Добавил:

ivanov666 Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.

Вуз:

Сибирская государственная автомобильно-дорожная академия

Предмет:

[НЕСОРТИРОВАННОЕ]

Файл:

1611.pdf

Скачиваний:

Добавлен:

07.01.2021

Размер:

1.39 Mб

Скачать

☆

1 / 101 2 3 4 5 6 7 8 9 10 > Следующая >>>

Министерство образования и науки Российской Федерации
С
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования
«Сибирский государственный автомобильно-дорожный университет (СибАДИ)»
В.А. Хомич
б
ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ И СИСТЕМЫ
А	Практикум
Д
И
Омск 2017

УДК 544

ББК 24.531 Х76

Согласно 436-ФЗ от 29.12.2010 «О защите детей от информации, причиняющей вред их здоровью и развитию» данная продукция маркировке неподлежит.

СибАДИСистемные требования: Intel, 3,4 GHz; 150 Мб; Windows XP/Vista/7; DVD-ROM; 1 Гб свободного места на жестком диске; программа для чтения

Рецензенты:

канд. хим. наук, доц. Л.Н. Котова (ОмГТУ); канд. х м. наук, доц. Л.А. Процкая (МГУТУ им. Разумовского)

Работа утверждена редакционно-издательским советом СибАДИ в качестве

практикума.

Хом ч, Вера Алексеевна.

Х76 Физ ко-х м ческ е процессы и системы [Электронный ресурс] : практикум /

В.А. Хом ч. – Электрон. дан. – Омск : Си				ДИ, 2017. – URL: http://bek.sibadi.org/
cgi-bin/irbis64r	plus/cgiirbis		64 ft.exe. - Режим доступа: для авторизованных
пользователей.
Предназначен		для	практических	и	лабораторных		занятий по	дисциплине
«Физическая и коллоидная химия». Рассматривает основные разделы физической
химии.
Имеет интерактивное оглавление в виде закладок.
Рекомендован		для	обучающихся		всех	форм	обучения	направления
«Техносферная	безопасность» профилей				«Защита окружающей			среды» и
«Безопасность техносферных процессов				производств».
Работа выполнена на кафедре «Техносферная						экологическая безопасность».
		Текстовое (символьное) издание (4 МБ)

pdf-файлов: Adobe Acrobat Reader; Foxit Reader

Редактор И.Г. Кузнецова

Техническая подготовка Н.В. Кенжалинова Издание первое. Дата подписания к использованию 28.12.2017

Издательско-полиграфический комплекс СибАДИ. 644080, г. Омск, пр. Мира, 5 РИО ИПК СибАДИ. 644080, г. Омск, ул. 2-я Поселковая, 1

ВВЕДЕНИЕ

Практикум по дисциплине «Физическая и коллоидная химия»
охватывает материал первой части курса, а именно физической химии, и
включает пять разделов: «Основы химической термодинамики»,
С
«Химическое равновесие», «Фазовые равновесия и свойства растворов»,
«Электрохимия», «Химическая кинетика».
Изучен е каждого з пяти разделов проводится на практических и
лабораторных занят ях, учебный материал для которых приведен в
последовательности
данном практ куме.
Матер ал практ ческого занятия	изложен	в следующей
: краткая теоретическая	часть,	необходимая для

проведен я расчетов; условие задач по соответствующим вариантам
	лабораторного
(всего 20 вар антов); разо ранный пример решения аналогичной задачи с
методическ ми указан ями по ее решению. Справочные таблицы
приведены в пр ложен ях.
Для		занятия указывается цель лабораторной работы,
приводится		А				форме	и
		теоретический	материал	в	краткой
последовательность её выполнения. Выполненная лабораторная работа
оформляется в виде письменного отчета с последующей защитой.
Каждый раздел заканчивается задачами для самостоятельного
решения и вопросами к защите практических и лабораторных работ.
			Д
				И

1. ОСНОВЫ ХИМИЧЕСКОЙ ТЕРМОДИНАМИКИ

1.1. Первый закон термодинамики

С	Практическое занятие № 1

1. Расчеты тепловых эффектов химических реакций
по стандартным энтальпиям образования
ли сгорания химических соединений

состояния
Термох м ческ е уравнения реакций – это уравнения, в которых
около	с мволов х м ческих соединений указываются	агрегатные
	эт х соед нений или кристаллографическая модификация, в
правой	бА	тепловых
	части уравнен я указываются численные значения

эффектов.

Согласно закону Гесса, тепловой эффект реакции не зависит от промежуточных стад й, а определяется лишь начальным и конечным состояниями с стемы при условии, что давление или объем в течение всего процесса остается неизменным. Математическая формулировка закона Гесса является непосредственным следствием первого начала термодинамики и выражается уравнениями

Qv = ∆U; Qp = ∆H или Q = – ∆U; Q = – ∆H.

v р

Таким образом, тепловой эффектДпри постоянном объеме Qv и

тепловой эффект при постоянном давлении Qр являются функциями состояния, т.е. не зависят от пути процесса.

Из закона Гесса вытекают два следствия:

1) тепловой эффект реакции равен Иразности между суммой энтальпий (теплот) образования продуктов реакции и суммой энтальпий (теплот) образования исходных веществ:

∆H = n∆Hf (продуктов реакции) – n∆Hf (исходных веществ);

2) тепловой эффект реакции равен разности между суммой энтальпий (теплот) сгорания исходных веществ и суммой энтальпий (теплот) сгорания продуктов реакции:

∆H = n∆Hсгор (исходных веществ) – n∆Hсгор (продуктов реакции).

Задача 1-1

Вычислить стандартную теплоту образования соединения из простых веществ, если известна его теплота сгорания при Т = 298 К и давлении 1,0133 х 105 Па. Принять, что продукты сгорания – оксиды О2(г), Н2О(ж) и N2. Теплоты сгорания простых веществ:

Сграф + О2 = СО2(г) – 393,795·103 Дж/моль; H2+½О2 = Н2О(ж) – 286,043·103 Дж/моль.

Хим ческ е формулы соединений и величины энтальпий их сгорания пр ведены в табл. 1.1.

	Вариант						Таблица 1.1
СИсходные данные для расчетов теплоты образования соединений
		оед нен е	Нсгор·10-3,		Вариант	Соединение	Нсгор·10-3,
			бА				Дж/моль
			Дж/моль				Дж/моль
	1	CH4N2О (т)	-634,749		11	С4Н10 (г)	-2379,191
		мочев на				бутан
	2	CH3NО2 (ж)	-709,278		12	С5Н12О (ж)	-3323,222
		нитрометан				амиловый спирт
	3	C2H5NO2 (ж)	-981,852		13	С6Н6О (т)	-3024,851
		гликокол				фенол

	4	С2Н6О2 (ж)	-1180,315		Д		-2862,519
	4	С2Н6О2 (ж)	-1180,315	14		С6Н602 (т)	-2862,519
		этиленгликоль				гидрохинон
	5	С3Н8О3 (ж)	-1662,239		15	C6H7N (ж)	-3398,588
		глицерин				анилин
	6	C2H7N (ж)	-1774,229		16	С7Н6О2 (т)	-3229,014
		диметиламин				И
		диметиламин				бензойная кислота
	7	С3Н6О (ж)	-1787,012		17	C5Н5N (ж)	-2577,140
		ацетон				пиридин
	8	С4Н6 (г)	-2595,647		18	C5H10O2 (ж)	-2853,859
		бутадиен-1,2				валериановая
						кислота
	9	C3H3N (г)	-1945,699		19	С7Н8 (ж)	-3950,769
		акрилонитрил				толуол
	10	С3Н8О (ж)	-2011,853		20	С8Н18 (г)	-5516,163
		пропиловый				октан
		спирт

П р и м е р

Соединение – этиловый спирт. Нсгор·10-3(С2Н5ОН) = –1368 Дж/моль.

С		Решение

Записываем реакцию образования соединения:
	2С + 3Н2 + 1/3О2 = С2Н5ОН +			.
			Q
Для выч слен я теплоты образования соединения						используем
					Q
рующих		Задача 1-2
второе следств е	закона Гесса, учитывая стехиометрические
коэффиц енты реаг	веществ в заданном уравнении реакции.
	Н = 2∙ΔН (С) + 3∙ΔН (Н2) – Н (С2Н5ОН);
Н = (2∙393,795 + 3∙286,043 – 1368,0) ∙ 103 = –280,31 ∙ 103 Дж/моль.
бА
	Q = – Н	= 280,31∙103 Дж/моль.

Вычислить тепловые эффекты химических реакций (табл. 1.2) при стандартных условиях по стандартным энтальпиям образования. Значения величин энтальпий о разования веществ приведены в табл. П.1.1, П.1.2.

Таблица 1.2

			Д
	Уравнения химических реакций для расчетов тепловых эффектов
Номер			Уравнение реакции
варианта
1					2
1		4NH3 (г) + 5O2 (г) = 6H2O (г) + 4NO (г)
2		4HCl (г) + O2 (г) = 2H2O (г) + 2Cl2 (г)
3		CaCO3 (т) = CaO (т) + CO2 (г)
4		Магнетит Fe3O4 (т) + H2 (г) = 3FeO (т) + H2O (г)
5		Ca(OH)2 (т) + CO2 (г) = CaCO3 (т) + H2O (г)
6		2CO (г) + SO2 (г) = S (т) + 2CO2 (г)
7		2NO2 (г) + O3 (г) = O2 (г) + N2O5 (г)
8		CH	(г) + 2О	2	(г) = СО (г) + 2Н О (г)
9		4		2	И2 2
9		2AgNO3 (т) = 2Ag (т) + 2NO2 (г) + О2 (г)
10		СО (г) + 3Н2 (г) = СН4 (г) + Н2О (г)
11		4СО (г) + 2SO2 (г) = S2 (г) + 4СО2 (г)
12		Н2 (г) + НСОН (г) = СН3ОН (г)
13		Н2S (г) + CO2 (г) = Н2О (г) + СОS (г)

		Окончание табл. 1.2
	1	2
	14	Н2S (г) + СОS (г) = Н2О (г) + СS2 (г)
	15	2Н2S (г) + CO2 (г) = 2Н2О (г) + СS2 (г)
	16	4Н2S (г) + 2SO2 (г) = 4Н2О (г) + 3S2 (г)
	17	CH4 (г) + 2H2S (г) = CS2 (г) + 4Н2 (г)
	18	СН3ОН (г) + СО (г) = СН3СООН (г)
С		FeO (т) + CO (г) = Fe (т) + СО2 (г)
19		FeO (т) + CO (г) = Fe (т) + СО2 (г)
20		2С10Н8 (т) = С14Н10 (т) (фенантрен) + С6Н6 (г)
	и
		П р и м е р

Уравнен е х м ческой реакции

Fe2O3 (т) + 3CO (г) = 2Fe (т) + 3CO2 (г).

∆Hf [Fe2OбА3(т)] = –821,32 кДж/моль; ∆Hf [CO (г)] = –110,5 кДж/моль; ∆Hf [Fe (т)] = 0,00 кДж/моль; ∆Hf [CO2 (г)] = –393,51 кДж/моль.

Решение

Согласно первому следствию из закона Гесса, искомый тепловой эффект реакции равен

Н = 2∙∆Hf [Fe (т)] + 3∙∆Hf [CO2 (г)] –∆Hf [Fe2O3(т)] –3∙∆Hf [CO (г)] =

= –3∙393,51 + 821,32 + 3∙110,5 = – 27,71кДж.

2. Расчеты тепловых эффектов химической реакции

при учете их зависимости от температуры

Зависимость теплового эффекта реакции от температуры (при

постоянных давлении или объеме) определяется уравнениями Кирхгофа:

Cv;

p Cp,

(1)

T v

где С = nC (продуктов)

– nC (исходныхИвеществ) – разность сумм

молярных теплоемкостей (Cp или Cv) продуктов реакции и исходных веществ, взятых с учетом стехиометрических коэффициентов.

Эти уравнения дают возможность вычислять тепловые эффекты реакций при любой температуре Т, если известны зависимость теплоемкостей всех реагентов в рассматриваемом интервале температур и тепловой эффект реакции при какой-либо одной температуре.

Уравнение Кирхгофа в интегральной форме имеет вид

H2 Н1 CpdT.

Зависимость теплоемкости от температуры Cp= f (T) выражается в

виде одного из двух эмпирических степенных рядов:
	Cp= a + bT + c'T-2;
Отсюда	Cp= a + bT + cT2.									(2)
Отсюда	∆Cp= ∆a + ∆bT + ∆cT2 +∆ c'T-2.									(3)
	∆Cp= ∆a + ∆bT + ∆cT2 +∆ c'T-2.									(3)
После подстановки уравнения (3) в уравнение (1) и интегрирования
справедливо
получим зав с мость теплового эффекта от температуры:
	0	+ ∆aT + 1/2∙∆bT		2	+ 1/3∙∆cT	3	–∆ c'T	-1	,	(4)
СН T = ∆H0		+ ∆aT + 1/2∙∆bT			+ 1/3∙∆cT		–∆ c'T		,	(4)
где ∆H0 – постоянная интегрирования, которая определяется по
полученному опытному тепловому эффекту при одной какой-либо
температуре.	бА
температуре.
Уравнен е (4)			только в том интервале температур, для
которого справедл вы эмпирические уравнения (2) для теплоемкостей
веществ, участвующ х в реакции.
Интегрирование уравнения (1) после подстановки выражения (3)
можно вывести в интервале температур от Т1 до Т2. При этом получим
уравнение
∆H2=∆H1+∆a∙(T2 –T1)+1/2∙∆b∙(T22 – T12)+1/3∙∆c∙ (T23– T13)+∆ c'∙(1/ T1 –1/ T2).
			Д
		Задача 1-3

Выразить зависимость теплового эффекта реакции от температуры (табл. 1.3), если известен тепловой эффект этой реакции при Т = 298 К, и уравнение зависимости Сρ = f (Т).

				Таблица 1.3
	Уравнения химических реакций для расчетов тепловых
		эффектов при заданной температуре

Вариант		Уравнение реакции		Т, К
			И
1		2	3
1		2Н2 + СО = СН3ОН (г)		500
2		4НСl + О2 = 2Н2О (г) + 2Cl2		600
3		NH4Cl(т) = NH3 + HC1		500
4		2N2 + 6H2О = 4NH3 + 3О2		1200
5		4NO + 6H2O (г) = 4NH3 + 5О2		800
6		2NО2 = 2NO + О2		500

							Окончание табл. 13
	1				2				3
	7			Mg (ОН)2 = MgO + H2О					400
	8			CaCO3 = CaO + CO2					700
	9			N2О4 = 2NО2					400
	10			Са(ОН)2 = СаО + Н2О (г)					350
	11			0,5S2 + 2H2O (г) = SО2 + 2H2					900
	12			0,5S2 + 2CО2 = SО2 + 2CO					800
	13			2SО2 + О2 = 2SО3 (г)					600
	14			SО2 + Cl2 = SО2Cl2(г)					400
	15			СО + ЗН2 = СН4 + Н2О (г)					900
	и				= S2 (г) + 4CО2				700
	16			4CО + 2SO2	= S2 (г) + 4CО2				700
	17			CO + Cl2 = COCl2 (г)					400
С
18				CО2 + H2 = CO + H2О (г)					900
	19			СО2 + 4Н2 = СН4 + 2Н2О (г)					860
	20			2СО2 = 2СО + О2					500
		бА
					П р и м е р
Уравнение реакции 2СН4(г) + СО2(г)= СН3СОСН3(г) + Н2О(г).
Реакция протекает при 500 К.
					Решение
					Д
В основе решения – развернутое уравнение Кирхгофа (4):
		0				2		3	-1	.
			Н T = ∆H0 + ∆aT + 1/2∙∆bT				+ 1/3∙∆cT		–∆ c'T	.

Для определения ∆a, ∆b, ∆c и ∆ c' надо знать зависимость Сρ = f (Т) для каждого из исходных веществ и продуктов реакции:

1.Данные из справочных таблиц (см. таблИ. П.1.1, П.1.2) заносим в табл. 1.4.

2.Находим тепловой эффект реакции при Т = 298 К.2 -2

Н0298 = Н0298(Н2О) + Н0298 (СН3СОСН3) – Н0298 (СО2) –2 Н0298(СН4).

Н0298 = - 241,84 -216,46 +393,51 +2∙74,85 = 84,97 кДж/моль. 3. Находим ∆H0 в общем виде.

Н0T = ∆H298+∆a(T–298)+1/2∙∆b(T2–2982)+1/3∙∆c(T3–2983)–∆ c'(1/Т–1/298).

Принимаем Т= 0 К.

∆H0 = ∆H298 –∆a ∙298 + 1/2∙∆b∙(298)2 + 1/3∙∆c∙(298)3 +1/298∙ ∆ c'.

Таблица 1.4

Термохимические величины веществ

b∙103

c'∙10-5

c∙106

Н0298,

Вещество

кДж/моль

Дж/моль·К

Н2О

-241,84

30,00

10,71

0,33

Н3 О Н3(г)

-216,46

22,47

201,8

-63,5

44,14

9,04

8,53

О2

-393,51

Н4

-74,85

17,45

60,46

-1,118

4. Наход м ∆a, ∆b, ∆c

∆ c'.

а = Σа (продуктов) – Σа (исходных веществ);

а = (30,00 + 22,47 – 44,14 – 2·17,45) = – 26,57 Дж/моль∙К.

1/2∙Δb = 1/2∙[Σb (продуктов) – Σb (исходных веществ)];

1/2∙Δb =1/2(10,71 + 201,80 – 9,04 – 2·60,46) 10-3 = 41,28 ·10-3Дж/моль∙К.

1/3∙Δс =1/3∙ [Σс (продуктов) – Σс (исходных веществ)];

1/3∙Δс = 1/3(–3,50 + 2 ·1,117) ·10-6 = –20,42 ·10-6 Дж/моль ·К;

с' = Σс' (продуктов) – Σс' (исходных веществ);

с' = (0,33 + 8,53) ·105 = 8,86 ·105 ж/моль ·К.

5. Вычисляем ∆H0.

Дж

-3

-6

∆H0 = 84970 +бА26,57·298 – 41,28·10 ·298 + 20,42·10

·298 + 8,86 ·10 /298;

∆H0 = 92735,87

/моль.

6. Находим теоретическую зависимость теплового эффекта реакции

от температуры.

Н0T = 92735,87 – 26,57·Т + 41,28·10-3 ·Т2 – 20,42·10-6 ·Т3 – 8,86 ·105/Т.

7. Определим тепловой эффект при Т = 500 К.

Н5000

= 92735,87 – 26,57·500 + 41,28 ·10-3 ·5002 –

– 20,42 ·10-6 ·5003 – 8,86 ·105/500;

Н0500= 85446,37 Дж/моль = 85,45 кДж/моль.

8. Определим, насколько при температуреИТ отличается Qp от Qv.

Qp – Qv =

nRT,

где n – число молей продуктов реакции минус число молей исходных

веществ в газообразном состоянии,

n = 2–3 = –1 кмоль.

Qp – Qv =

nRT = – 8,315∙103∙500 = –4157,5∙103Дж/кмоль.

Лабораторная работа № 1

Определение теплоты растворения соли

Цели работы: определить константу калориметра и удельную интегральную теплоту растворения соли.

Калориметром, или калориметрической системой, называется прибор, в котором определяют тепловой эффект процесса растворения вещества.

Тепловой эффект, сопровождающий процесс растворения одного
грамма (удельная) ли одного моля (молярная) вещества в определенном
калориметра			называется	интегральной			теплотой
количестве		раствор теля,
Срастворен я.
Константой калор метра, или теплоемкостью калориметрической
системы, является кол чество тепла, необходимое для нагревания на 1К
	бА
		вспомогательных устройств.
Константу калор метра, а затем и интегральную теплоту
растворен я		сследуемой соли определяют по уравнению
		Q = [(G + g)·C + K]·(ΔT·M /g),					(5)
где Q – молярная интегральная теплота				растворения		соли,	Дж/моль;
G – масса (навеска) воды, г; g - масса (навеска)					соли,	г; С – удельная
теплоёмкость		раствора соли,	равная 4,103		ж/г·К	(теплоёмкость
разбавленных растворов неорганических солей практически одинакова);
К – константа калориметра, Дж/К; М – молекулярная масса соли, г/моль;
Т – изменение температуры в процессе растворения							соли, С,
определяется графически (рис. 1).
Константу калориметра К рассчитывают из экспериментальных
данных растворения хлорида			калияДв воде и известного значения

1.Залить в калориметрический сосуд 150Исм3 дистиллированной

воды.

2.Взвесить на технических весах около 2 г хлорида калия KCl, предварительно тщательно растертого в ступке.

3.Поместить в калориметрический сосуд термометр таким образом, чтобы ртутный резервуар был полностью покрыт водой.

T, ºC 18
T, ºC 18
	16	F
С

	14
	14
	12
	12
	10


	8
	8
	6
	6
	4
			Е


и2

4. УстановитьбАпредельную скорость движения мешалки, при которой не происходит разбрызгивания воды.

5. Записывать показания термометра через каждые 30 с. Сделать 10…15 отсчётов. Д

6. Высыпать в калориметрический сосуд через воронку навеску хлорида калия. Температура в процессе растворения KCl сначала падает (главный период), затем начинает расти. С начала равномерного повышения температуры сделать ещё 10…15 отсчётовИ.

7. Построить графическую зависимость изменения температуры от

8. Рассчитать константу калориметра по уравнению (5).

9. Для исследуемой соли (Na2CO3, KNO3 и др.) опыт провести в последовательности с 1-го по 7-й пункты.

10. Вычислить молярную интегральную теплоту растворения исследуемой соли Q.

11. Сравнить экспериментальную величину Q исследуемой соли со справочным значением её величины. Определить абсолютную и относительную ошибки эксперимента. Последняя не должна превышать

20%.

1 / 101 2 3 4 5 6 7 8 9 10 > Следующая >>>

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]

#
07.01.20211.39 Mб41607.pdf
#
07.01.20211.39 Mб21608.pdf
#
07.01.20211.39 Mб51609.pdf
#
07.01.2021320.63 Кб3161.pdf
#
07.01.20211.39 Mб71610.pdf
#
07.01.20211.39 Mб431611.pdf
#
07.01.20211.4 Mб111612.pdf
#
07.01.20211.4 Mб41613.pdf
#
07.01.20211.4 Mб51614.pdf
#
07.01.20211.4 Mб41615.pdf
#
07.01.20211.4 Mб31616.pdf

1. ОСНОВЫ ХИМИЧЕСКОЙ ТЕРМОДИНАМИКИ

1.1. Первый закон термодинамики

Практическое занятие № 1