РАЗНОЕ3 / физика или химия.....а может и то и другое

Типы задач

1. Расчет температуры кипения вещества при заданном внешнем давлении по температурной зависимости давления насыщенного пара.

2. Расчет температуры кипения вещества при заданном внешнем давлении по известным температуре кипения при другом давлении и средней энтальпии испарения в данном интервале температур.

3. Расчет среднего изменения энтальпии испарения или сублимации для индивидуального вещества по значениям давления насыщенного пара при двух температурах в приближении “пар=идеальный газ”.

4. Расчет давления насыщенного пара при заданной температуре по известным значению давления при другой температуре и средней энтальпии испарения в данном интервале температур (в приближении “пар=идеальный газ”).

5. Расчет координат тройной точки чистого вещества (равновесие «твердое-жидкость-пар») по данным о температурной зависимости давления насыщенного пара.

6. Оценка энтальпии плавления вещества в тройной точке по уравнениям температурной зависимости давления насыщенного пара для линий испарения и сублимации.

7. Приближенный расчет температуры плавления вещества при заданном давлении по уравнению Клапейрона-Клаузиуса (приближение линейной зависимости температуры плавления от давления).

8. Расчет числа степеней свободы системы в заданной фазовой области по уравнению правила фаз Гиббса.

Основы термодинамики растворов, парциальные мольные величины, описание идеальных и неидеальных растворов

Вопросы

1. Запишите уравнения, позволяющие вычислить энергию Гиббса, энтальпию, энтропию и объём смешения для идеальных жидких растворов. Назовите все используемые величины. Справедливы ли эти же уравнения для случая смешения идеальных газов?

2. Объясните, почему растворы газов при невысоких давлениях близки по своему поведению к идеальным, тогда как в случае жидких и твердых растворов, как правило, наблюдаются отклонения от идеальности. С помощью какой функции учитывают отклонения от идеальности? Дайте определение понятия активности и коэффициента активности компонента раствора.

3. Дайте определение идеального раствора. Запишите выражения для энтальпии смешения, энтропии смешения и объёма смешения, характерные для идеальных растворов. Приведите пример системы, включающей практически идеальный раствор в конденсированной фазе.

4. Изобразите схематически график, используемый при определении парциальных мольных величин методом касательной. Напишите соответствующую расчётную формулу. Назовите требования к исходным данным и все используемые величины.

5. Изобразите схематически график, используемый при определении парциальных мольных величин методом отрезков (пересечений). Напишите соответствующие расчётные формулы. Назовите требования к исходным данным и все используемые величины.

6. Измерены плотности растворов H₂SO₄ – H₂O, содержащих 5, 10, 20, 30, 50 и 100 граммов серной кислоты в 100 граммах воды. Изложите основные этапы нахождения парциальных мольных объёмов и относительных парциальных мольных объёмов компонентов для раствора, концентрация которого лежит внутри соответствующего интервала составов.

7. В эксперименте получен набор данных об энтальпии растворения (DH, Дж) 5, 10, 20, 30, 50 и 100 граммов вещества А в 300 граммах вещества В. Изложите последовательность действий при определении парциальной мольной теплоты растворения компонентов в растворе, концентрация которого лежит внутри соответствующего интервала составов.

8. Дайте определение функций смешения. Из перечисленных ниже выражений выберите и запишите те, которые справедливы для мольных функций смешения идеальных растворов.

9. При некоторой температуре имеются два бинарных жидких раствора с мольной долей 0,5: практически идеальный раствор бензол – толуол и раствор бензол – этанол с положительными отклонениями от идеальности. В каком из этих жидких растворов химический потенциал бензола больше? Ответ обоснуйте анализом соответствующих выражений.

10. Изобразите схематически график, выражающий зависимости парциальных давлений компонентов бинарного раствора и общего давления от мольной доли (при T=const) если раствор проявляет положительные отклонения от идеальности. Укажите области концентраций, в которых приближенно выполняются законы Рауля и Генри, изобразите соответствующие линии на том же графике, запишите формулы названных законов. Назовите все используемые величины.

11. Изобразите схематически график, выражающий зависимости парциальных давлений компонентов бинарного раствора и общего давления от мольной доли (при T=const) если раствор проявляет отрицательные отклонения от идеальности. Укажите области концентраций, в которых приближенно выполняются законы Рауля и Генри, изобразите соответствующие линии на том же графике, запишите формулы названных законов. Назовите все используемые величины.

12. Из перечисленных ниже выражений выберите и запишите те, которые справедливы для растворов с положительными отклонениями от идеальности. Дайте соответствующие пояснения.

13. _Из перечисленных ниже выражений выберите и запишите те, которые справедливы для растворов с отрицательными отклонениями от идеальности. Дайте соответствующие пояснения.

14. _Дайте графическую интерпретацию утверждения, что «в области концентраций, где для растворителя соблюдается закон Рауля для растворенного вещества справедлив закон Генри». Приведите иллюстрацию для системы с положительными отклонениями от идеальности. Запишите математические выражения названных законов и назовите все используемые величины.

15. Дайте графическую интерпретацию утверждения, что «в области концентраций, где для растворителя соблюдается закон Рауля для растворенного вещества справедлив закон Генри». Приведите иллюстрацию для системы с отрицательными отклонениями от идеальности. Запишите математические выражения названных законов и назовите все используемые величины.

16. В системе вода - формамид максимальная энтальпия смешения жидкостей при 298К достигается при концентрации 50% мольн. и составляет 272 Дж/моль. Изобразите схематически график зависимости энтальпии смешения от мольной доли и определите значения парциальной мольной теплоты растворения компонентов в растворе заданной концентрации. Является ли данный раствор идеальным? Если раствор неидеальный, укажите знак отклонений от идеальности.

17. В системе вода – этанол минимальная энтальпия смешения жидкостей при 298К достигается при концентрации этанола 18% мольн. и составляет –774 Дж/моль. Изобразите схематически график зависимости энтальпии смешения от мольной доли и определите значения дифференциальной теплоты растворения компонентов в растворе заданной концентрации. Является ли данный раствор идеальным? Если раствор неидеальный, укажите знак отклонений от идеальности.

18. Сплавы меди и никеля при высоких температурах образуют растворы, близкие по свойствам к идеальным. Выведите в общем виде уравнения, выражающие зависимость общего давления пара над раствором от мольной доли при фиксированной температуре, обозначив парциальные давления компонентов над раствором как , а давления насыщенных паров над чистыми медью и никелем, соответственно, .

19. Дайте определение понятия избыточных парциальных мольных функций компонента раствора. Как связана избыточная парциальная мольная энергия Гиббса компонента раствора с его коэффициентом активности? Напишите соответствующее уравнение, назовите все используемые величины.

20. Дайте определение понятия относительная парциальная мольная функция компонента раствора. Как связана относительная парциальная мольная энергия Гиббса компонента раствора с его активностью и рациональным коэффициентом активности? Напишите соответствующее уравнение, назовите все используемые величины.

21. Измерено парциальное давление пара P_i компонента над раствором с мольной долей этого компонента x_i. Какими данными необходимо располагать для расчета активности и рационального коэффициента активности компонента раствора с использованием результата измерения? Запишите соответствующие уравнения, назовите все используемые величины и допущения.

22. Измерено парциальное давление пара P_i компонента над раствором с мольной долей этого компонента x_i. Какими данными необходимо располагать для расчета относительного химического потенциала (парциальной мольной энергии Гиббса смешения) и парциальной избыточной энергии Гиббса компонента раствора с использованием результата измерения? Запишите соответствующие уравнения, назовите все используемые величины и допущения.

23. Дайте определение понятия мольная избыточная функция раствора. Как связана мольная избыточная энергия Гиббса раствора с парциальными избыточными энергиями Гиббса компонентов раствора и с коэффициентами активности компонентов?

Типы задач

1. Расчет парциальных мольных величин компонентов бинарного раствора по уравнению зависимости свойства раствора от количества (или от моляльности) одного из компонентов при фиксированных давлении, температуре и количестве второго компонента.

2. Расчет парциальных мольных величин компонентов бинарного раствора по уравнению зависимости мольного свойства раствора от мольной доли одного из компонентов при фиксированных давлении и температуре.

3. Расчет изменения объема при смешении заданных количеств компонентов при известных парциальных мольных объемах компонентов.

4. Расчет плотности раствора заданной концентрации при известных парциальных мольных объемах компонентов.

5. Расчет теплоты смешения заданных количеств двух компонентов или теплоты разбавления бинарного раствора по известным парциальным мольным энтальпиям растворения или по мольной энтальпии смешения.

6. Расчет активности компонентов раствора по равновесным парциальным давлениям пара и давлению насыщенного пара компонентов в приближении «пар = идеальный газ». Расчет рационального коэффициента активности компонентов раствора по активности и мольной доле.

7. Вывод выражений для активности компонента и относительного химического потенциала компонента раствора по известным уравнениям температурной зависимости равновесного парциального давления пара и давления насыщенного пара чистого компонента в приближении «пар = идеальный газ».

8. Расчет изменения объема, энтальпии, энтропии, энергии Гиббса при образовании бинарного идеального раствора.

9. Расчет изменения энергии Гиббса при смешении по известным активностям и концентрациям (вариант: количествам моль) компонентов при заданной температуре.

Коллигативные свойства разбавленных растворов нелетучих растворенных веществ в летучих растворителях

Вопросы

1. Запишите математические выражения, характеризующие коллигативные свойства разбавленных растворов нелетучих растворённых веществ в летучих растворителях, и назовите входящие в них величины. Среди названных величин укажите те, которые зависят только от свойств растворителя.

2. Выведите выражение, используемое для определения молярной массы растворенного вещества криоскопическим методом и назовите входящие в него величины. Почему в случае растворов электролитов результат расчета по этому выражению не согласуется с реальной молярной массой растворенного вещества? Как нужно изменить названное выражение для устранения этого несоответствия?

3. Выведите выражение, используемое для определения молярной массы растворенного вещества эбуллиоскопическим методом и назовите входящие в него величины. Почему в случае растворов электролитов результат расчета по этому выражению не согласуется с реальной молярной массой растворенного вещества? Как нужно изменить названное выражение для устранения этого несоответствия?

4. Запишите выражение, используемое для расчета криоскопической константы, поясните ее физический смысл. Приведите уравнения, в которых используется эта константа. Назовите все используемые величины.

5. Запишите выражение, используемое для расчета эбуллиоскопической константы, поясните ее физический смысл. Приведите уравнения, в которых используется эта константа. Назовите все используемые величины.

6. При определении молярной массы растворённого вещества (электролита) криоскопическим методом исследовали растворы этого вещества в бензоле и в воде. Значения молярной массы, полученные в экспериментах с бензольным и водным растворами, отличаются вдвое. Объясните этот результат. Какую поправку в вычисления следует ввести для получения истинной молярной массы растворенного вещества?

7. Имеются разбавленные водные растворы сульфата натрия и глицерина с одинаковыми моляльными концентрациями. Какой из этих растворов будет иметь более высокую температуру начала кипения при одинаковом внешнем давлении? Приведите объяснение.

8. С помощью p-Т диаграммы покажите, что в случае растворов нелетучих веществ в летучем растворителе температура начала кристаллизации раствора понижается по сравнению с температурой плавления чистого растворителя. Как связана величина DT_отв со свойствами растворителя и с концентрацией растворенного вещества? Как при этом могут быть учтены эффекты ассоциации и диссоциации растворенного вещества? Как, например, можно найти кажущуюся степень диссоциации электролита?

9. С помощью p-Т диаграммы покажите, что в случае растворов нелетучих веществ в летучем растворителе температура начала кипения повышается по сравнению с температурой кипения чистого растворителя при том же внешнем давлении. Как связана величина DT_кип со свойствами растворителя и с концентрацией растворенного вещества? Как при этом могут быть учтены эффекты ассоциации и диссоциации растворенного вещества? Как, например, можно найти кажущуюся степень диссоциации электролита?

10. Величина понижения температуры начала отвердевания водного раствора нелетучего вещества составляет DT_отв=0,16⁰С. Какими данными необходимо располагать для того, чтобы рассчитать на какую величину повысится температура начала кипения раствора по сравнению с температурой кипения чистой воды? Запишите выражение для повышения температуры начала кипения DT_кип этого раствора. Назовите все используемые величины. Растворенное вещество в водном растворе не диссоциирует и не ассоциирует.

11. Криоскопическая постоянная п-толуидина равна 5,2 К×кг/моль при нормальной температуре плавления 315,2К. Криоскопическая постоянная камфоры равна 40 К×кг/моль при нормальной температуре плавления 452К. Какое из двух веществ имеет большую удельную теплоту плавления: п-толуидин или камфора? Дайте обоснованный ответ.

12. Дайте определение осмотического давления раствора. Запишите выражение связи осмотического давления с концентрацией раствора, назовите все используемые величины и укажите их размерность. При каких условиях справедливо это выражение?

13. Дайте определение осмотического давления раствора. Выведите выражение, используемое для расчета молярной массы растворенного вещества по результатам измерений осмотического давления раствора. Назовите все используемые величины и укажите их размерность.

14. Криоскопическое определение молярной массы мочевины может быть выполнено при использовании в качестве растворителя воды, бензола, циклогексана. В каком случае результат будет более точным при одинаковой концентрации раствора и при одной и той же погрешности измерения температуры? Приведите обоснование, считая, что растворенное вещество во всех указанных растворителях не диссоциирует и не образует ассоциатов. Криоскопические константы для воды, бензола и циклогексана равны соответственно 1,86 ; 5,12 и 20 К^.кг/моль.

15. Что такое изотонический коэффициент Вант-Гоффа, какие значения он может принимать? Как его можно определить экспериментально? Какую информацию о состоянии растворенного вещества в растворе он позволяет получить? Приведите соответствующие выражения.

Типы задач

1. Вычисление относительного понижения давления пара растворителя (варианты: повышения температуры начала кипения, понижения температуры начала отвердевания осмотического давления) для разбавленного раствора нелетучего растворенного вещества в летучем растворителе при известных свойствах растворителя и концентрации раствора.

2. Вычисление значения одного коллигативного свойства для разбавленного раствора нелетучего растворенного вещества в летучем растворителе по значению другого коллигативного свойства.

3. Расчеты молярной массы нелетучего растворенного вещества по повышению температуры кипения (вариант: по понижению температуры отвердевания) его разбавленного раствора в летучем растворителе. Определение молекулярной массы и химической формулы растворенного вещества.

4. Расчеты изотонического коэффициента и кажущейся степени диссоциации или ассоциации растворенного вещества в разбавленном растворе по данным о коллигативных свойствах раствора.

Фазовое равновесие «жидкость-пар» и «жидкость-жидкость» в бинарных системах (диаграммы кипения и диаграммы взаимной растворимости)

Вопросы

1. Для двухкомпонентной системы с идеальными растворами изобразите схематически изотермическое сечение диаграммы состояния (P-x(y)-диаграмму кипения при T=const). Укажите фазовые поля (области) диаграммы. Запишите уравнение линии жидкости и назовите входящие в него величины. Пар считайте идеальным газом.

2. Сформулируйте первый закон Гиббса-Коновалова. Проиллюстрируйте его с помощью диаграмм состояния системы с идеальными растворами и неидеальной азеотропной системы.

3. Изобразите схематически T-x(y)-диаграмму кипения (при P=const) двухкомпонентной азеотропной системы с положительными отклонениями от идеальности. Дайте краткую характеристику диаграммы (назовите фазовые поля, линии, характерные точки). Изобразите соответствующий график зависимости равновесного состава пара от состава жидкости.

4. Изобразите схематически T-x(y)-диаграмму кипения (при P=const) двухкомпонентной азеотропной системы с отрицательными отклонениями от идеальности. Дайте краткую характеристику диаграммы (назовите фазовые поля, линии, характерные точки). Изобразите соответствующий график зависимости равновесного состава пара от состава жидкости.

5. Изобразите схематически P-x(y)-диаграмму кипения (при T=const) двухкомпонентной азеотропной системы с положительными отклонениями от идеальности. Дайте краткую характеристику диаграммы (назовите фазовые поля, линии, характерные точки). Изобразите соответствующий график зависимости равновесного состава пара от состава жидкости.

6. Изобразите схематически P-x(y)-диаграмму кипения (при T=const) двухкомпонентной азеотропной системы с отрицательными отклонениями от идеальности. Дайте краткую характеристику диаграммы (назовите фазовые поля, линии, характерные точки). Изобразите соответствующий график зависимости равновесного состава пара от состава жидкости.

7. Изобразите схематически диаграммы кипения P-x(y) (при T=const) и T-x(y) (при P=const) для азеотропной системы с отрицательными отклонениями от идеальности. Приведите наименования всех линий, фазовых полей и характерных точек этих диаграмм. Проиллюстрируйте применение правила фаз Гиббса к представленным диаграммам.

8. Изобразите схематически диаграммы кипения P-x(y) (при T=const) и T-x(y) (при P=const) для азеотропной системы с положительными отклонениями от идеальности. Приведите наименования всех линий, фазовых полей и характерных точек этих диаграмм. Проиллюстрируйте применение правила фаз Гиббса к представленным диаграммам.

9. Сформулируйте второй закон Гиббса-Коновалова и проиллюстрируйте его примером одной из диаграмм состояния в координатах P-x(y) (при T=const) и T-x(y) (при P=const). Изобразите график, представляющий зависимость равновесного состава пара от состава жидкой фазы.

10. Выведите уравнение, называемое правилом рычага, назовите входящие в него величины. Проиллюстрируйте графически правило рычага на примере P-x(y)-диаграммы (при T=const) состояния системы, в которой сосуществуют идеальные растворы в жидкой и паровой фазах.

11. Проиллюстрируйте (посредством системы стрелок) на диаграмме «температура-состав» ход равновесного процесса изобарного нагревания бинарного жидкого раствора (T-x(y)-диаграмма при P=const). Укажите температуры начала и окончания фазового превращения, а также составы исчезающей и образующейся фаз. Приведите описание на примере конкретной бинарной закрытой системы (диаграмму выберите в справочнике).

12. Нарисуйте диаграмму фазового равновесия Т-х(y) (P=const) для системы с высококипящим азеотропом. Какие отклонения от идеальности характерны для подобных систем? Изобразите схематически (с помощью системы стрелок) как изменяется фазовый состав системы при переходе из состояния жидкости в состояние пара для двух растворов, один из которых отвечает составу азеотропа, а другой обогащен более летучим компонентом по сравнению с азеотропной смесью. Укажите температуры начала и окончания фазовых превращений, а также составы исчезающей и образующейся фаз. Что может быть выделено в дистилляте при ректификации выбранных жидких смесей и что останется в кубовом остатке?

13. Нарисуйте диаграмму фазового равновесия Т-х(y) (P=const) для системы с низкокипящим азеотропом. Какие отклонения от идеальности характерны для подобных систем? Изобразите схематически (с помощью системы стрелок) как изменяется фазовый состав системы при переходе из состояния пара в состояние жидкости для двух растворов, один из которых отвечает составу азеотропа, а другой обогащен более летучим компонентом по сравнению с азеотропной смесью. Укажите температуры начала и окончания фазовых превращений, а также составы исчезающей и образующейся фаз. Что может быть выделено в дистилляте при ректификации выбранных жидких растворов и что останется в кубовом остатке?

14. Используя диаграмму кипения системы C₂H₅OH – CCl₄ (справочник, рис. 28.8, стр 39) приведите все варианты жидких растворов, начинающих кипеть при температуре 70^оС и давлении 1 атм (укажите концентрации для каждого раствора). Из указанных растворов выберите тот, при прибавлении к которому небольшого количества этанола температура кипения увеличивается. Ответ подтвердите схематическим рисунком диаграммы. Какие отклонения от идеальности растворов характерны для данной бинарной системы?

15. По приведённой в справочнике диаграмме кипения системы H₂O – CH₃COOH (рис. 28.7, стр. 39) опишите фазовые превращения при изобарном (давление 1атм) нагревании от 100^оС до 116^оС раствора с концентрацией 40 мольн.% воды. Изобразите схематически на диаграмме путь соответствующего процесса (изменение составов фаз), укажите температуры начала и окончания фазовых превращений.

16. По приведённой в справочнике диаграмме кипения системы C₂H₅OH – CCl₄ (рис. 28.8, стр. 39) опишите фазовые превращения при изобарном (давление 1атм) нагревании от 60^оС до 80^оС раствора с концентрацией 30 мольн.% CCl₄. Изобразите схематически на диаграмме путь соответствующего процесса (изменение составов фаз), укажите температуры начала и окончания фазовых превращений. Какие отклонения от идеальности жидких растворов проявляются в данной системе (дайте обоснованный ответ).

17. Диаграмма состояния двухкомпонентной системы А-В характеризуется максимумом на кривых «температура-состав» при постоянном давлении. Компонент А является менее летучим, чем вещество В. Схематически изобразите названную диаграмму. Укажите составы дистиллята и кубового остатка при ректификации жидкой смеси, которая более богата компонентом А по сравнению с азеотропной смесью. Какие отклонения от идеальности растворов проявляются в данной системе? Приведите необходимые пояснения.

18. Запишите уравнение, выражающее правило рычага, и назовите входящие в него величины. Проиллюстрируйте его примером T-x(y)-диаграммы кипения (при P=const) двухкомпонентной системы (диаграмму выберите в справочнике). Укажите температуру, до которой необходимо нагреть систему выбранного состава для того, чтобы мольные количества жидкой и паровой фаз были бы одинаковы.

19. Запишите уравнение, выражающее правило рычага, и назовите входящие в него величины. Проиллюстрируйте его примером диаграммы взаимной растворимости двух ограниченно растворимых друг в друге жидкостей (диаграмму выберите в справочнике).

20. В каких случаях и с какой целью можно применять перегонку веществ с водяным паром? Приведите выражение, определяющее выход вещества в дистилляте на единицу массы пара.

21. Используя диаграмму состояния системы «вода-2,6-диметилпиридин» (справочник, рис.28.18, стр. 40) охарактеризуйте изменения фазового состава системы при ее нагревании от 40^оС до 170^оС. Состав системы выберите самостоятельно в интервале от 40% до 80% воды (проценты массовые).