Основные формулы, используемые в физической и коллоидной химии и примеры решения задач
Раздел II. Физическая химия
Тема. Основные понятия и законы термодинамики и термохимии
Зная основные законы термодинамики и термохимии, студенты должны уметь производить термодинамические расчеты.
Задача 1
При хранении муки моносахариды медленно окисляются кислородом воздуха с выделением тепла. Найдите тепловой эффект реакции, если теплоты образования равны: Нобр.СО2 = –393,6 кДж/моль,
Нобр.Н2О = –285,9 кДж/моль, Нобр.С6Н12О6 = –1272,45 кДж/моль
Дано:
= –393,6 кДж/моль
|
С6Н12О6+6О2 6СО2 + 6Н2О Н = Нобр кон – Нобр нач
Н = [(6(–393,6)+6(–285,9)] – – (–1272,45)=2794,56 кДж |
= –285,9 кДж/моль
= –1272,45 кДж/моль
Н = ?
Ответ: тепловой эффект реакции окисления муки равен – 2794,56 кДж.
Тема. Агрегатное состояние вещества
Задачи, относящиеся к этой теме решаются с использованием уравнений законов Бойля-Мариотт, Шарля, Гей-Люсака, уравнение Менделеева-Клайнерона, а также с использованием формул, позволяющих определить вязкость и поверхностное натяжение.
Пример:
Вычислите поверхностное натяжение толуола при 50 оС, если при медленном истечении его из сталагмометра масса 38 капель равна 1,4864 г. При истечении из этого же сталагмометра 25 капель, равна 2,6570 г, поверхностное натяжение воды при 50 оС равно 67,9110-3 н/м.
Дано:
n1 = 38 m1 = 1,4864 г n0 = 25 m0 = 2,6570 t = 50 оС 0= 67,9110-3 н/м |
|
;
;
н/м1 = ?
Ответ: поверхностное натяжение толуола при 50оС равно 38,8810-3 н/м.
Тема. Химическая кинетика
Задачи, относящиеся к теме «Химическая кинетика» можно разделить на следующие группы:
1. Определение скорости реакции в зависимости от температуры.
2. Определение скорости реакции в зависимости от изменения концентрации.
3. Решение задач на расчет констант равновесия, равновесных и исходных концентраций.
Задача 2
Определить во сколько раз увеличится скорость реакции, протекающей в газовой фазе при повышении температуры от 20оС до 60оС, если температурный коэффициент равен 3.
Дано:
j = 3 to1 = 20 oC to2 = 60 oC |
|
(раз)
= ?
Ответ: скорость реакции при нагревании до 60 оС увеличивается в 81 раз.
Задача 3
Взаимодействие между оксидом углерода (II) и хлором идет по уравнению СО + Cl2 COCl2
Концентрация оксида углерода 0,3 моль/л, а хлора 0,2 моль/л.
Как изменится скорость реакции, если увеличить концентрацию хлора до 0,6 моль/л, а концентрацию оксида углерода (II) до 1,2 моль/л?
Дано:
[CO]1 = 0,3 моль/л [Cl2]1 = 0,2 моль/л [CO]2 = 0,6 моль/л [Cl2]2 = 1,2 моль/л |
υ1 = k[CO]1 · [Cl2]1 υ2 = k[CO]2 · [Cl2]2
|
раза= ?
Ответ: При увеличении концентрации хлора до 1,2 моль/л и концентрации оксида углерода (II) до 0,6 моль/л скорость реакции увеличивается в 64 раза.
Задача 4
Равновесие в системе Н2 + J2 2HJ установилось при следующих концентрациях, участвующих в ней веществ [H2] = 0,25 моль/л, [J2] = 0,05 моль/л, [HJ] = 0,9 моль/л. Определите значение константы равновесия и исходной концентрации йода и водорода.
Дано: |
Задача решается по сетке |
||||
[H2] = 0,25 моль/л [J2] = 0,05 моль/л [HJ] = 0,9 моль/л |
|
Исходная концентрация |
0,25+х |
0,05+х |
- |
Прореагировано молей |
х |
х |
- |
||
Образовалось молей |
- |
- |
2 |
||
Кр = ? [H2]исх = ? [J2]исх = ? |
Равновесные концентрации |
0,25 |
0,05 |
0,9 |
|
|
|
|
|
||
2х = 0,9 х = 0,45
[H2]исх = 0,45 + 0,25 = 0,7 моль/л
[J2]исх = 0,05 + 0,25 = 0,3 моль/л
Ответ: исходная концентрация водорода 0,7 моль/л, а йода – 0,3 моль/л. Константа равновесия 64,6.
Тема. Растворы
Задачи этой темы решаются с использованием законов Вант-Гоффа, Рауля, уравнений ионного произведения воды и водородного показателя.
Задача с использованием
уравнения закона Вант-Гоффа:
Задача 5
Определите молярную массу электролита, если в 5 л раствора содержится 2,5 г его. Осмотическое давление этого раствора при 20оС равно 0,23105 Па.
Дано: |
Си |
Решение |
V = 5 л m = 2,5 г Росм = 0,23· 105 Па t = 20 oC |
5 · 10–3 м3 2,5 · 10–3 кг Т = 273о + 20о293К R = 8,31 Дж/моль·к |
|
= ? |
|
|
кгДж/молькК кгнмкм2 кг
[] = --------------------- = ---------------- = -------
Н/м2м3 нмолькм3 моль
Ответ: молярная масса электролита равна 52,9610–3 кг/моль.
Задача 6
Решение задач с использованием второго закона Рауля.
Δtкип. = кэбл · С
Δtзам. = ккр · С
Пример:
Определите температуру кипения и замерзания раствора, состоящего из 1000 г воды и 100 г сахара.
Дано:
кэбл = 0,52о
m = 100 г А = 1000 г ккр = 1,86 о |
tокип. р-ра = tокип. р-ля + Δtкип. tокип. р-ра = 100о + tкип.
|
tкип = ? tзам = ? |
tокип. = 100о + 0,15 = 100,15о Δtзам.р-ра = 0о – Δtзам. |
г/моль
tокип. = 0о – 0,58о = – 0,58о
Ответ: температура кипения раствора сахара 100,15оС, а температура замерзания того же раствора –0,58оС.
Задачи с использованием полного произведения воды [H+]·[OH–] = 10–14 и водородного показателя рН = –lg[H+].
Задача 7
Дано:
[OH–] = 1,38·10–6 г·ион/л
|
рН = –lg[H+]
|
рН = ?
|
Находим концентрацию ионов водорода из ионного произведения воды |
[H+]·[OH–] = 10–14
рН = –lg7,25·10–9 = –(lg7,25 + lg10–9) = –(0,86 – 9) = 0,86 + 9 = 8,14
Ответ: рН = 8,14, значит среда щелочная.