634

Министерство сельского хозяйства Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Пермская государственная сельскохозяйственная академия

имени академика Д.Н. Прянишникова»

Л.П Юнникова, Н.Н. Яганова, И.Д. Якимова

ФИЗИЧЕСКАЯ И КОЛЛОИДНАЯ ХИМИЯ

ОПОРНЫЙ КОНСПЕКТ, ВОПРОСЫ И ЗАДАНИЯ ДЛЯ ПОДГОТОВКИ К СЕМИНАРАМ, ВАРИАНТЫ ДОМАШНИХ ЗАДАНИЙ

Пермь ФГБОУ ВПО Пермская ГСХА

2012

1

УДК 541.1 (075) + 541.18(075)

ББК 24.5

Ю 539

Рецензенты:

Е.В. Пименова, кандидат химических наук, доцент, зав.кафедрой экологии Пермской государственной сельскохозяйственной академии имени академика Д.Н. Прянишникова;

А.Б. Шеин, доктор химических наук, профессор, декан химического факультета Пермского государственного научноисследовательского университета.

Ю-539 Юнникова, Л.П. Физическая и коллоидная химия [Текст]: учебное пособие. Опорный конспект, вопросы и

задания для подготовки к семинарам, варианты домашних заданий / Л.П. Юнникова, Н.Н. Яганова, И.Д. Якимова; М-во с.-х. РФ, ФГБОУ ВПО Пермская ГСХА. – Пермь: Изд-во ФГБОУ ВПО Пермская ГСХА, 2012. - 145 с.

УДК 541.1 (075) + 541.18(075) ББК 24.5

Печатается по решению методической комиссии факультета почвоведения, агрохимии, экологии и товароведения Пермской государственной сельскохозяйственной академии имени академика Д.Н. Прянишникова.

© ФГБОУ ВПО Пермская ГСХА, 2012

2

СОДЕРЖАНИЕ

Введение………………………………………………………..4

Список сокращений……………………………………….…...6 Основные разделы:

Тема 1. Химическая термодинамика…………………..…...7 Тема 2. Кинетика и катализ………………………………..12 Тема 3. Растворы неэлектролитов………………………...21 Тема 4. Растворы электролитов………………………...…38

Тема 5. Реакции среды водных растворов. Буферные растворы…………………………………………………….53

Тема 6. Электропроводность растворов электролитов..…66 Тема 7. Электрохимия……………………………………...79 Тема 8. Поверхностные явления. Адсорбция…..…….....102 Тема 9. Коллоидное состояние вещества …….…………112

Контрольные вопросы по дисциплине в целом……………122 Библиографический список…………………………………125 Словарь терминов и персоналий……………………..…..…126

Приложение………………………………………………..…130

3

ВВЕДЕНИЕ

Учебное пособие предназначено для самостоятельной работы студентов по курсу физической и коллоидной химии. Индивидуальные домашние задания помогают осуществить контроль при рейтинговой системе оценки знаний.

Учебное пособие по физической и коллоидной химии содержит опорный конспект по основным темам дисциплины, включающий подробные примеры решения типовых задач. Пособие содержит вопросы для подготовки к семинарским занятиям, варианты индивидуальных домашних заданий, приложение с набором необходимых справочных данных и вопросы для подготовки.

Цель издания – помочь студентам развить навыки самостоятельной работы с учебным и справочным материалом, освоить различные методы расчетов по курсу физической и коллоидной химии.

Пособие предназначено для самостоятельной работы студентов по курсу «Физическая и коллоидная химия» очной и заочной форм обучения.

Индивидуальные домашние задания помогают осуществить контроль при рейтинговой системе оценки знаний.

Пособие состоит из 9 глав, каждая из которых содержит опорный конспект основных положений теории, примеры решения типовых задач, 15 вариантов индивидуальных домашних заданий и вопросы для подготовки к семинарам и итоговому контролю. В приложении приведены необходимые справочные данные.

Для выполнения индивидуального домашнего задания необходимо:

4

1. Ознакомиться с опорным конспектом по заданной теме. Особо отметить сложный и неизвестный материал.

2.Изучить материал данной темы по одному или нескольким учебникам, приведенным в библиографическом списке.

3.После проработки материала учебника попытаться самостоятельно ответить на вопросы для подготовки к семинару. Неясные вопросы отметить и выяснить их на консультации у преподавателя.

4.Разобрать примеры решения типовых задач.

5.Решить индивидуальное домашнее задание. Если при выполнении задания возникают трудности, обратиться за консультацией к преподавателю.

Умение правильно решать индивидуальное домашнее

задание является гарантией того, что Вы овладели материалом данной темы.

Индивидуальные задания выполняются в отдельной тетради. Условия задания переписываются полностью. После каждого вопроса приводится ответ.

При решении расчетных задач следует оформить краткую запись их условий.

5

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ

ат - атмосферное давление; а.р. – анализируемый раствор;

г - газообразное агрегатное состояние; ж – жидкое агрегатное состояние;

к – кристаллическое агрегатное состояние; конц – концентрированный раствор;

Kk – константа диссоциации кислоты; KO – константа диссоциации основания; KW – ионное произведение воды;

нас – насыщенный раствор; ПАВ – поверхностно-активное вещество; рН – водородный показатель; рОН- гидроксильный показатель; Росм – осмотическое давление; станд – стандартный;

t зам. – температура замерзания; t кип. – температура кипения; ЭДС – электродвижущая сила.

6

Тема 1. ХИМИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА

Химическая термодинамика изучает законы взаимного превращения различных видов энергии в химических процессах.

Первое начало термодинамики является по существу законом сохранения и передачи энергии.

Теплота (Q), подводимая к системе, расходуется на повышение внутренней энергии системы (ΔU) и совершение работы (А) против внешних сил:

(1.1)

Термохимия. Химические реакции часто сопровождаются выделением (экзотермический процесс) или поглощением (эндотермический процесс) энергии.

Изохорный процесс. Химическая реакция протекает при постоянном объеме:

V const; V 0; A P V 0;

Тепловой эффект химической реакции изохорного процесса равен изменению внутренней энергии системы.

Изобарный процесс. Химическая реакция протекает

QP H, кДж моль; H U P V ,

где Н - энтальпия.

Тепловой эффект химической реакции изобарного процесса равен изменению энтальпии.

7

Закон Гесса. Тепловой эффект химической реакции зависит от исходного и конечного состояния системы и не зависит от промежуточных состояний.

где ni - стехеометрические коэффициенты продуктов и реагентов в уравнении химической реакции;

Н0 - изменение энтальпии в стандартных условиях

(Т = 298К, Р = 101,3кПа), кДж/моль.

Н< 0 - экзотермический процесс;

Н> 0 - эндотермический процесс.

Второе начало термодинамики определяет возможность самопроизвольного протекания процесса в заданных условиях.

H G Q ,

где ΔG - свободная энергия системы

потенциал – часть внутренней энергии, может быть совершена работа;

Q - связанная или обесцененная энергия - часть внутренней энергии, которая не может быть превращена в

где Т - температура, К;

∆S - энтропия системы (мера обесценивания энергии или мера «беспорядка», хаоса), Дж/моль∙К.

Подставив уравнение (1.6) в уравнение (1.5), получим:

При нормальных условиях энергию Гиббса можно рассчитать по формуле:

где S0 – изменение энтропии системы в стандартных условиях, Дж/моль∙К.

Таблица 1

Анализ уравнения (1.7)

Возможность протекания самопроизвольного процесса в заданном направлении

∆G< 0 – возможность протекания процесса в прямом направлении;

∆G = 0 – условие химического равновесия в системе;

∆G > 0 – протекание прямого процесса невозможно.

Пример 1.1. Вычислить стандартные изменения энтропии, энтальпии и свободной энергии химической реакции:

2Н2 + О2 = 2Н2О(пар)

и сделать заключение о характере процесса, возможности самопроизвольного протекания реакции в стандартных условиях (Т = 298К, Р = 101,3кПа). Стандартные значения

Н0 и S0 находим в табл.1 (приложение).

Решение

1. Вычислить по закону Гесса (1.4) изменение энтальпии химической реакции:

Нх0. р. 2 НН0 2О 2 НН0 2 НО02

Нх0. р. 2 ( 241,84) 2 0 0 483,68кДж

Н х0. р. 0. Реакция экзотермическая.

2. Вычислить изменение энтропии химической реакции по уравнению (1.9):

S х0. р. 2 SH0 2O 2 SH0 2 SO02

Sх0. р. 2 188,74 2 130,6 205,03 88,5 Дж К 0,0885кДж К.

3. Вычислить изменение свободной энергии химической реакции, используя основное уравнение термодинамики (1.7):

Gх0. р. Н х0. р. Т Sх0. р.

Gх0. р. 483,68 298 ( 0,0885) 457,31кДж.

10