fx_zaochniki
.pdfМИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ
ГОСУДАРСТВЕННОЕОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕУЧРЕЖДЕНИЕВЫСШЕГОПРОФЕССИОНАЛЬНОГООБРАЗОВАНИЯ
РОССИЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ГЕОЛОГОРАЗВЕДОЧНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
КАФЕДРА ХИМИИ
Н.Н. Акинфиев
К.М. Корчемская
МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ И КОНТРОЛЬНЫЕ ЗАДАНИЯ
ПО ФИЗИЧЕСКОЙ ХИМИИ ДЛЯ СТУДЕНТОВ ЗАОЧНОГО ОТДЕЛЕНИЯ
Москва 2007
2
ОБЩИЕ МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ ПО ВЫПОЛНЕНИЮ КОНТРОЛЬНЫХ РАБОТ
По курсу "Физическая химия" студенты должны выполнить две контрольные работы. Каждый студент выполняет вариант заданий в соответствии со своим шифром – номером студенческого билета. Номер задания определяется двумя последними цифрами вашего билета (см. табл.). Например, ваш билет 3PM-99-152. В крайней левой графе табл. 1 находим предпоследнюю цифру – 5; в верхней графе – последнюю цифру 2. На пересечении строки 5 и столбца 2 указаны задачи, составляющие задание для первой контрольной работы. Аналогично в табл. 2 находится вариант задания второй контрольной работы.
При решении задач необходимо записывать уравнения соответствующих реакций, а также приводить весь ход решения задачи. Перед решением каждого задания необходимо внимательно разобрать соответствующий раздел теории, изложенный в основных рекомендуемых учебных и методических пособиях. Кроме того, в данном пособии приведены алгоритмы решения типовых задач для обеих контрольных работ. Термодинамические данные, необходимые для решения задач, приведены в Приложении 1.
Если при решении задач встретятся затруднения, консультацию преподавателя можно получить, воспользовавшись электронным адресом кафед-
ры химии МГГРУ: chemist@mgspa.edu.ru1.
ЛИТЕРАТУРА
Основная
1.Физическая химия. Теоретическое и практическое руководство. Учебное пособие для вузов/ Под ред. Акад. Б.П. Никольского. − Л.: Химия. 1987. − 880 с.
2.Общая химия: Учебник/ Под ред. Е.М. Соколовской и Л.С. Гузея. − 3-е изд., перераб. и доп. − М.: Изд-во Моск. Ун-та, 1989. − 640 с.
3.П. Эткинс. Физическая химия. В двух т. Перевод с англ. К.П. Бутина. −
М.: Мир. 1980.
1 При изменении адреса следует навести справки в канцелярии Университета.
3
Дополнительная
4.Булах А.Г., Кривовичев В.Г. Золотарёв А.А. Формулы минералов, термодинамический анализ в минералогии и геохимии. Практическое руководство и справочник. − СПб.: Изд-во С.Петербургского ун-та, 1995. 260 с.
5.Булах А.Г., Кривовичев В.Г. Расчёт минеральных равновесий. - Л.: Не-
дра, 1985.
6.Гаррелс Р.М., Крайст Ч.Л. Растворы, минералы, равновесия. − М.: Мир, 1968.
7.Вуд Б., Фрейзер Д. Основы термодинамики дли геологов. − М.: Мир, 1981.
8.Керн Р., Вайсброд А. Основы термодинамики для минералогов, петрологов и геологов. - М: Мир, 1966.
ОГЛАВЛЕНИЕ |
|
ОБЩИЕ МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ ПО ВЫПОЛНЕНИЮ |
|
КОНТРОЛЬНЫХ РАБОТ............................................................................ |
2 |
ЛИТЕРАТУРА.............................................................................................. |
2 |
ТАБЛИЦА 1. ................................................................................................. |
4 |
ТАБЛИЦА 2. ................................................................................................. |
5 |
КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА № 1. ................................................................. |
6 |
Методы решения задач к контрольной работе № 1. ............................... |
11 |
КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА № 2. ............................................................... |
17 |
Методы решения задач к контрольной работе № 2. ............................... |
23 |
Приложение 1. Термодинамические свойства компонентов ................ |
29 |
Приложение 2. Сокращения названий минералов.................................. |
37 |
Приложение 3. Справочные материалы................................................... |
39 |
4
ТАБЛИЦА 1.
Предпослед- |
|
|
|
|
|
|
|
|
Последняя цифра шифра (номера студенческого билета) |
|
|
|||||
няя цифра |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0 |
|
|
1 |
|
|
2 |
|
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
|
шифра |
|
|
|
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0 |
1, |
33, |
34, |
2, |
32, |
35, |
3, |
31, |
36, |
4, 30, 37, |
5, 29, 38, |
1, 30, 39, |
2, 31, 40, |
3, 33, 41, |
4, 29,42, |
5, 28, 43, |
|
51, 66 |
|
52, 67 |
|
53, 68 |
|
54, 69 |
55, 70 |
56, 67 |
57, 68 |
58, 69 |
60, 70 |
59, 71 |
|||
1 |
6, 28, 39, |
7, 27, 40, |
8, 26, 41, |
9, 25, 42, |
10, 24, 43, |
6, 20, 44, |
7, 25, 45, |
8, 26, 46, |
9, 31, 47, |
10, 28, 48, |
||||||
|
56, 71 |
|
57, 72 |
|
58, 73 |
|
59 74 |
60, 75 |
61, 72 |
62, 73 |
63, 74 |
64, 75 |
65, 76 |
|||
2 |
11, 23, 44, |
12, 22, 45, |
13, 21, 44, |
14, 20, 43, |
15, 19, 42, |
11, 20, 49, |
12, 21, 50, |
13, 24, 50, |
14, 23, 49, |
15, 27, 48, |
||||||
|
61, 76 |
|
62, 77 |
|
63, 78 |
|
64, 79 |
65, 80 |
65, 77 |
64, 78 |
63, 79 |
62, 80 |
61, 81 |
|||
3 |
16, 18, 41, |
17, 23, 40, |
16, 18, 39, |
15, 19, 38, |
14, 20,37, |
16, 31, 47, |
17, 33, 46, |
18, 25, 45, |
1, 19, 44, |
2, 20, 43, |
||||||
|
65, 81 |
|
64, 82 |
|
63, 83 |
|
62, 84 |
60, 85 |
60, 82 |
59, 83 |
58, 84 |
57, 85 |
56, 86 |
|||
4 |
13, 21, 36, |
12, 22, 35 |
11, 23, 34, |
10, 24, 46, |
9, 29, 47, |
3, 21, 42, |
5, 22, 41, |
4, 23, 40, |
6, 26, 39, |
8, 25, 38, |
||||||
|
59, 86 |
|
58, 87 |
|
57, 88 |
|
56, 89 |
55, 90 |
55, 87 |
54, 88 |
53, 89 |
52, 90 |
51, 90 |
|||
5 |
8, 26, 48, |
7, 27, 49, |
6, 28, 50, |
5, 29, 50, |
4, 30, 49, |
10, 26, 37, |
9, 27, 36, |
12, 28, 35, |
11, 29, 34, |
2, 30, 35, |
||||||
|
54, 90 |
|
53, 89 |
|
52, 88 |
|
51, 87 |
65, 86 |
65, 89 |
64, 88 |
63, 87 |
62, 86 |
61, 85 |
|||
6 |
3, 31, 48, |
2, 32, 47, |
1, 33, 46, |
1, 11, 45, |
2, 12, 44, |
3, 31, 34, |
5, 32, 36 |
4, 33, 37, |
2, 18, 38, |
3, 17, 39, |
||||||
|
64, 85 |
|
63, 84 |
|
62, 83 |
|
61, 82 |
60, 81 |
60, 84 |
59, 83 |
58, 82 |
57, 81 |
56, 80 |
|||
7 |
3, 13, 43, |
4, 14, 42, |
5, 15, 41, |
6, 16, 40, |
1, 16, 39, |
4, 18, 40, |
5, 19, 41, |
6, 21, 42, |
7, 22, 43, |
8, 23, 44, |
||||||
|
59, 80 |
|
58, 79 |
|
57, 78 |
|
56, 77 |
55, 76 |
55, 79 |
54, 78 |
53, 77 |
52, 76 |
51, 75 |
|||
8 |
7, 18, 38, |
8, 20, 37, |
9, 21, 36, |
2, 22, 35, |
3, 24, 34, |
9, 24, 45, |
10, 15, 46, |
11, 33, 47, |
12, 31, 48, |
13, 30, 49, |
||||||
|
54, 75 |
|
53, 74 |
|
52, 73 |
|
51, 72 |
50, 71 |
55, 74 |
56, 73 |
60, 72 |
61, 71 |
62, 70 |
|||
9 |
5, 26, 35, |
6, 30, 34, |
4, 31, 36, |
5, 32, 37, |
2, 33, 38, |
14, 28, 50, |
15, 26, 36, |
16, 27, 38, |
17, 2, 40, |
18, 1, 41, |
||||||
|
51, 70 |
|
52, 69 |
|
53, 68 |
|
54, 67 |
55, 66 |
63, 69 |
54, 68 |
65, 67 |
59, 66 |
58, 66 |
5
ТАБЛИЦА 2.
Предпослед- |
|
|
Последняя цифра шифра (номера студенческого билета) |
|
|
||||||
няя цифра |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0 |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
||
шифра |
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
0 |
1, 27, 74, 83, |
2, 28, 73, |
3, 29, 72, |
4, 30, 71, |
5, 31, 70, |
6, 32, 69, |
9, 38, 51, |
10, 37, 52, |
11, 36, 53, |
12, 35, 54, |
|
|
96, 116 |
84, 97, 117 |
85, 98, 118 |
86, 99, 119 |
87, 100, 120 |
88, 101, 121 |
91, 96, 116 |
92, 97, 117 |
93, 98, 118 |
94, 99, 119 |
|
1 |
7, 33, 66, |
8, 34, 67, |
9, 35, 66, |
10, 36, 65, |
11, 37, 64, |
12, 38, 62, |
14, 34, 55, |
15, 33, 56, |
16, 32, 57, |
17, 31, 58, |
|
|
89, 102, 122 |
90, 103, 123 |
91, 104, 124 |
92, 105, 125 |
93, 106, 126 |
94, 107, 127 |
95, 100, 120 |
95, 101, 121 |
94, 102, 122 |
93, 103, 123 |
|
2 |
13, 39, 62, |
14, 40, 61, |
15, 41, 60, |
16, 42, 59, |
17, 43, 58, |
18, 44, 57, |
19, 30, 59, |
20, 29, 60, |
21, 28, 61, |
22, 27, 62, |
|
|
95, 108, 128 |
95, 109, 129 |
94, 110, 130 |
93, 111, 131 |
92, 112, 132 |
91, 113, 133 |
92, 104, 124 |
91, 105, 125 |
90, 106, 126 |
89, 107, 127 |
|
3 |
19, 45, 56, |
20, 46, 55, |
21, 47, 54, |
22, 42, 53, |
23, 49, 52, |
24, 50, 51, |
24, 28, 63, |
25, 29, 64, |
26, 30, 65, |
1, 31, 66, |
|
|
90, 114, 134 |
89, 115, 135 |
87, 115, 116 |
87, 114, 117 |
86, 113, 118 |
85, 112, 119 |
88, 108, 128 |
87, 109, 129 |
86, 100, 130 |
85, 111, 131 |
|
4 |
25, 27, 51, |
26, 28, 52, |
1, 29, 53, |
2, 30, 54, |
3, 31, 55, |
4, 32, 56, |
3, 32, 67, |
4, 33, 68, |
5, 34, 69, |
6, 35, 70, |
|
|
84, 111, 120 |
83, 110, 121 |
83, 109, 122 |
84, 108, 123 |
85, 107, 124 |
86, 106, 125 |
84, 112, 132 |
83, 113, 133 |
83, 114, 134 |
84, 115, 135 |
|
5 |
5, 33, 57, |
6, 34, 58, |
7, 35, 59, |
8, 36, 60, |
9, 37, 61, |
10, 38, 62, |
8, 36, 71, |
9, 37, 72, |
10, 38, 73, |
11, 39, 74, |
|
|
87, 10 ,126 |
88, 104, 127 |
89, 103, 128 |
90, 102, 129 |
91, 101, 130 |
92, 100, 131 |
85, 96, 116 |
86, 97, 117 |
87, 98, 118 |
88, 99, 119 |
|
6 |
11, 39, 63, |
12, 40, 64, |
13, 41, 65, |
14, 42, 66, |
15, 43, 67, |
16, 44, 68, |
13, 40, 75, |
14, 41, 76, |
15, 42, 77, |
16, 43, 78, |
|
|
93, 99, 132 |
94, 98, 133 |
95, 97, 134 |
95, 96, 135 |
94, 115, 135 |
93, 114, 134 |
89, 100, 120 |
90, 101, 121 |
91, 102, 122 |
92, 103, 123 |
|
7 |
17, 45, 69, |
18, 46, 70, |
19, 47, 71, |
20, 48, 72, |
21, 49, 73, |
22, 50, 74, |
18, 45, 79, |
19, 46, 80 |
20, 48, 81 |
21, 50, 82 |
|
|
92, 113, 133 |
91, 112, 132 |
90, 111, 131 |
89, 110, 130 |
88, 109, 129 |
87, 108, 128 |
93, 104, 124 |
94, 105, 125 |
95, 106, 127 |
95, 107, 126 |
|
8 |
23, 50, 75, |
24, 49, 76, |
25, 48, 77, |
26, 47, 78, |
1, 46, 79, |
2, 45, 80, |
23, 49, 82, |
24, 36, 81, |
25, 47, 80, |
26, 50, 79, |
|
|
86, 107, 127 |
85, 106, 126 |
84, 105, 125 |
83, 104, 124 |
83, 103, 123 |
84, 102, 122 |
94, 108, 129 |
93, 109, 128 |
92, 110, 130 |
91, 111, 131 |
|
9 |
3, 44, 81, |
4, 43, 82, |
5, 42, 81, |
6, 41, 79, |
7, 40, 68, |
8, 39, 78, |
2, 36, 78, |
3, 37, 77, |
4, 38, 76, |
5, 39, 75, |
|
|
85, 101, 121 |
86, 100, 120 |
87, 99, 119 |
88, 98, 118 |
89, 97, 117 |
90, 96, 116 |
90, 112, 135 |
89, 113, 134 |
88, 114, 124 |
87, 115, 133 |
6
КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА № 1.
1.Раскройте смысл основных понятий термодинамики: термодинамическая система, параметры состояния, термодинамический процесс.
2.Какие виды процессов изучает термодинамика? Дайте подробное объяснение.
3.Дайте формулировку и математическое выражение I закона термодинамики.
4.Объясните понятия: функция состояния и функция процесса на примере таких понятий как внутренняя энергия, энтальпия, работа, теплота.
5.Дайте определение и раскройте физический смысл энтальпии и внутренней энергии.
6.Дайте определение теплового эффекта процесса. Какой процесс называется эндо-, а какой экзотермическим? Какие знаки тепловых эффектов приняты в термодинамике?
7.Какие условия в термодинамике приняты за стандартные? Дайте определение стандартной энтальпии образования сложного вещества ∆fН°298. Каковы значения ∆fН°298 простых веществ и протона H+?
8.В чем разница между понятиями: энтальпия реакции ∆rН°298 и энтальпия образования вещества ∆fН°298? В каких единицах измеряются
∆rН°298и ∆fН°298?
9.Что такое теплоемкость вещества, и в каких единицах она измеряется?
Чем отличаются друг от друга Cv и Ср? Как теплоемкость вещества Ср зависит от температуры?
10.Запишите уравнение Кирхгофа, дающее зависимость энтальпии процесса от температуры. Как рассчитать энтальпию реакции при заданной температуре?
11.Сформулируйте II закон термодинамики и запишите его математическое выражение. Напишите объединенное уравнение I и II законов термодинамики.
12.Какая функция является критерием направленности процессов в изолированной системе? Каковы термодинамические условия самопроизвольного протекания процесса и равновесия в изолированной системе?
13.Сформулируйте третий закон термодинамики. Какое минимальное значение может иметь энтропия индивидуального вещества? Каковы единицы измерения энтропии?
14.Как связаны энтропия и термодинамическая вероятность состояния?
7
15.Что такое стандартная энтропия вещества S°298? Как, используя зна-
чения энтропий компонентов реакции, рассчитать стандартное изменение энтропии процесса?
16.Как изменяется энтропия вещества в результате фазового перехода? Запишите соответствующее уравнение.
17.Как рассчитать величину энтропии вещества или реакции при заданной температуре? Запишите общее уравнение и предложите варианты его решения.
18.Сформулируйте критерий направленности термодинамического процесса, протекающего в неизолированной системе в изобарноизотермических условиях. Используя объединенное уравнение, выведите выражение для свободной энергии Гиббса (G).
19.Сформулируйте II закон термодинамики в терминах функции Гиббса G. Сформулируйте и запишите в общем виде условия равновесия химической реакции и термодинамической системы.
20.Как математически связаны между собой такие термодинамические функции, как внутренняя энергия (U), энтальпия (Н), свободные энергии Гельмгольца (F) и Гиббса (G)?
21.Что такое стандартный изобарный потенциал образования сложного
вещества ∆fG°298 и в каких единицах он измеряется? Каковы принятые значения ∆fG°298 простых веществ и протона H+?
22.В чем разница между понятиями: функция Гиббса реакции ∆rG°298 и функция Гиббса образования вещества ∆fG°298? Как, используя табличные значения стандартных изобарных потенциалов образования компонентов реакции, рассчитать стандартное изменение энергии Гиббса для процесса ∆rG°298?
23.Дайте определение понятия химического потенциала компонента µ . Как связаны между собой µ°298 и ∆fG°298?
24.Как химический потенциал зависит от температуры? Запишите полное уравнение в случае, когда теплоемкость вещества зависит от температуры по уравнению Майера-Келли Cp = a + b T – c/T2
25.Как химический потенциал зависит от давления? Запишите выражения для твёрдых веществ и идеальных газов.
26.Приведите примеры гомогенной и гетерогенной реакции. Запишите выражение для константы равновесия реакции с участием газов.
27.Как рассчитать зависимость ∆rG° от температуры при стандартном давлении? Какие термодинамические функции нужно знать для расчета?
28.Как рассчитать зависимость ∆rG от давления при постоянной температуре? Объясните значения понятий: литостатическое давление (Р) и парциальное давление газа (p)? Запишите формулу зависимости ∆rG°298 для реакции с участием твердой и газообразной фаз?
8
29.Запишите уравнение изотермы химической реакции, определяющее
связь константы равновесия Ka и изменения стандартного изобарного потенциала ∆rG°.
30.Как рассчитать "поля устойчивости минералов" в координатах давле-
ние – температура? Дайте объяснение понятию поля устойчивости.
Выведите формулу для построения полей устойчивости в приближе-
нии ∆rCp = 0 в случае, когда в реакции участвуют только конденсированные фазы.
31.Запишите полное уравнение для расчёта полей устойчивости минералов, связанных гетерофазной реакцией с участием газов (смешанного флюида). Запишите выражение для константы равновесия такой реакции. Какие параметры определяют равновесие такой реакции?
32.Сформулируйте принцип Ле-Шателье. Как, используя этот принцип, разметить поля устойчивости минералов?
33 – 42. Запишите уравнение реакции и вычислите изменение энтальпии а)
при стандартных условиях ∆rH°298 и б) при температуре 500°C ∆rH°773 (формула 1 Приложения 3) для следующих процессов (сокращения
минералов приведены в Приложении 2):
33.Ne + Q Jd
34.Mc Lc + Q
35.Ak Wol + Per
36.Di + CO2 Dol + Q
37.Grs + Q An + Wol
38.Mgn Per + CO2
39.Dol Cal + Per + CO2
40.Rds MnO + CO2
41.Cal + Q Wol + CO2
42.Sd FeO + CO2
43 – 50. Запишите реакции растворения следующих минералов1 и вычислите тепловой эффект растворения 1 моля этого вещества а) при стан-
дартных условиях ∆rH°298 и б) при температуре 75°С ∆rH°348. Теплоёмкость компонентов реакции считайте постоянной. Как влияет уве-
личение температуры на растворимость вещества?
43.Mgn
44.Cal
45.Dol
46.Sd
47.Rds
48.Cer
49.Smt
1 в виде реакции электролитической диссоциации
9
50.Mal
51-65. Запишите уравнения следующих реакций, а затем выражения для их констант равновесия. Оцените температурный интервал устойчивости продуктов и реагентов на поверхности Земли (P = 1 бар). В расчёте примите приближение ∆rCp = 0:
51.Rds MnO + CO2
52.Mgn Per + CO2
53.Cer PbO + CO2
54.Sd FeO + CO2
55.Cal + An + Q Gr + CO2
56.Di + CO2 Dol + Q
57.Cal + Q Wol + CO2
58.Dol Cal + Per + CO2
59.Mgn + Q Fo + CO2
60.Sd + Q Fa + CO2
61.Mgn + Q En + CO2
62.Dsp Crn + H2O (газ)
63.Brc Per + H2O (газ)
64.Mgn + H2O (газ) Brc + CO2
65.Cal + H2O (газ) Prt + CO2
66 – 77. Запишите уравнения и исследуйте P–T условия равновесия следующих реакций в диапазоне температур 25 – 1500°С и давлений 1 – 10000 бар. Расчёт проведите в предположении ∆rCp = 0. Результаты представьте в виде диаграмм полей устойчивости минералов в координатах P-T. Разметьте полученные поля устойчивости.
66.Ne + Q Jd
67.Mc Lc + Q
68.Ak Wol + Per
69.Grs + Q An + Wol
70.Hel + Q Wol + And
71.Grs + Q Wol + And
72.Ak Lrn + En
73.Ak Lrn + Fo + Q
74.Mg-Crd Fo + And + Q
75.Mg-Crd En + And + Q
76.Fe-Crd Fa + And + Q
77.Fe-Crd Fs +And + Q
78 – 90. Запишите уравнения, выражения для константы равновесия и исследуйте P–T условия равновесия следующих реакций в диапазоне температур 25 – 1500°С и давлений 1 – 10000 бар. Расчёт про-
10
ведите, пренебрегая зависимостью химического потенциала минералов от давления. Кроме того, примите также ∆rCp = 0. Результаты представьте в виде диаграмм полей устойчивости минералов в координатах lgP-T. Разметьте полученные поля устойчивости.
78.Cal + An + Q Grs + CO2
79.Dol + Q Di + CO2
80.Cal + Q Wol + CO2
81.Dol Cal + Per + CO2
82.Mgn + Q Fo + CO2
83.Sd + Q Fa + CO2
84.Mgn + Q En + CO2
85.Cal + Q Lrn + CO2
86.Cal + Q Rnk + CO2
87.Dsp Crn + H2O (газ)
88.Brc Per + H2O (газ)
89.Ms Mc + Crn + H2O (газ)
90.Kln And + Q + H2O (газ)