Добавил:

ivanov666 Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.

Вуз:

Башкирский Государственный Аграрный Университет

Предмет:

[НЕСОРТИРОВАННОЕ]

Файл:

Фазовое равновесие. Задачи и упражнения. Учебно-методическое пособие

.pdf

Скачиваний:

Добавлен:

08.09.2026

Размер:

2 Мб

Скачать

☆

1 / 61 2 3 4 5 6 > Следующая >>>

Министерство просвещения Российской Федерации

ФГБОУ ВО «Тульский государственный педагогический университет

им. Л. Н. Толстого»

ФАЗОВОЕ РАВНОВЕСИЕ

Задачи и упражнения

Учебно-методическое пособие

Тула

ТГПУ им. Л. Н. Толстого

2021

ББК 24.5я73 Ф16

Рецензент – кандидат химических наук, доцент Н. А. Макрушин (ООО «НИАП-КАТАЛИЗАТОР», г. Новомосковск)

Ф16

Фазовое равновесие. Задачи и упражнения: Учеб.-метод. пособие

[Электронный ресурс] / Сост. М. Б. Никишина, Ю. М. Атрощенко,

Е. В. Иванова. – Электрон. дан. – Тула: Тул. гос. пед. ун-т им. Л. Н. Толстого, 2021. – 1 электрон. опт. диск (CD-ROM). – Минимальные систем. требования: Intel Celeron 1700 Mhz и выше, 128 Мб RAM, 300 Мб на винчестере, ОС Microsoft Windows 7 и выше,

дисковод

CD-ROM 2x и выше, SVGA 64 Mb; мышь. – Загл. с этикетки диска. – ISBN 978-5-6047369-3-7.

Учебно-методическое пособие представляет собой руководство к лабораторно-

практическим занятиям при изучении раздела «Фазовое равновесие» в курсе дисциплины «Физическая химия». В пособии кратко изложен теоретический материал по фазовым равновесиям в однокомпонентных и двухкомпонентных системах, представлены тестовые задания и задачи для контроля знаний, задачи для самостоятельной работы студентов. Содержание пособия соответствует Государственному образовательному стандарту высшего образования по дисциплине «Физическая химия» для студентов, обучающихся по направлению подготовки «Химия». Пособие может быть использовано студентами нехимических естественнонаучных направлений и профилей подготовки.

ББК 24.5я73

ISBN 978-5-6047369-3-7

 М. Б. Никишина, Ю. М. Атрощенко,

Е. В. Иванова, составление, 2021  ТГПУ им. Л. Н. Толстого, 2021

СОДЕРЖАНИЕ

ПРЕДИСЛОВИЕ ................................................................................................................ 4

I. ФАЗОВОЕ РАВНОВЕСИЕ В ОДНОКОМПОНЕНТНЫХ СИСТЕМАХ .................... 5

Задачи..................................................................................................................... 5

Контроль знаний по теме «Фазовое равновесие в однокомпонентных

системах» ............................................................................................................... 8

II. ФАЗОВОЕ РАВНОВЕСИЕ В ДВУХКОМПОНЕНТНЫХ СИСТЕМАХ ................. 10

2.1. Равновесие жидкость – твердое вещество.

Диаграммы плавления ............................................................................................. 10

Задачи................................................................................................................... 11

Задания для самостоятельной работы ................................................................ 16

Контроль знаний по теме Равновесие жидкость – твердое вещество.

Диаграммы плавления» ....................................................................................... 17

2.2. Равновесие жидкость – пар. Диаграммы кипения ........................................... 29

Задачи................................................................................................................... 30

Задания для самостоятельной работы ................................................................ 33

Контроль знаний по теме «Равновесие жидкость – пар.

Диаграммы кипения.» ......................................................................................... 34

2.3. Равновесие жидкость – жидкость. Экстракция ............................................... 38

Задачи.................................................................................................................. .38

2.4. Диаграммы состояния двухкомпонентных систем,

содержащих жидкости ограниченно растворимые друг в друге ........................... 42

Задачи................................................................................................................... 43

ПРИЛОЖЕНИЕ ................................................................................................................ 46

ЛИТЕРАТУРА.................................................................................................................. 57

ПРЕДИСЛОВИЕ

Раздел «Фазовое равновесие» является одним из наиболее сложных в курсе дисциплины «Физическая химия», при этом его освоение создает необходимый фундамент для последующего изучения химико-технологических, металлургических процессов, а также методов очистки химических веществ. Кроме того, будущему специалисту – учителю химии для изложения большого фактического материала, предусмотренного программой средней школы ходимо освоить теоретические основы, которые излагаются в курсе физической химии (в частности – в разделе «Фазовое равновесие»). Глубоких теоретических знаний требует и успешное изложение учителем факультативных курсов.

Данное пособие представляет собой руководство к лабораторнопрактическим занятиям при изучении раздела «Фазовое равновесие» в курсе дисциплины «Физическая химия». В пособии кратко

изложен теоретический материал по фазовым равновесиям в однокомпонентных и двухкомпонентных системах, а также задачи различной сложности для контроля знаний и самостоятельной работы студентов. Каждая тема завершается тестовыми заданиями, выполнение которых позволит студенту оценить уровень сформированных знаний, умений пользоваться диаграммами, навыков решения задач.

Содержание пособия соответствует Государственному образовательному

стандарту высшего

профессионального образования по дисциплине «Физическая химия» для студентов, обучающихся по специальности 032300 Химия. Пособие разработано для студентов специальности «Химия» и может быть также использовано студентами нехимических естественнонаучных специальностей.

, необ-

I. ФАЗОВОЕ РАВНОВЕСИЕ

В ОДНОКОМПОНЕНТНЫХ СИСТЕМАХ

Условием равновесия между двумя фазами является равенство химических потенциалов (мольных энергий Гиббса) компонента в обеих фазах при постоянстве давления, температуры. Если температура изменяется при постоянном давлении или давление изменяется при постоянной температуре, то равновесие нарушается и одна из фаз исчезает. Условие сосуществования двух фаз при одновременном изменении давления

P и температуры T описывается уравнением

Клапейрона:

где Δ

– мольная энтальпия равновесного фазового перехода (плавление,

ф.п.

испарение, возгонка, переход между модификациями), Δ



пф



пф

– разность моль-

ф.п.



ных объемов фаз, находящихся в равновесии.

В случаях испарения и возгонки, считая, что мольным объемом конденси-

рованной фазы (жидкости или твердого тела)

объемом пара

можно пренебречь и что пар подчиняется уравнению состоя-

пар

по сравнению с мольным

к.ф.

ния идеального газа, уравнение Клаузиуса-Клапейрона принимает вид:



пф





пф



или после преобразования







пф21..



 

 







По этому уравнению можно рассчитать энтальпию испарения или возгонки, исходя из значений давления пара при двух разных температурах.

Задачи

Задача 1.

ратуры плавления льда на 1 Дж/г, удельные объемы жидкой воды и льда равны V и V

тв.

Задача 2. Температура кипения бензола при давлении 101,3 кПа равна 80,1

Оценить давление пара бензола при 25

Рассчитать изменение давления, необходимое для изменения темпе-

C. При 0o C энтальпия плавления льда равна 333,5

= 1,0002 см3/г

ж.

= 1,0908 см3/г.

Задача 3. Плотности жидкого и твердого олова при температуре плавления

(231,9

C) равны 6,980 г/см3 и 7,184 г/см3 соответственно. Энтальпия плавления

олова равна 6,76 кДж/моль. Определить температуру плавления олова под давлением 50,65 кПа.

Задача 4. Вычислить теплоту испарения хлора при Р = 101,3 кПа, если уравне-

ние зависимости давления насыщенного пара от температуры над жидким хлором имеет вид Р = 3,58ꞏ106 - 3,37ꞏ104 Т + 80,11ꞏ Т2.

Задача 5. При замерзании бензола (5,5°С) его плотность изменяется от

0,879 г/см

до 0,891 г/см3. Энтальпия плавления равна 10,59 кДж/моль. Опреде-

лить температуру плавления бензола при давлении 1013,0 кПа.

Задача 6. Плотности жидкой и твердой ртути при температуре плавления

(-38,87°С) равны 13,690 и 14,193 г/см

соответственно. Энтальпия плавления равна 9,786 Дж/г. Определить температуру плавления ртути при давлении 303,9 кПа.

Задача 7. Температура кипения жидкого метанола равна 34,7 °С при давлении

26,7 кПа и 49,9 °С при давлении 53,3 кПа. Найти температуру кипения метанола при нормальном давлении.

Задача 8. Давление пара диэтилового эфира при 10°С равно 38,2 кПа, а при

25°С – 57,7 кПа. Определить мольную энтальпию испарения и нормальную температуру кипения эфира.

Задача 9. Давление пара дихлорметана при 24,1°С равно 53,3 кПа, а его эн-

тальпия испарения

равна 28,7 кДж/моль. Рассчитать температуру, при которой

давление пара будет 66,6 кПа.

Задача 10. Давление пара твердого СО

равно 133 Па при -134,3 °С и 2660 Па

при -114,4 °С. Рассчитать энтальпию возгонки.

Задача 11. Давление пара (мм.рт.ст.) жидкости в интервале температур 200 –

260 К описывается уравнением: lnP = 16,255 – 2501,8/Т. Рассчитать энтальпию испарения и нормальную точку кипения жидкости.

Задача 12. Давление пара (мм.рт.ст.) жидкого бензола С

между 10°С и 80°С

6Н6

описывает, уравнением: lgР = 7,960 - 1780/Т. Рассчитать энтальпию испарения и нормальную точку кипения бензола.

Задача 13. При нагревании ромбическая сера переходит в моноклинную, при

этом изменение объема составляет 0,0138 см3/г. Температура перехода при давлении 101,33 кПа 96,7°С, а ее изменение с давлением определяется коэффициентом dТ/dP = 3,2567ꞏ10-7 кПа. Определить теплоту перехода. Результат расчета сопоставить с величиной, найденной по теплотам сгорания ромбической и моноклинной серы, которые соответственно равны -296,813 и -297,148 кДж/моль.

Задача 14. Зависимость температуры плавления нафталина от давления выра-

жается уравнением Тпл = 80,1 + 0,0371ꞏ10-5Р - 186,99ꞏ10

-18Р2

(давление выражено в Па).

Рассчитать изменение энтальпии при плавлении, если изменение объема 145,8 см3/кг при давлении 101,33 кПа. Результат сопоставить с экспериментальным значением ΔН = 149,8 Дж/г.

Задача 15. Определить теплоту плавления метана при 90,67 К, если зависи-

мость температуры плавления метана от давления в интервале 101,33  20266 кПа выражается уравнением Тпл = 90,667 + 2,6ꞏ10-7Р – 6,147ꞏ10

-16Р2

Изменение объема при плавлении составляет 2,69 см3/моль.

Задача 16. Определить приращение объема при расплавлении 10 кг олова, если

теплота плавления его равна 59,41 Дж/г, температура плавления 232 °С, плотность твердого олова 7,18 г/см3, dT/dP = 3,256ꞏ10-8 К/кПа.

Задача 17. Температура плавления анетола С

О 21,5 °С, а изменение эн-

10Н12

тальпии при плавлении 108 Дж/г. Изменение объема при плавлении составляет 79,3 см3/кг (при 75ꞏ103 гПа). Рассчитать примерное давление, при котором тем-

пература плавления будет равна 100°С, принять dP/dT и ΔН постоянными. Опытная величина давления 410ꞏ103 кПа.

Задача 18. Используя диаграмму состояния воды (рисунок 1) определить:

1. фазовый состав и вариантность системы, представленной на диаграмме фи- гуративными точками (а), (в), (d);

2. какие процессы будут происходить в системе указанной на диаграмме фигуративной точкой (d) при увеличении давления?

3. какие процессы будут происходить в системе указанной на диаграмме фигу-

ративной точкой (в) при уменьшении

температуры? Изобразите кривую охла-

ждения.

Рис. 1 Рис. 2

Задача 19. Используя диаграмму состояния SiO

(рисунок 2) определить:

1. фазовый состав и вариантность системы, представленной на диаграмме фи- гуративными точками (а), (в), (d);

3. какие процессы будут происходить в системе указанной на диаграмме фигуративной точкой (в) при уменьшении температуры? Изобразите кривую охла

ждения.

4. как и на сколько градусов необходимо изменить температуру, чтобы из си-

стемы, изображенной на диаграмме фигуративной точкой (d) получить жидкий кварц?

Контроль знаний по теме

«Фазовое равновесие в однокомпонентных системах»

Задача 1. Плотность кипящего этана и его насыщенного пара при нормальной

температуре кипения –88,6°С соответственно равна 0,546 и 0,00206 г/см3. Вычислить теплоту парообразования при -88,6°С, если зависимость давления насыщенного пара этана от температуры выражается уравнением (Р в гПа)

088661

9336

-, lgР

504256

. Результаты расчета сравнить со справочной величиной

Т,

ΔН = 1470,3 ± 16,7 кДж/моль.

Задача 2. Определить удельный объем жидкого олова при температуре плавле-

ния 232° С (р = 101,3 кПа), если удельная теплота плавления его равна 59,413 Дж/г, плотность твердого олова 7,18 г/см3, dТ/dP = 3,2567ꞏ10-8 К/кПа.

Задача 3. Для зависимости ΔН

метанола от температуры предложено урав-

пар

нение

ΔН

/Т =1116 - 173,6 lnT Дж/мольꞏК.

пар

Насколько повысится температура кипения при увеличении давления на 1,333 гПа при нормальной температуре кипения 64,7°С?

Задача 4. Используя диаграмму состояния серы (рисунок 3) определить:

1. фазовый состав и вариантность системы, представленной на диаграмме фи- гуративными точками (а), (в), (с);

2. какие процессы будут происходить в системе указанной на диаграмме фигуративной точкой (с) при увеличении давления?

3. какие процессы будут происходить в системе указанной на диаграмме фигуративной точкой (в

) при уменьшении температуры? Изобразите кривую охлаж-

дения.

Рис. 3 Рис. 4

Задача 5.

Используя диаграмму состояния углерода (рисунок 4) определить:

1. фазовый состав и вариантность системы, представленной на диаграмме фигуративными точками (а), (в), (с);

3. какие процессы будут происходить в системе указанной на диаграмме фигуративной точкой (в) при

уменьшении температуры? Изобразите кривую охла-

ждения.

4. как и на сколько градусов необходимо изменить температуру, чтобы из си-

стемы, изображенной на диаграмме фигуративной точкой (а) получить жидкий углерод?

II. ФАЗОВОЕ РАВНОВЕСИЕ

В ДВУХКОМПОНЕНТНЫХ СИСТЕМАХ

2.1. Равновесие жидкость – твердое вещество. Диаграммы плавления

Свойства двухкомпонентных твердых систем, находящихся в равновесии с жидкой фазой, изучаются при помощи диаграмм плавкости, выражающих зависимость температуры фазового превращения от состава системы. Диаграммы плавкости строят по кривым охлаждения. Диаграмм плавкости делятся на три вид в зависимости от взаимной растворимости компонентов в твердом состоянии.

1. Оба компонента неограниченно растворимы друг в друге в твердом состоянии и образуют твердые растворы. Такие системы называются изоморфными системами. Неограниченная взаимная растворимость веществ возможна тогда, когда частицы одного из компонентов внедряются в кристаллическую решетку другого компонента. При этом образуются растворы внедрения. Частицы внедряющегося компонента должны обладать размерами, меньшими, чем частицы второго компонента. Другого типа твердый раствор может образоваться, если частицы обоих компонентов по своим свойствам и размерам близки. При этом в твердом состоянии образуются растворы замещения, т. е. частицы растворяющегося компонента замещают постепенно частицы второго компонента в кристаллической решетке. В обоих случаях изоморфных систем возможно непрерывное изменение состава твердого раствора.

2. Компоненты нерастворимы друг в друге в твердом состоянии. В твердом состоянии такие системы образуют смесь кристаллов обоих компонентов. В жидком состоянии компоненты неограниченно растворимы друг в друге. Такие системы называются неизоморфными. При охлаждении системы до некоторой температуры система становится насыщенной относительно одного из компонентов. Из расплава выделяются кристаллы только одного компонента. Такие системы обычно образуют вещества, значительно отличающиеся по свойствам. Неизоморфные системы можно разделить на следующие виды:

1) системы, компоненты которых не образуют химических соединений друг с другом; 2) системы, компоненты которых образуют устойчивые химические соединения друг с другом; 3) системы, компоненты которых образуют неустойчивые химические соединения друг с другом, разлагающиеся при температурах более низких, чем температура плавления этих соединений.

3. Компоненты ограниченно растворимы друг в друге.

1 / 61 2 3 4 5 6 > Следующая >>>

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]