Индивидуальные задания по физической химии
.pdfМинистерство образования и науки Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Пермский национальный исследовательский политехнический университет»
Кафедра химии и биотехнологии
ИНДИВИДУАЛЬНЫЕ ЗАДАНИЯ ПО ФИЗИЧЕСКОЙ ХИМИИ
Методические указания для самостоятельной работы студентов
Издательство Пермского национального исследовательского
политехнического университета
2015
1
Составители: М.М. Соколова, О.И. Бахирева
УДК 544(072.8) И60
Рецензент д-р техн. наук, профессор Н.Б. Ходяшев
(Пермский национальный исследовательский политехнический университет)
Индивидуальные задания по физической химии :
И60 метод. указания для самост. работы студентов / сост. М.М. Соколова, О.И. Бахирева. – Пермь : Изд-во Перм. нац. исслед. политехн. ун-та, 2015. – 57 с.
Приведены многовариантные индивидуальные задания по основным разделам физической химии, а также примеры решения задач и справочная информация, необходимая для расчетов.
Предназначены для самостоятельной работы студентов, изучающих дисциплины «Физическая химия» и «Физическая и коллоидная химия».
УДК 544(072.8)
© ПНИПУ, 2015
2
ОГЛАВЛЕНИЕ |
|
Введение............................................................................................ |
6 |
Модуль 1. Основы химической термодинамики........................... |
6 |
Задание 1.1. Определение тепловых эффектов |
|
химических реакций................................................ |
6 |
Задание 1.2. Определение возможности протекания |
|
химической реакции в стандартных |
|
и нестандартных условиях...................................... |
7 |
Задание 1.3. Химическое равновесие........................................ |
10 |
Модуль 2. Термодинамика растворов. Фазовые равновесия...... |
15 |
Задание 2.1. Определение фазового равновесия |
|
в однокомпонентных системах. |
|
Построение диаграмм состояния |
|
однокомпонентных систем................................... |
15 |
Задание 2.2. Определение фазового равновесия |
|
в двухкомпонентных системах. |
|
Построение диаграмм состояния |
|
двухкомпонентных систем ................................... |
21 |
Модуль 3. Кинетика химических реакций. Катализ ................... |
29 |
Задание 3.1. Определение кинетических характеристик |
|
простых односторонних реакций......................... |
29 |
Задание 3.2. Определение кинетических характеристик |
|
сложных последовательных реакций................... |
34 |
Задание 3.3. Определение энергии активации |
|
и других кинетических констант |
|
химических реакций.............................................. |
36 |
Модуль 4. Основы электрохимии ................................................ |
44 |
Задание 4.1. Определение электропроводности |
|
растворов сильных и слабых электролитов. |
|
Применение законов Оствальда и Кольрауша.... |
44 |
3
Задание 4.2. Определение ЭДС и других |
|
термодинамических характеристик |
|
гальванического элемента .................................... |
47 |
Список рекомендуемой литературы............................................. |
52 |
Приложение 1 ................................................................................. |
53 |
Приложение 2 ................................................................................. |
55 |
Приложение 3 ................................................................................. |
55 |
Приложение 4 ................................................................................. |
56 |
4
ВВЕДЕНИЕ
В настоящее время организация учебного процесса основывается на компетентностном подходе, в соответствии с которым процесс обучения предполагает освоение заданного перечня компетенций, представленного компетентностной моделью выпускника. Значительная часть компетенций должна быть освоена студентами в процессе выполнения самостоятельной работы.
При реализации обучения на основе компетентностного подхода самостоятельная работа студентов по дисциплине требует детального структурирования по видам и формам, позволяющим студентам осваивать самостоятельно знания, умения и навыки, необходимые для эффективнойпрофессиональной деятельности.
Самостоятельная работа студентов по дисциплине «Физическая химия» составляет примерно 50 % от общей трудоемкости и включает следующие формы:
–подготовка к аудиторным занятиям;
–подготовка отчетов о лабораторных работах;
–самостоятельное изучение теоретического материала;
–выполнение индивидуальных заданий.
Содержание дисциплины «Физическая химия» разделено на четыре модуля:
1.Основы химической термодинамики.
2.Термодинамика растворов. Фазовые равновесия.
3.Кинетика химических реакций. Катализ.
4.Основы электрохимии.
Изучение каждого модуля предполагает выполнение 2–3 индивидуальных заданий.
Ниже представлены многовариантные задания к каждому модулю дисциплины с общим для всех вариантов условием. Данные для расчетов к каждому варианту приведены в таблицах. Кроме того, рассмотрены примеры решения основных типов задач. В приложениях дана необходимая для расчетов справочная информация.
5
Модуль 1. ОСНОВЫ ХИМИЧЕСКОЙ ТЕРМОДИНАМИКИ
Задание 1.1. Определение тепловых эффектов химических реакций
Вычислите тепловой эффект образования вещества А из простых веществ при температуре 298 К и стандартномдавлении, если известна его энтальпия сгорания при этой температуре и стандартном давлении (табл. 1). При вычислении следует принять, что конечнымипродуктами сгорания являются СО2(г), Н2О(ж), N2(г).
|
|
|
|
Таблица 1 |
|
|
|
|
|
|
|
Номер |
Вещество А |
Формула |
Состояние |
∆Нсгор, кДж |
|
варианта |
|
|
|
|
моль |
1 |
Мочевина |
СН4N2О |
т |
|
–632,20 |
2 |
Нитрометан |
СН3NО2 |
ж |
|
–708,77 |
3 |
Ацетальдегид |
С2Н4О |
г |
|
–1193,07 |
4 |
Этилацетат |
С4Н8О2 |
ж |
|
–2246,39 |
5 |
Глицерин |
С3Н8О3 |
ж |
|
–1661,05 |
6 |
Диметиламин |
С2Н7N |
ж |
|
–1768,59 |
7 |
Ацетон |
С3Н6О |
ж |
|
–1785, 73 |
8 |
Пентан |
С5Н12 |
г |
|
–3536,15 |
9 |
Триметиламин |
С3Н9N |
г |
|
–2442,92 |
10 |
Пропанол-1 |
С3Н8О |
ж |
|
–2010,41 |
11 |
Бутан |
С4Н10 |
г |
|
–2877,13 |
12 |
Амиловый спирт |
С5Н12О |
ж |
|
–3320,84 |
13 |
Фенол |
С6Н6О |
т |
|
–3063,52 |
14 |
Гидрохинон |
С6Н6О2 |
т |
|
–2860,60 |
15 |
Анилин |
С6Н7N |
ж |
|
–3396,20 |
16 |
Бензойная кислота |
С7Н6О2 |
т |
|
–3226,70 |
17 |
Пиридин |
С5Н5N |
ж |
|
–2755,16 |
18 |
Стеариновая кислота |
С18Н36О2 |
т |
|
–11274,60 |
19 |
Толуол |
С7Н8 |
ж |
|
–3947,94 |
20 |
Октан |
С8Н18 |
ж |
|
–5470,58 |
21 |
Нафталин |
С10Н8 |
т |
|
–5156,78 |
6 |
|
|
|
|
|
|
|
|
Окончание |
табл. 1 |
|||
Номер |
Вещество А |
|
Формула |
Состояние |
∆Нсгор, кДж |
||
варианта |
|
|
|
|
|
|
моль |
22 |
Гексан |
|
С6Н14 |
|
г |
|
–4194,75 |
23 |
Изобутан |
|
С4Н10 |
|
г |
|
–2868,76 |
24 |
Сахароза |
|
С12Н22О11 |
|
т |
|
–5646,73 |
25 |
Уксусная кислота |
|
С2Н4О2 |
|
ж |
|
–874,58 |
26 |
Камфора |
|
С10Н16О |
|
т |
|
–5924,84 |
27 |
Бутанол |
|
С4Н10О |
|
ж |
|
–2671,90 |
28 |
Формальдегид |
|
СН2О |
|
г |
|
–561,07 |
29 |
Щавелевая кислота |
|
С2Н2О4 |
|
т |
|
–251,88 |
30 |
Антрацен |
|
С14Н10 |
|
т |
|
–7067,45 |
Теплоты сгорания простых веществ указаны в следующих |
|||||||
уравнениях: |
|
|
|
|
|
|
|
|
С(графит) + О2(г) |
= СО2(г) + 393,51 |
кДж ; |
|
|||
|
|
|
|
|
моль |
|
|
|
Н2(г) + 1 О2(г) |
= Н2О(ж) + 285,83 |
кДж . |
|
|||
|
2 |
|
|
|
моль |
|
|
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 вприл. 1):
1.По значениям стандартных энтальпий образования уча-
ствующих в реакции веществ H0f,298 вычислите тепловой эффект реакции при стандартных условиях H0298. Выделяется или поглощается тепло при протекании реакции? Эндоили экзотермической является данная реакция?
2.Для исходных веществ и продуктов реакции определите
величины средних теплоемкостей |
С |
P |
в диапазоне температур |
||
298–Т и изменение теплоемкости |
|
|
P |
в ходе реакции. Пользу- |
|
|
С |
||||
ясь законом Кирхгофа, вычислите тепловой эффект реакции
7
HT0 при температуре T и стандартном давлении с учетом вели-
чины |
С |
P . |
|
|
|
|
|
|
Таблица 2 |
|
|
|
|
|
Номер |
|
Реакция |
Т, К |
|
варианта |
|
|||
|
|
|
||
1 |
|
|
4NH3(г) + 5O2(г) = 4NO(г) + 6H2O(г) |
550 |
2 |
|
|
4HCl(г) + O2(г) = 2Cl2(г) + 2H2O(г) |
500 |
3 |
|
|
2KOH(т) + CO2(г) = K2CO3(т) + H2O(г) |
400 |
4 |
|
|
2NaHCO3(т) = Na2CO3(т) + H2O(г) + CO2(г) |
400 |
5 |
|
|
2CuS(т) + 3O2(г) = 2CuO(т) + 2SO2(г) |
650 |
6 |
|
|
Fe3O4(т) + 4H2(г) = 3Fe(т) + 4H2O(г) |
500 |
7 |
|
|
2H2S(г) + 3O2(г) = 2SO2(г) + 2H2O(г) |
700 |
8 |
|
|
Mg(OH)2(т) = MgO(т) + H2O(г) |
500 |
9 |
|
|
CS2(г) + 3O2(г) = CO2(г) + 2SO2(г) |
900 |
10 |
|
|
MgCO3(т) = MgO(т) + CO2(г) |
500 |
11 |
|
|
Fe2O3(т) + 3H2(г) = 2Fe(т) + 3H2O(г) |
800 |
12 |
|
|
Ca(OH)2(т) + CO2(г) = CaCO3(т) + H2O(г) |
500 |
13 |
|
|
BaO(т) + CO2(г) = BaCO3(т) |
600 |
14 |
|
|
4HBr(г) + O2(г) = 2Br2(г) + 2H2O(г) |
900 |
15 |
|
|
4NH3(г) + 3O2(г) = 2N2(г) + 6H2O(г) |
750 |
16 |
|
|
SnO2(т) + 2H2(г) = Sn(т) + 2H2O(г) |
1200 |
17 |
|
|
4FeS2(т) + 11O2(г) = 2Fe2O3(т) + 8SO2(г) |
900 |
18 |
|
|
2H2S(г) + O2(г) = 2H2O(г) + S2(г) |
500 |
19 |
|
|
FeO(т) + H2(г) = Fe(т) + H2O(г) |
750 |
20 |
|
|
CaO(т) + H2O(г) = Ca(OH)2(т) |
500 |
21 |
|
|
Al2O3(т) + 3SO3(г) = Al2(SO4)3(т) |
600 |
22 |
|
|
2NO(г) + O2(г) = 2NO2(г) |
800 |
23 |
|
|
2NiS(т) + 3O2(г) = 2NiO(т) + 2SO2(г) |
900 |
24 |
|
|
TiO2(т) + 2H2(г) = Ti(т) + 2H2O(г) |
1500 |
25 |
|
|
PbO(т) + SO3(г) = PbSO4(т) |
800 |
26 |
|
|
4CO(г) + 2SO2(г) = 4CO2(г) + S2(г) |
700 |
27 |
|
|
CO(г) + H2O(г) = CO2(г) + H2(г) |
600 |
28 |
|
|
Fe2O3(т) + 3CO(г) = 2Fe(т) + 3CO2(г) |
1300 |
29 |
|
|
SnO2(т) + 2CO(г) = Sn(т) + 2CO2(г) |
1500 |
30 |
|
|
2ZnS(т) + 3O2(г) = 2ZnO(т) + 2SO2(г) |
700 |
8 |
|
|
|
|
3.Выведите для реакции функциональную зависимость изменения молярной изобарной теплоемкости от температуры:
СP0 = f(T).
4.Вычислите величину HT0 , пользуясь законом Кирхгофа
и установленной 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 S0298 вычислите изменение энтропии реакции при стандартных условиях S0298.
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. Вычислите изменение энергии Гиббса G0298 реакции, протекающей 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, считая, что HT0 и ST0 не зависят от температуры (метод Улиха). Постройте график зависимости GT0 от температуры. Сделайте
вывод о влиянии температуры на вероятность самопроизвольного протекания процесса в прямом направлении.
9. Вычислите изменение энергии Гиббса GT0 реакции, протекающей при температуре T и стандартном давлении, учи-
9
тывая зависимость HT0 и ST0 от температуры. Сравните полученные значения GT0 с величиной изменения энергии Гиббса, рассчитанной по методу Улиха, и оцените их расхождение.
Задание 1.3. Химическое равновесие
Газообразные вещества А и Б реагируют с образованием газообразного вещества В (табл. 3).
|
|
|
Таблица 3 |
|
|
|
|
Номер |
Уравнение реакции |
Номер |
Уравнение реакции |
варианта |
варианта |
||
1 |
А + Б = 1/2В |
16 |
3/2А + Б = 3/2В |
2 |
1/2А + Б = В |
17 |
А + 3Б = 3В |
3 |
3А + Б = 2В |
18 |
3А + Б = В |
4 |
2А + 3Б = 3В |
19 |
А + 2Б = 2В |
5 |
2А + 1/2Б = 2В |
20 |
2А + 2Б = 1/2В |
6 |
3А + 1/2Б = В |
21 |
А + Б = В |
7 |
А + 2Б = В |
22 |
2А + 2Б = В |
8 |
А + Б = 3В |
23 |
2А + 2Б = 3В |
9 |
1/2А + Б = 2В |
24 |
3А + 3Б = 2В |
10 |
1/2А + Б = 3В |
25 |
1/2А + Б = 1/2В |
11 |
2А + 1/2Б = 3В |
26 |
1/2А + 1/2Б = 2В |
12 |
2А + 3Б = 2В |
27 |
А + Б = 3/2В |
13 |
3А + 1/2Б = 3В |
28 |
2А + 2Б = 3/2В |
14 |
3А + 1/2Б = 2В |
29 |
3/2А + 1/2Б = В |
15 |
1/2А + 1/2Б = 3В |
30 |
3/2А + Б = 3/2В |
Выполните следующие задания для данной реакции:
1.Выразите константы равновесия KP и Kc через равновесное количество вещества В, равное x, если исходные вещества А
иБ взяты в стехиометрических количествах при общем давлении в системе P и температуре T, К.
2.Рассчитайте KP и Kc при Т = 300 К, если Р = 7,5·104 Па, x = 0,45.
10