудникам кафедры ТППМ ХТФ КузГТУ. Глубокую признательность выражаю доценту кафедры Н.М. Ким за деятельное, систематическое участие в обсуждении возникавших вопросов и ценные критические замечания при изложении материала пособия

4

Универсальные постоянные

R = 0,08315 бар¶л¶моль-1Κ-1 R = 1,987 кал¶моль-1¶ Κ-1

R = 0,082054 л¶атм¶моль1¶Κ-1 Объем моля идеального газа при Т = 273,15 Κ и р = 101325 Па

Vm = 22,4140 л/моль

Объем моля идеального газа при Т = 273,15 Κ и р = 1 бар Vm = 22,71108 л/моль

Больцмана постоянная k = R / NA = 1,3806558 ¶ 10-23 Дж¶Κ-1 Фарадея постоянная F = NA † е = 96485,309 Κл ¶ моль-1

5

СОДЕРЖАНИЕ

Глава 1. Химическая термодинамика………………………………7

1.1.Первый закон термодинамики, теплоемкость……………...7 Примеры……………………………………………………..10 Задачи ……………………………………………………….16

Тепловой эффект реакции. Закон Гесса .………………….17 Примеры……………………………………………………..19 Задачи ……………………………………………………….24

Зависимость теплового эффекта реакции от температуры 26 Примеры……………………………………………………..27 Задачи ……………………………………………………… 30

1.2.Второй закон термодинамики ……………………………...32 Энтропия …………………………………………………….33

Примеры……………………………………………………...37 Задачи ………………………………………………………. 42 Термодинамические потенциалы …………………………..45 Примеры……………………………………………………...51 Задачи .……………………………………………………….57

1.3.Химическое равновесие …………………………………… 59 Примеры……………………………………………………...69 Задачи ……………………………………………………… 78 Зависимость константы равновесия от температуры …….81 Примеры……………………………………………………...87

Задачи ………………………………………………………..94 Глава 2. Электрохимия ……………………………………………..99 2.1. Активность электролитов …………………………………99

Примеры…………………………………………………….102

2.2. Электропроводность растворов электролитов ………….108

Примеры…………………………………………………….115 Задачи ……………………………………………… 119

2.2. Электродвижущие силы и термодинамика гальванических элементов ………………………………………………. 122 Примеры……………………………………………………..137 Задачи ……………………………………………………… 148

Глава 3. Химическая кинетика …………………………………149

3.1. Общие понятия и определения в химической кинетике Скорость химической реакции…………………………….153

6

3.2.Кинетические уравнения константы скорости химических реакций различных порядков ………………………………159

3.3.Способы определения порядка реакции…………………...165

3.4.Зависимость скорости реакции от температуры. Вывод и анализ уравнения Аррениуса……………………………….169 Примеры……………………………………………………...175 Задачи…………………………………………………….......193

3.5.Кинетические уравнения константы скорости сложных реакций………………………………………………………197

Обратимые реакции…………………………………………198 Параллельные реакции……………………………………...201 Последовательные реакции…………………………………205

3.6.Метод стационарных концентраций Боденштейна….........210 Примеры……………………………………………………..213

Задачи………………………………………………………...227 Список литературы…………………………………………….235

7

ГЛАВА 1. ХИМИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА

1.1. Первый закон термодинамики

Первый закон термодинамики устанавливает взаимосвязь между внутренней энергией U, теплотой Q и работой, являющейся, за редким исключением, работой расширения идеального газа, W.

®Теплота, подведенная к системе, расходуется на изменение внутренней энергии и совершение системой работы¯. Этой фор-

Первое уравнение справедливо для конечного изменения состояния системы. Второе – для бесконечно малого изменения величин, определяющих состояние системы. Элементарная работа определяется уравнением:

W p dV .

В зависимости от условий протекания химических процессов, уравнение (1.1) может изменяться.

Изотермический процесс – при постоянной температуре происходит расширение или сжатие газа. Изменение внутренней энергии для 1 моля идеального газа равно нулю. Поэтому, теплота,

подведенная к системе, расходуется на работу расширения газа.

Уравнение состояния идеального газа имеет вид: pV const. Изохорный процесс – протекает при постоянном объеме и со-

провождается нагревом газа. Изменение объема равно нулю, поэтому работа расширения для 1 моля идеального газа равна нулю. Теп-

лота, подведенная к системе, расходуется на изменение внутренней энергии.

8

В данном уравнении CV - молярная теплоемкость при постоянном объеме (изохорная теплоемкость). Уравнение состояния иде-

ального газа соответствует выражению: Р const.

Т

Изобарный процесс – осуществляется при постоянном давлении. Работа при изобарном расширении выражается уравнением:

При изобарном процессе тепло, подведенное к системе, рас-

ходуется на изменение энтальпии ΔΗ.

В представленном выражении СР – молярная теплоемкость при постоянном давлении (изобарная теплоемкость). Уравнение состояния

идеального газа для этого процесса имеет вид: V const.

T

Адиабатический процесс протекает в условиях полной тепловой изоляции, т. е. Q = 0. В таких процессах работа совершается

за счет убыли внутренней энергии.

WQ 0 d U ;

(1.7)

WQ 0 U.

Давление, объем и температура в начале и конце адиабатического процесса связаны следующими соотношениями:

При адиабатическом расширении идеального газа работа может быть вычислена по одному из следующих уравнений:

9

В представленных уравнениях 1.8 и 1.9 значение коэффициента γ равно отношению теплоемкости газа при постоянном давле-

нии к его теплоемкости при постоянном объеме: СР . СV

Теплоемкость.

В физической химии пользуются молярными теплоемкостями.

Молярная теплоемкость равна количеству теплоты, которое необходимо сообщить одному молю вещества при изменении его

температуры на один градус. Различают среднюю С и истинную

С молярные теплоемкости. Связь между ними определяется уравнением:

для одного моля идеального газа соответствует уравнению:

CP CV R (1.11) Зависимость теплоемкости от температуры выражается в виде

температурного ряда:

где a, b, c, c/ – эмпирические коэффициенты, значения которых зависят от природы веществ и их агрегатного состояния.

Для неорганических веществ уравнение температурного ряда

тогда, выражение средней молярной теплоемкости соответствует уравнению:

10

органического вещества от температуры Т1 до температуры Т2 будет равно:

Пример 1. Диоксид углерода в количестве 100 г находится при 273 K и давлении 1,013¶105 Па. Определить теплоту, работу, изменение энтальпии и изменение внутренней энергии: 1) при изотермическом расширении до объема 0,2 м3; 2) при изобарном расшире-