Физическая химия

Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Пермский национальный исследовательский политехнический университет»

Кафедра химии и биотехнологии

ФИЗИЧЕСКАЯ ХИМИЯ

Методические указания и контрольные задания для студентов заочной формы обучения

Направление: 151000.62 «Технологические машины и оборудование» Профиль подготовки бакалавра: «Оборудование нефтегазопереработки»

Издательство Пермского национального исследовательского

политехнического университета

2015

1

Составители:

О.И. Бахирева, М.М. Соколова, Н.Б. Ходяшев, Л.С. Пан

УДК 544(072.8) Ф50

Рецензент канд. хим. наук, доц. Т.К. Томчук

(Пермский национальный исследовательский политехнический университет)

Физическая химия: метод. указания и контр. задания Ф50 для студентов заочной формы обучения / сост. О.И. Бахирева [и др.]. – Пермь: Изд-во Перм. нац. исслед. политехн.

ун-та, 2015. – 37 с.

Приведены программа для подготовки к экзамену и многовариантные индивидуальные задания для контрольной работы по физической химии, а также примеры с решениями и справочная информация, необходимая для расчетов.

Предназначены для студентов заочной формы обучения по направлению 151000.62 «Технологические машины и оборудование», по профилю подготовки бакалавров «Оборудование нефтегазопереработки».

УДК 544(072.8)

© ПНИПУ, 2015

2

3

ОБЩИЕ МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

Дисциплина «Физическая химия» относится к вариативной части цикла математических и естественно-научных дисциплин и является необходимой при освоении основной образовательной программы по направлению 151000.62 «Технологические машины и оборудование».

Цель дисциплины – изучение физической химии, являющейся теоретической базой химико-технологических процессов; формирование осознанной необходимости применения знания законов, методов физической химии при решении проблем, возникающих в ходе профессиональной деятельности.

Предметом изучения дисциплины являются: основные методы физической химии; законы термодинамики и кинетики; химические процессы, гомогенные игетерогенные взаимодействия.

В результате изучения дисциплины обучающийся должен:

знать:

–начала термодинамики и основные уравнения химической термодинамики,

–методы термодинамического описания химических равновесий,

–уравнения формальной кинетики,

–особенности кинетикигомогенных игетерогенных реакций,

–способы управления скоростями и направлениями химических процессов;

уметь:

–определять по справочным данным энергетические характеристики индивидуальных веществ, термодинамические характеристики химических реакций,

–составлять энергетический баланс процессов,

–определять движущие силы и возможности протекания процессов,

–проводитькинетические исследования ирасчетыпроцессов,

4

–составлять кинетические уравнения в дифференциальной

иинтегральной формах для простых реакций,

–прогнозировать влияниетемпературына скоростьпроцесса,

–применять современное физическое оборудование и приборы при решении практических задач;

владеть:

–методами термодинамического описания химических равновесий,

–навыками вычисления тепловых эффектов химических реакций при заданной температуре в условиях постоянства давления или объема,

–навыками вычисления констант равновесия химических реакций при заданной температуре,

–методами кинетического анализа гомогенных и гетерогенных реакций,

–методами определения констант скоростей реакций различных порядков по результатам кинетического эксперимента,

–навыками самостоятельной работы при проведении физи- ко-химических исследований,

–навыками работы с основными физическими приборами. Основной вид учебных занятий студентов заочной формы

обучения – самостоятельная работа над учебным материалом. По курсу физической химии она слагается из следующих элементов: посещение установочных лекций; изучение материала по учебникам и учебным пособиям; выполнение контрольных заданий; выполнение лабораторного практикума; посещение индивидуальных консультаций; сдача экзамена.

По курсу физической химии студент заочной формы обучения должен выполнить одну контрольную работу. Контрольная работа включает в себя два модуля и охватывает вопросы по термодинамике химических реакций, химическому равновесию, химической кинетике.

Вначале каждого модуля изложена программа для подготовки к экзамену. Далее приведены задания с общим для всех вариантов условием. Данные к каждому варианту помещены

5

в таблицах, а необходимая для расчетов справочная информация – в приложениях. В конце каждого модуля рассматриваются примеры решения задач.

Решения задач и ответы на вопросы должны быть коротки, но четко обоснованы, за исключением тех случаев, когда по существу вопроса такая мотивировка не требуется. При решении задач нужно приводить все математические преобразования, избирая простейший путь решения. Нельзя переписывать текст из учебника или учебных пособий.

Контрольная работа должна быть аккуратно оформлена. Для замечаний рецензента надо оставлять достаточно широкие поля, писать четко и ясно. В работах номера и условия задач следует переписывать в том порядке, в каком они указаны в задании.

Контрольная работа, выполненная не по своему варианту, преподавателем не рецензируется и не зачитывается. Вариант указывает преподаватель. Контрольная работа выполняется в тетради школьного типа, на лицевой стороне которой приводятся следующие сведения:

ФИЗИЧЕСКАЯ ХИМИЯ Контрольная работа № ______ вариант № ______

студента ПНИПУ группы ____________________

направление _______________________________

профиль ___________________________________

___________________________________________

фамилия, имя, отчество

Вконце работы должны быть указаны дата ее окончания

иподпись лица, выполнившего работу. Обсуждение контрольных заданий и вопросов может проходить дистанционно, через Интернет. Конечные варианты контрольных работ должны быть представлены в рукописном виде, набранные на компьютере или сканированные работы не принимаются.

6

Модуль 1 ОСНОВЫ ХИМИЧЕСКОЙ ТЕРМОДИНАМИКИ

Основы химической термодинамики, начала термодинамики. Первый закон термодинамики. Основные понятия

иопределения химической термодинамики. Теплота и работа – формы передачи энергии. Внутренняя энергия системы. Формулировки и уравнения первого закона термодинамики. Термодинамические функции. Теплота процесса при постоянном объеме и постоянном давлении. Энтальпия. Закон Гесса. Тепловой эффект процесса. Способы вычисления тепловых эффектов химических реакций. Теплоемкость истинная и средняя. Зависимость теплоемкости от температуры. Расчет средней теплоемкости по данным для истинной. Связь между теплоемкостями CP

иCV. Зависимость теплового эффекта от температуры. Уравнение Кирхгофа.

Второй закон термодинамики. Самопроизвольные и неса-

мопроизвольные процессы. Термодинамически обратимые и необратимые процессы. Термодинамическое равновесие. Превращение теплоты в работу. Энтропия. Формулировки и уравнения второго закона термодинамики для обратимых и необратимых процессов. Изменение энтропии в различных процессах. Изменение энтропии в изолированной системе как критерий направления процесса. Энергия Гиббса и энергия Гельмгольца. Изменение энергии Гиббса и энергии Гельмгольца – критерии направления процесса и равновесия в неизолированных системах. Характеристические функции. Зависимость энергии Гиббса от температуры. Уравнения Гиббса – Гельмгольца. Термодинамические характе-

ристики химической реакции. Методы расчета GТ0 .

Химическое равновесие, термодинамическая теория хи-

мического сродства. Закон действующих масс. Константа равновесия гомогенной химической реакции. Выражение констант равновесия через парциальные давления, концентрации, моль-

7

ные доли. Уравнение изотермы химической реакции ВантГоффа. Константа равновесия гетерогенной реакции. Особенности выражения константы равновесия для гетерогенной реакции. Влияние внешних факторов на химическое равновесие. Зависимость константы равновесия от температуры. Уравнения изобары и изохоры реакции.

Задание 1.1. Определение тепловых эффектов химических реакций

Вычислите тепловой эффект образования вещества А из простых веществ при температуре 298 К и стандартном давлении, если известна его энтальпия сгорания при этой температуре и стандартном давлении (табл. 1). При вычислении следует принять, что конечные продукты сгорания СО2(г), Н2О(ж), N2(г).

8

Задание 1.2. Определение возможности протекания химической реакции в стандартных

и нестандартных условиях

Выполните следующие девять заданий для данной реакции (табл. 2) (справочные величины, необходимые для расчетов, возьмите в прил. 1):

1. По значениям стандартных энтальпий образования участвующих в реакции веществ H0f,298 вычислите тепловой эффект реакции при стандартных условиях H0298. Выделяется или

9

поглощается тепло при протекании реакции? Эндоили экзотермической является данная реакция?

2. Для исходных веществ и продуктов реакции определите величины средних теплоемкостей СP в диапазонетемператур298– Т и изменение теплоемкости СP в ходе реакции. Пользуясь законом Кирхгофа, вычислите тепловой эффект реакции HT0 при

температуреT истандартномдавлении сучетомвеличины СP . 3. Выведите для реакции функциональную зависимость изменения молярной изобарной теплоемкости от температуры:

СP0 = f(T).

4.Вычислите величину HT0 , пользуясь законом Кирхгофа

иустановленной функциональной зависимостью СP0 = f (T).

Как влияет увеличение температуры на величину теплового эффекта реакции?

5. Качественно оцените знак изменения энтропии S при протекании реакции. Объясните полученный результат. По значениям стандартных энтропий участвующих в реакции веществ

S2980 вычислите изменение энтропии реакции при стандартных

условиях S2980 .

6. Используя функциональную зависимость СP0 = f (T), вычислите изменение энтропии реакции ST0 при температуре T и стандартном давлении. Как влияет повышение температуры на величину ST0 ?

7. Качественно оцените вероятность самопроизвольного протекания реакции при высоких и низких температурах. Вы-

числите изменение энергии Гиббса G2980 реакции, протекаю-

щей при стандартных условиях. Возможно ли самопроизвольное протекание процесса при стандартных условиях? Определите температуру T0, при которой реакция меняет свое направление.

8. Вычислите изменение энергии Гиббса GT0 реакции, протекающей при стандартном давлении и температуре T, счи-

10