- •Общие методические указания
- •Учебная программа
- •Рабочая программа. Содержание дисциплины
- •Лабораторный практикум
- •Литература
- •Квантово-механическое объяснение строения атома
- •Строение многоэлектронных атомов
- •Периодическая система элементов д.И. Менделеева
- •Строение атома и периодический закон
- •1.5. Свойства элементов и периодическая система
- •Примеры решения типовых задач
- •2. Строение молекул и химическая связь
- •2.1. Ковалентная связь. Метод валентных связей
- •2.2. Гибридизация атомных орбиталей
- •2.3. Ковалентные связи с участием атома углерода
- •2.4. Ионная химическая связь
- •2.5. Металлическая связь
- •2.6. Водородная связь
- •Связи, образуемые атомом н, находящимся между двумя атомами электроотрицательных элементов, называются водородными:
- •2.7. Поляризация связи и дипольный момент
- •2.8. Основные параметры молекул
- •2.9. Примеры решения типовых задач
- •3. Основы химической термодинамики
- •3.1. Некоторые понятия термодинамики
- •3.2. Понятие о функции состояния
- •3.3. Внутренняя энергия, теплота, работа
- •3.4. Первый закон термодинамики. Понятие об энтальпии
- •3.5. Тепловой эффект химической реакции
- •3.6. Термохимические расчеты
- •3.7. Понятие об энтропии и второй закон термодинамики
- •3.8. Число микросостояний (термодинамическая вероятность) и энтропия
- •3.9. Свойства энтропии. Зависимость энтропии от объема
- •Зависимость энтропии от давления
- •Зависимость энтропии от температуры
- •3.10. Энергия Гиббса и состояние химического равновесия
- •3.11. Энергия Гиббса и состояние химического равновесия
- •3.12. Примеры решения типовых задач
- •4. Основы химической кинетики
- •4.1. Основные понятия химической кинетики
- •4.2. Скорость химических реакций
- •4.3. Гомогенные химические реакции
- •4.4. Зависимость скорости гомогенной химической реакции от концентрации реагирующих веществ
- •4.5. Графический метод определения констант дифференциального кинетического уравнения
- •4.6. Зависимость концентрации реагирующих веществ от времени для реакции первого порядка. Интегральное кинетическое уравнение
- •4.7. Скорость гетерогенной химической реакции
- •4.8. Зависимость скорости химической реакции от температуры. Уравнение Аррениуса
- •4.9. Энергия активации
- •4.10. Распределение молекул по энергиям
- •4.11. Энтропия активации. Стерический фактор
- •4.12. Расчет энергии активации
- •4.13. Каталитические реакции
- •Сущность каталитического действия.
- •4.14. Химическое равновесие
- •4.14.1. Состояние равновесия
- •4.14.2. Константа равновесия
- •Изменение концентраций.
- •Влияние температуры.
- •4.15. Примеры решения типовых задач
- •5. Растворы
- •5.1.Тепловой эффект растворения
- •5.2. Растворимость
- •5.3. Концентрация растворов
- •5.4. Законы Рауля
- •Следствия закона Рауля
- •5.5. Примеры решения типовых задач
- •6. Растворы электролитов
- •6.1. Механизм процесса диссоциации
- •6.2. Сильные и слабые электролиты
- •6.3. Электролитическая диссоциация солей, кислот и гидроксидов
- •6.4. Смещение ионных равновесий
- •6.5. Ионные равновесия в растворах амфотерных электролитов
- •6.6. Ионное равновесие в гетерогенных системах. Произведение растворимости
- •6.7. Смещение равновесий в ионных реакциях. Направление ионных реакций
- •6.8. Ионное произведение воды
- •6.9. Водородный показатель среды (рН)
- •6.10. Гидролиз солей
- •6.11. Примеры решения типовых задач
- •7. Окислительно-восстановительные реакции
- •7.1. Понятие о степени окисления
- •7.2. Окислительно-восстановительные пары и их количественная характеристика
- •7.3. Направление окислительно-восстановительных реакций
- •7.4. Составление уравнений окислительно- восстановительных реакций
- •7.5. Влияние среды на характер окислительно-восстановительных реакций
- •7.6. Виды реакций окисления-восстановления
- •7.7. Примеры решения типовых задач
- •8. Электрохимические процессы
- •8.1 Основные понятия, определения
- •8.2. Электродные потенциалы
- •8 .3. Стандартный водородный электрод
- •8.4. Ряд стандартных электродных потенциалов (ряд напряжений металлов)
- •8.5. Уравнение Нернста
- •8.6. Потенциалы газовых электродов
- •Cхемы щелочных аккумуляторов:
- •На катоде – восстановление кислорода
- •8.8. Примеры решения типовых задач
- •9. Электролиз
- •9.1. Основные понятия электролиза
- •9.2. Последовательность протекания электродных процессов при электролизе
- •9.2.1. Электролиз расплава электролита
- •2NaCl расплав
- •4NaОНрасплав
- •9.2.2. Электролиз раствора электролита
- •9.3. Законы Фарадея в электролизе
- •Объединяя оба закона, можно записать
- •Уравнение (9.2) может быть записано как
- •9.4. Применение электролиза
- •9.5. Примеры решения типовых задач
- •10. Коррозия металлов
- •10.1. Классификация коррозионных процессов
- •10.2. Коррозия металлов в растворах электролитов при различных значениях рН
- •10.3. Поляризационные явления в гальванических элементах и при коррозии металлов
- •10.4. Защита металлов от коррозии
- •10.5. Примеры решения типовых задач
- •11. Минеральные вяжущие вещества
- •11.1. Природные силикаты
- •11.2. Понятие о минеральных вяжущих веществах
- •11.3. Процессы твердения минеральных вяжущих веществ
- •11.4. Характеристика минеральных вяжущих веществ
- •1000°С ангидритовое вяжущее вещество.
- •12. Экспериментальная часть
- •12.1. Лабораторная работа «Ионные равновесия в растворах электролитов»
- •12.2. Лабораторная работа «Коррозия и защита металлов»
- •13. Контрольные вопросы
- •13.1. Строение атома. Химическая связь.
- •13.2. Основы химической термодинамики
- •62. Рассчитайте количество теплоты, выделяемое при полном
- •13.3. Химическая кинетика
- •13.4. Свойства растворов, способы выражения концентраций
- •13.5. Растворы электролитов
- •13.6. Окислительно-восстановительные реакции
- •13.7. Электрохимические процессы
- •13.8. Электролиз
- •13.9. Коррозия металлов
- •Приложение
- •Термодинамические свойства веществ (при 298,15 к)
- •Стандартные окислительно-восстановительные потенциалы (Ео298) в водных растворах
- •Вопросы для подготовки к зачету по курсу «Химия» для студентов заочного факультета
- •Вопросы для подготовки к экзамену по курсу «Химия» для студентов заочного факультета
- •Силикаты. Минеральные вяжущие вещества
- •Элементы органической химии. Органические вяжущие вещества
3.12. Примеры решения типовых задач
Пример 1. При сгорании 1 кг метана выделилось 50137,5 кДж теплоты. Рассчитайте стандартную энтальпию образования метана ∆НоСН4.
Решение.
1. Пересчитаем количество участвующего в реакции метана, выраженное в граммах, в моли (учитывая, что молярная масса СН4 равна 16 г/моль):
Количество СН4 в молях n равно:
n
СН4=
=62,5
моль.
2. Рассчитаем количество теплоты, выделяющееся при сгорании 1 моля метана:
3. Запишем термохимическое уравнение реакции горения метана:
CH4(г) + 2О2(г) = CО2(г) + 2Н2О(г) , Qр=802,2 кДж,
Qр=−∆Нор=(∆НоСО2(г) +2∆НоН2О(г) )−( ∆НоСН4(г) +2∆НоО2(г))=
=[(−393,5)+2(−241,8)−( ∆НоСН4(г))−2(0)]=−802,2 кДж.
Отсюда: ∆НоСН4=(802,2−393,5−483,6)=−74,9 кДж/моль СН4.
Пример 2. Рассчитайте количество теплоты, которое выделится при полном сгорании 100 л этана, взятого в газообразном состоянии при н.у., если в результате реакции образуется СО2(г) и Н2О(г).
Решение.
1. Реакция горения этана выражается термохимическим уравнением
С2Н6(г) + З,5O2(г) = 2CO2(г) + 3Н2О(г); ∆Нр=−1559,87 кДж.
2. Переведем количество участвующего в реакции этана, выраженное в литрах (н.у.), в моли (учитывая, что 1 моль газа при н.у. занимает объем, равный 22,4 л):
Количество этана в молях n равно:
n
С2 Н6(г)=
=4,46
моль.
3. Находим значения стандартных энтальпий образования (∆Но298) для всех веществ, участвующих в реакции (Прил. табл. 2) и рассчитываем тепловой эффект в расчете на один моль С2Н6(г):
∆Нореакции=(2∆НоСO2(г) +3∆НоН2O (г))−(∆НоС2 Н6(г) +3,5∆НоO2(г))=
= [2(−393,5)+3(−241,8)]−[−84,7+3,50]=−1427,7 кДж/моль С2Н6(г).
Qр=−∆Нор=1427,7 кДж.
4. Пересчитаем полученный тепловой эффект на реальное количество этана, т.е. на 4,46 моля (100 л, н.у.):
Qр=−∆Нореальн.=1427,74,46=5767,42 кДж.
Пример 3. Не производя вычислений, определите знак изменения энтропии в следующих реакциях. Рассчитайте изменение энтропии для стандартных условий и сравните с результатом оценки.
2NН3(г) = N2(г) + 3H2(г),
NH4NO3(тв) = N2O(г) + 2Н2О(г),
2Н2(г) + O2(г) = 2Н2O(г),
2Н2(г) + O2(г) = 2Н2O(ж).
Решение. Изменение энтропии реакции можно оценить качественно в случае реакции с участием газов. При переходе вещества в газообразное состояние происходит сильное увеличение энтропии, превышающее другие факторы, влияющие на энтропию. Поэтому по количеству вещества газов в правой и левой частях уравнения реакции можно определить, возрастает энтропия или уменьшается.
В первой реакции из 2-х молей вещества, находящегося в газообразном состоянии образуется 4 моля веществ, находящихся в газообразном состоянии, следовательно, DS10.
Изменение энтропии этой реакции в стандартных условиях (∆Sо298) равно:
∆Sо298=SоN2(г)+3SоН2(г)−2SоNН3(г)=191,5+ 3130,5−2192,7=197,6 Дж/К.
Во второй реакции 1 моль вещества в твердом состоянии образует 3 моля газообразных веществ, следовательно, ∆S20. Изменение энтропии этой реакции в стандартных условиях (∆Sо298) равно:
∆Sо298=SоN2О(г)+2SоН2О(г) –SоNН4NO3(тв) =219,8+2188,7−151=446,2 Дж/К.
В (3) и (4) реакциях уменьшается как общее число молей, так и число молей газообразных веществ, так что ∆S30 и ∆S40, при этом S4 имеет более отрицательное значение, т.е. больше по абсолютной величине чем ∆S3, так как SН2О(г) SН2О(ж).
Пример 4. Установите возможность восстановления диоксида титана до свободного металла по следующей реакции при стандартных условиях и при 2500 К (зависимостью ∆Hор и ∆Sор от температуры пренебречь):
TiO2(тв) + 2С(тв) = Ti(тв) + 2СО(г).
Решение. Из второго закона термодинамики следует, что самопроизвольно протекают только такие реакции, которые сопровождаются уменьшением энергии Гиббса (∆Gр0).
1. Рассчитаем ∆Gор для стандартных условий с учетом табличных данных (см. прил. табл. 2):
∆Gорекции =(2∆GоСО(г)+∆GоTi(тв))−(∆GоTiO2(тв) +2∆GоС(тв)) =
= [2(−137,1)+0]−[(−888,6)−20] =614,4 кДж.
Поскольку ∆Gор 0, реакция при 298 К невозможна.
2. Рассчитаем изменение энергии Гиббса этой реакции для 2500 К, для чего воспользуемся уравнением:
∆Gт=∆Hоp−T∆Sоp.
Находим изменения ∆Hоp и ∆Sоp при стандартных условиях:
∆Hоpеакции=(2∆HоСО(г) +∆Hо Ti(тв))−( ∆Hо TiO2(тв)+2∆Hо С(тв)) =
= [2(−110,5)+0]−[(−943,9)−20 ]=722,9 кДж=722900 Дж.
∆Sоpеакции=(2SоСО(г)+ SоTi(тв))−(SоTiO2(тв)+SоС(тв))=
= [2197,5+30,6]−[50,3-25,7 ]=363,9 Дж/К.
∆Gт=∆Hор−T∆Sор=722900−2500363,9=−186850 Дж.
∆G2500=−186,85 кДж.
Поскольку ∆G2500 0, то реакция при 2500 К возможна.
Пример 5. Вычислите температуру, при которой в стандартном состоянии установится равновесии реакции:
2
NO2(г)
N2O4(г),
если известны: ∆Нореакции=−55,3 кДж; ∆Sореакции=−175,8 Дж/К.
Решение. Используя для расчета стандартные значения функций состояния, имеем в виду стандартное состояние системы. Если одновременно это равновесное состояние, то ∆Gореакции=0. Применяем уравнение:
∆Gор=∆Hор−T∆Sор=0.
Преобразуем его и подставляем числовые значения:
=314,56
К (41,4оС).
Система находится в равновесном стандартном состоянии при температуре 41,4 оС.
