до розрахи з фізхімії

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ “ЛЬВІВСЬКА ПОЛІТЕХНІКА”

ФІЗИЧНА ТА КОЛОЇДНА ХІМІЯ

(частина I)

МЕТОДИЧНІ ВКАЗІВКИ ТА ЗАВДАННЯ ДО САМОСТІЙНОЇ РОБОТИ

для студентів базового напрямку 1102 “Фармація”

Затверджено на засіданні кафедри

фізичної та колоїдної хімії протокол №1 від 29.08.03

Львів – 2003

Фізична та колоїдна хімія (частина I). Методичні вказівки та завдання до самостійної роботи для студентів базового напрямку 1102 “Фармація” / Укл.: Ван-Чин-Сян Ю.Я., Павловський Ю.П., Герасимчук С.І. – Львів: Видавництво Національного університету “Львівська політехні-

ка”, 2003. – 25 с.

2

ЗАГАЛЬНІ МЕТОДИЧНІ ВКАЗІВКИ

Коло проблем, які вивчає фізична хімія, - різноманітні властивості речовин в залежності від їх хімічного складу, будови та зовнішніх умов; вплив зовнішніх умов та дій на протікання хімічних реакцій та супутніх їм фізичних процесів.

Основне завдання фізичної хімії – передбачення напряму хімічного чи фізичного процесу та його результату, а також встановлення зв’язку між будовою речовини та її реакційною здатністю, біологічною, фізіологічною та терапевтичною дією то що.

Знання основ фізичної хімії необхідне студентам базового напряму “Фармація” не тільки для вивчення наступних хімічних, фармацевтичних та технологічних дисциплін, а й для їх майбутньої професійної діяльності.

Завданням курсу фізичної та колоїдної хімії для студентів базового напряму “Фармація” є навчання основним методам фізичної хімії - термодинамічному та кінетичному, в застосуванні до гомогенних, гетерогенних, та мікрогетерогенних (колоїдних) систем, які складають фундамент сучасних знань в галузі теорії та практики проведення технологічних процесів та наукових досліджень.

Дані методичні вказівки допоможуть студентам краще засвоїти матеріал теоретичного та лабораторного курсів та підготуватись до модульних контролів та семестрового екзамену.

В першій частині методичних вказівок приводиться програма курсу, контрольні питання та задачі для самостійної роботи до розділів: “Закони хімічної термодинаміки”, “Хімічна рівновага”, “Фазова рівновага в одно та багатокомпонентних системах” та “Термодинаміка розчинів”.

Програма курсу та контрольні питання до першого модульного контролю

Розділ 1. Закони хімічної термодинаміки

Закони хімічної термодинаміки. Перший закон термодинаміки. Теплота, робота, внутрішня енергія, ентальпія, теплоємність. Тепловий ефект реакції. Закон Гесса, рівняння Кірхгофа, їх застосування для розрахунку теплових ефектів реакції з використанням таблиць стандартних величин. Наближені методи розрахунку теплових ефектів реакцій.

Другий закон термодинаміки. Оборотні та необоротні процеси. Ентропія, енергія Гіббса та Гельмгольца - як критерії рівноваги та спрямування процесів, їх залежність від температури та тиску. Третій закон термодинаміки, постулат Планка, визначення абсолютної ентропії речовин. Розрахунок ентропії, енергій Гіббса та Гельмгольца хімічних реакцій з використанням таблиць стандартних величин. Статистичний характер другого закону термодинаміки.

Направленість процесів у відкритих системах. Хімічний потенціал.

1.Дайте визначення поняття "робота". В яких одиницях вимірюється ця величина?

2.Дайте визначення поняття "теплота". В яких одиницях вимірюється ця величина?

3.Дайте визначення поняття "внутрішня енергія". В яких одиницях вимірюється ця величина?

4.Дайте визначення поняття "ентальпiя". В яких одиницях вимiрюється ця величина?

5.Дайте визначення поняття "теплоємність". В яких одиницях вимiрюється ця величина?

6.Дайте визначення поняття "ентропія". В яких одиницях вимiрюється ця величина?

7.Дайте визначення понять "оборотний та необоротний процеси". В чому рiзниця мiж ними?

8.Дайте визначення поняття "самовільний та несамочинний процеси". В чому рiзниця мiж ними?

9.Дайте визначення поняття "енергiя Гiббса". В яких одиницях вимiрюється ця величина?

3

10.Дайте визначення поняття "енергiя Гельмгольца". В яких одиницях вимiрюється ця величина?

11.За яким рівнянням можна розрахувати змiну внутрiшньої енергiї n моль iдеального газу при його iзохоричному нагрiваннi .

12.За яким рiвнянням можна розрахувати роботу розширення n моль ідеального газу, при сталому тиску p, якщо його об’єм збiльшився при цьому вiд 2 м3 до 10 м3?

13.За яким рiвнянням можна розрахувати змiну ентальпiї n моль одноатомного iдеального газу при iзобаричному нагрiваннi його вiд Т1 до Т2?

14.За яким рiвнянням можна розрахувати кiлькiсть теплоти, що надана n моль двохатомного iдеального газу при сталому тиску, якщо його температура підвищилась на 100К?

15.За яким рiвнянням можна розрахувати кiлькiсть теплоти, що надана n моль двохатомного iдеального газу при сталому об'ємi, якщо його температура підвищилась на 100К?

16.За яким рiвнянням можна розрахувати енергiю Гельмгольца n моль iдеального газу, при сталiй температурi Т, якщо його об’єм збiльшився при цьому у 100 разiв?

17.За яким рiвнянням можна розрахувати енергiю Гiббса n моль iдеального газу, при сталiй температурi Т, якщо його об’єм збiльшився при цьому у 100 разiв?

18.За яким рiвнянням можна розрахувати роботу розширення n моль iдеального газу, при сталiй температурi Т, якщо його об’єм збiльшився при цьому в 10 разiв?

19.За яким рiвнянням можна розрахувати роботу розширення n моль iдеального газу, при сталому тиску p, якщо його об’єм збiльшився при цьому вiд 2 до 10 м3?

20.За яким рiвнянням можна розрахувати кiлькiсть теплоти, що надана n моль одноатомного iдеального газу при сталому об'ємi, якщо його температура підвищилась на 100 К?

21.У якому випадку теплота процесу дорiвнює змiнi внутрiшньої енергiї системи?

22.Яке спiввiдношення мiж ентальпiєю та внутрiшньою енергiєю системи?

23.При iзобаричному нагрiваннi 1 моля одноатомного газу i 1 моля двохатомного газу температура збільшилась на однакову величину. Для якого iз цих газiв змiна ентальпiї буде бiльшою?

24.У якому випадку ентропiя є критерiєм спрямування процесу?

25.У якому випадку енергiя Гiббса є критерiєм спрямування?

26.У якому випадку енергiя Гельмгольца є критерiєм спрямування процесу?

27.У якому випадку робота розширення дорiвнює змiнi внутрiшньої енергiї системи?

28.У якому випадку теплота процесу дорiвнює змiнi ентальпiї системи?

29.У якому випадку теплота процесу дорiвнює роботi розширення?

30.Яке спiввiдношення мiж Сp i Сv для iдеального газу?

31.Наведіть вiдомi Вам формулювання 1-го закону термодинамiки.

32.Запишiть вираз 1-го закону термодинамiки в диференцiальнiй формi i пояснiть величини, що його складають.

33.Запишiть вираз 1-го закону термодинамiки в iнтегральнiй формi i пояснiть величини, що його складають.

34.Запишiть вираз 2-го закону термодинамiки для оборотних процесiв i пояснiть величини, що його складають.

35.Запишiть вираз 2-го закону термодинамiки для необоротних процесiв i пояснiть величини, що його складають.

36.Наведiть вiдомi Вам формулювання 2-го закону термодинамiки.

37.Як залежить вiд температури внутрiшня енергiя речовини? Запишіть математичний вираз цiєї залежностi.

4

38.Як залежить вiд температури ентальпiя системи? Запишіть математичний вираз цiєї залежностi.

39.Як залежить вiд температури ентропія системи? Запишіть математичний вираз цiєї залежностi.

40.Як залежить вiд температури енергія Гіббса системи? Запишіть математичний вираз цiєї залежностi.

Розділ 2. Хімічна рівновага.

Виведення та аналіз рівняння ізотерми хімічної реакції. Стандартна хімічна спорідненість та реакційна здатність. Константа рівноваги, її зв’язок з термодинамічними параметрами. Особливості вираження константи рівноваги в гетерогенних системах. Розрахунок константи рівноваги з використанням таблиць стандартних величин. Розрахунок виходу в хімічних реакціях. Залежність виходу продуктів реакції від зміни зовнішніх умов. Рівняння ізобари хімічної реакції. Хімічна рівновага в складних реакціях.

1.Дайте визначення поняття "константа рiвноваги хiмiчної реакцiї". Вiд чого залежить ця величина i в яких одиницях вона вимiрюється?

2.За яким рiвнянням можна розрахувати змiну стандартної ентропiї хiмiчної реакцiї при температурi Т (ΔSoT)? Пояснiть величини, що входять у наведене Вами рiвняння.

3.За яким рiвнянням можна розрахувати константу рiвноваги хiмiчної реакцiї при температурi Т (Kp)? Наведiть вiдповiдне рiвняння i пояснiть величини, що входять у наведене Вами рiвняння.

4.За яким рiвнянням можна розрахувати стандартну змiну енергiї Гiббса хiмiчної реакцiї при температурi Т (ΔGoT)? Наведіть вiдповiдне рiвняння i пояснiть величини, що входять у наведене Вами рiвняння.

5.За яким рiвнянням можна розрахувати стандартний тепловий ефект хiмiчної реакцiї при температурi Т (ΔНoT). Наведiть вiдповiдне рiвняння i пояснiть величини, що входять у наведене Вами рiвняння.

6.Який вигляд має графiк залежностi константи рiвноваги хiмiчної реакцiї вiд температури,

якщо Нo>O ? Наведiть вiдповiдне рiвняння.

7. Який вигляд має графiк залежностi теплового ефекту хiмiчної реакцiї вiд температури, якщо Сp>O ? Наведiть вiдповiдне рiвняння.

8.Який вигляд має графiк залежностi константи рiвноваги хiмiчної реакцiї вiд температури, якщо Нo<O ? Наведiть вiдповiдне рiвняння.

9.Який вигляд має графiк залежностi теплового ефекту хiмiчної реакцiї вiд температури, як-

що Сp<O ? Наведiть вiдповiдне рiвняння.

10. Який вигляд має графiк залежностi теплового ефекту хiмiчної реакцiї вiд температури, якщо Сp=O ? Наведiть вiдповiдне рiвняння.

Програма курсу та контрольні питання до другого модульного контролю

Розділ 3. Фазова рівновага в одно та багатокомпонентних системах.

Однокомпонентні системи. Виведення, аналіз та інтегрування рівняння КлапейронаКлаузіуса. Аналіз діаграм стану однокомпонентних систем.

Умови рівноваги в багатокомпонентних гетерогенних системах. Виведення та аналіз правила фаз Гіббса.

5

Двокомпонентні системи. Рівновага в системі кристали-рідина. Рівняння Шредера. Криві охолодження, термічний аналіз. Аналіз систем з необмеженою та обмеженою розчинністю в твердому стані, з простою евтектикою та з утворенням стійких та нестійких хімічних сполук.

Рівновага в системі з взаємною обмеженою розчинністю в рідкому стані. Правило Алексєєва. Вплив температури на взаємну розчинність. Критична температура розшарування.

Рівновага в системі пара - розчин летких рідин. Закони Рауля, додатні та від’ємні відхилення від нього, їх термодинамічне обґрунтування. Закономірності загального тиску пари над розчином. Закони Коновалова-Вревського. Діаграми кипіння в системах пара - неперервний розчин летких рідин. Взаємозв’язок діаграм загальний тиск - склад і температура кипіння - склад для розчинів. Перегонка летких розчинів, ректифікація. Азеотропні розчини. Діаграми кипіння розчинів з обмеженою розчинністю в рідкому стані, гетероазеотропи, перегонка з водяною парою. Визначення коефіцієнтів активності компонентів розчину за діаграмами кипіння.

Трьохкомпонентні системи. Особливості рівноваги в трьохкомпонентних системах. Графічний вираз складу. Діаграми стану з потрійною евтектикою та з обмеженою розчинністю в рідкому стані. Закон розподілу розчиненої речовини між двома фазами (закон Нернста - Шилова), екстракція, висолювання розчинених речовин.

1.Рiдина перетворюється в пару при певнiй температурi i тиску. Яке спiввiдношення мiж енергiєю Гiббса i енергiєю Гельмгольца для цього процесу? Запишiть вiдповiдну формулу.

2.За яким рiвнянням можна розрахувати змiну енергiї Гiббса, якщо n моль iдеального газу при сталiй температурi Т розширити у 10 разiв?

3.За яким рiвнянням можна розрахувати змiну енергiї Гiббса при рiвноважному випаровуваннi n моль рiдини?

4.За яким рiвнянням можна розрахувати змiну ентропiї при рiвноважному випаровуваннi n моль рiдини?

5.За яким рiвнянням можна розрахувати змiну енергiї Гельмгольца, якщо n моль iдеального газу при сталiй температурi Т, розширити у 5 разiв?

6.За яким рiвнянням можна розрахувати змiну ентропiї, якщо n моль одноатомного iдеального газу iзобарично нагрiвати вiд Т1 до Т2?

7.За яким рiвнянням можна розрахувати змiну ентропiї, якщо n моль одноатомного iдеального газу iзохорично нагрiвати вiд Т1 до Т2?

8.У якому спiввiдношеннi знаходяться молярнi ентропiї трьох агрегатних станiв речовини: газу, рiдини, твердого тiла? Що бiльше? Пояснiть чому.

9.За яким рiвнянням можна розрахувати змiну ентропiї при рiвноважному випаровуваннi n моль рiдини?

10.За яким рiвнянням можна розрахувати змiну ентропiї, якщо n моль одноатомного iдеального газу iзобарично нагрiвати вiд Т1 до Т2?

11.Як змiнюється температура плавлення речовини iз зростанням тиску?

12.Пояснiть, чому температура кипiння води завжди зростає при пiдвищеннi атмосферного тиску?

13.Що називається насиченою парою рiдини?

14.Пояснiть, чому тиск насиченої пари над рiдиною завжди зростає при пiдвищеннi температури?

15.Що таке потрiйна точка на дiаграмi стану води?

16.Чому в однокомпонентній системі не може існувати в стані рівноваги більше трьох фаз?

17.Що таке температура кипiння рiдини?

6

18.Як залежить тиск насиченої пари над твердим тiлом вiд температури?

19.Пояснiть, чому тиск насиченої пари над рiдиною завжди зростає при пiдвищеннi температури?

20.Пояснiть, чому температура кипiння води завжди зростає при пiдвищеннi атмосферного тиску?

Розділ 4. Термодинаміка розчинів

Ідеальні, гранично розведені та реальні розчини. Способи вираження складу розчину. Активність компонентів розчину. Колігативні властивості розчинів: тиск насиченої пари компонентів над розчином (закони Рауля і Генрі); температура кипіння і замерзання, осмотичний тиск розчинів. Залежність розчинності речовин від температури і тиску.

1.Дайте визначення поняття "осмотичний тиск". Вiд чого залежiть ця величина i в яких одиницях вона вимiрюється?

2.Дайте визначення поняття "кріоскопiчна стала". Вiд чого залежiть ця величина i в яких одиницях вона вимiрюється?

3.Дайте визначення поняття "молярна концентрацiя". Вiд чого залежiть ця величина i в яких одиницях вона вимiрюється?

4.Дайте визначення поняття "ступiнь дисоцiацiї". Вiд чого залежiть ця величина i в яких одиницях вона вимiрюється?

5.Дайте визначення поняття "iзотонiчний коефіцієнт". Вiд чого залежiть ця величина i в яких одиницях вона вимірюється?

6.За яким рiвнянням можна розрахувати тиск насиченої пари компонентiв над розчином? Пояснiть величини, що входять у наведене Вами рiвняння.

7.За яким рiвнянням можна розрахувати iзотонiчний коефiцiєнт розчину електролiту? Пояснiть величини, що входять у наведене Вами рiвняння.

8.За яким рiвнянням можна розрахувати температуру кипiння розчину? Пояснiть величини, що входять у наведене Вами рiвняння.

9.За яким рiвнянням можна розрахувати температуру замерзання розчину? Пояснiть величини, що входять у наведене Вами рiвняння.

10.За яким рiвнянням можна розрахувати осмотичний тиск розчину? Пояснiть величини, що входять у наведене Вами рівняння.

11.Який вигляд має графiк залежностi температури кипiння розчину вiд його концентрацiї?

Наведiть вiдповiдне рiвняння.

12.Який вигляд має графiк залежностi температури замерзання розчину вiд його концентрацiї? Наведiть вiдповiдне рiвняння.

13.Який вигляд має графiк залежностi тиску насиченої пари компоненту розчину вiд його концентрацiї? Наведiть вiдповiдне рiвняння.

14.Який вигляд має графiк залежностi ступеня дисоцiацiї електролiту вiд його концентрацiї в розчинi? Наведiть вiдповiдне рiвняння.

15.Який вигляд має графiк залежностi осмотичного тиску розчину вiд його концентрацiї? Наведiть вiдповiдне рiвняння.

16.Два компоненти мають однаковi парцiальнi тиски насиченої пари над розчином. Чи свiдчить це про однакову їх концентрацiю в розчинi? Аргументуйте свою вiдповiдь.

17.Двi речовини А i В розчиненi у водi з утворенням двох розчинiв однакової концентрацiї. Чи можуть у них бути рiзнi температури замерзання? Аргументуйте свою вiдповiдь.

7

18.Двi речовини А i В розчиненi у водi з утворенням двох розчинiв однакової концентрацiї. Чи можуть у них бути рiзнi температури кипiння? Аргументуйте свою вiдповiдь.

19.Двi речовини А i В розчиненi у водi з утворенням двох розчинiв однакової концентрацiї. Чи можуть у них бути рiзнi осмотичнi тиски? Аргументуйте свою вiдповiдь.

20.Чи впливає ступiнь дисоцiацiї нелеткої розчиненої речовини на тиск насиченої пари розчинника над розчином? Аргументуйте свою вiдповiдь.

Задачі для самостійної роботи

Задача 1

Для заданої хiмiчної реакцiї (табл.5 ), яка вiдбувається у газовiй фазi при температурах Т1 i Т2 , розрахувати i представити у виглядi таблиць (1 – 4):

а) стандартний тепловий ефект (ΔНoT); б) стандартну змiну ентропiї (ΔSoT);

в) стандартну змiну енергiї Гiббса (ΔGoT); г) константу рiвноваги (Kºp);

д) склад рiвноважної сумiшi, якщо загальний рiвноважний тиск в системi

дорiвнює 1,013·105 Па.

е) склад рiвноважної сумiшi при температурi Т1, якщо загальний рiвноважний тиск в системi збiльшити до 10,13·105 Па.

ж) проаналiзувати одержанi результати i зробити висновки про вплив температури i тиску на рівноважний вихід продуктiв в данiй реакцiї.

Таблиця 1

Термодинамiчнi характеристики реагуючих речовин

8

Таблиця 4 Залежнiсть складу (Ni, мол. % ) рівноважної сумiшi вiд тиску при температурi Т1

9