Б.Я. Брянский, т.А. Калинина
П Р А К Т И К У М
ПО ФИЗИЧЕСКОЙ ХИМИИ
Часть 1
Омск - 2006
Федеральное агентство по образованию
Омский государственный университет им. Ф.М. Достоевского
Б.Я. Брянский, Т.А. Калинина
П Р А К Т И К У М
ПО ФИЗИЧЕСКОЙ ХИМИИ
Часть 1
Изд-во Омск ОмГУ 2006
УДК 541.1
ББК 24.5
Рекомендовано редакционно-издательским советом ОмГУ
к изданию в качестве учебного пособия
Рецензенты:
доктор технических наук, профессор В.Ф. Борбат
кандидат химических наук, доцент Ж. Д. Павлова.
Брянский Б.Я., Калинина Т.А.
Практикум по физической химии: в 4 ч.: учебное пособие. Часть 1.- Омск: Изд-во ОмГУ. 2006. – с….
Научный редактор – д.х.н., профессор В.И.Вершинин
Учебное пособие включает краткий конспект теоретического материала по химической термодинамике, инструкции к лабораторным работам по разделу «Термохимия» и методические рекомендации по их выполнению, а также материалы к практическим занятиям. Приведены типовые задачи (с примерами решений), контрольные вопросы и задачи для самостоятельного решения. В качестве приложения включен необходимый справочный материал.
Учебное пособие соответствует государственному стандарту специальности 021101 «Химия», но может быть использовано и студентами специальности 250400 «Химическая технология природных энергоносителей и углеродных материалов».
УДК 541.1
Омский государственный университет, 2006 г.
СОДЕРЖАНИЕ
4
ПРЕДИСЛОВИЕ 4
1.1. Основные понятия химической термодинамики 7
1.2. Идеальный и реальный газ, их уравнения состояния 10
1.3. Первый закон термодинамики 15
1.4. Начальные понятия термохимии 21
1.5. Термохимические расчёты 25
1.6. Энтропия и второй закон термодинамики 30
1.7. Применение второго закона термодинамики к 35
неизолированным изотермическим системам 35
1.8. Закон действующих масс 40
2. ЛАБОРАТОРНЫЕ РАБОТЫ ПО ТЕРМОХИМИИ 47
2.3. Лабораторная работа 1. Определение парциальной мольной энтальпии растворения вещества 54
2.4. Лабораторная работа № 2. Определение теплоты реакции нейтрализации сильной кислоты сильным основанием 56
2.5. Лабораторная работа № 3. Определение теплоты диссоциации слабой кислоты 59
2.6. Лабораторная работа № 4. Определение теплоты гидратообразования соли 62
2.7. Лабораторная работа № 5. Определение теплоты реакции окисления щавелевой кислоты перманганатом калия 64
67
2.8. Лабораторная работа № 6. Определение теплоты испарения органических жидкостей 67
5. Рассчитайте изменение внутренней энергии при испарении 1 моль органической жидкости, теплоту испарения которой вы определили экспериментально. 71
3. РЕКОМЕНДАЦИИ К ПРАКТИЧЕСКИМ ЗАНЯТИЯМ 71
3.1. Рекомендации для успешного решения задач 71
3.2. Материалы к практическим занятиям 72
4. МЕТОДИЧЕСКИЕ РЕКОМЕДАЦИИ И СПРАВОЧНЫЕ МАТЕРИАЛЫ 94
4.1. Основные правила работы при проведении лабораторных работ по термохимии 94
4.2. Основные правила построения и оформления графиков 95
4.3. Рекомендации по применению международной системы единиц СИ 96
4.4. Таблицы физико-химических данных 100
Литература 102
ПРЕДИСЛОВИЕ
Настоящее пособие написано на основе лекций по физической химии, читаемых авторами в течение нескольких лет на химическом факультете Омского государственного университета им. Ф.М. Достоевского, а также с учётом опыта проведения лабораторных и практических занятий для студентов-химиков.
Пособие представляет собой первую часть практикума по физической химии и включает краткий конспект теоретического материала по химической термодинамике, описание лабораторных работ по разделу «Термохимия» и методические рекомендации по их выполнению, а также материалы к практическим занятиям, в том числе и примеры решения типовых задач. Пособие содержит справочный материал, необходимый для лабораторных работ и практических занятий.
Практикум подготовлен в соответствии с государственным стандартом специальности 021101 «Химия», но может использоваться для обучения студентов специальности 250400 «Химическая технология природных энергоносителей и углеродных материалов».
Раздел 1, а также подразделы 3.1, 4.1-4.3 написаны к.х.н., доцентом Б.Я.Брянским; раздел 2, подразделы 3.2 и 4.4 – к.х.н., доцентом Т.А. Калининой. Авторы считают приятным долгом выразить благодарность за конструктивную критику научному редактору пособия - д.х.н., профессору В.И. Вершинину а также рецензентам: д.т.н., зав. кафедрой неорганической химии ОмГУ профессору Борбату В.Ф. и доценту кафедры химии СибАДА Павловой Ж.Д. - за просмотр рукописи и ценные советы. Авторы заранее благодарят читателей за критические замечания и указания на неизбежные погрешности.
Успехов Вам в изучении химической термодинамики!
ВВЕДЕНИЕ
Физическая химия (ФХ) - наука, объясняющая химические явления и устанавливающая их закономерности на основе физических принципов и законов. Её основными (базовыми) разделами являются строение вещества, химическая кинетика и катализ, химическая термодинамика.
Строение вещества - учение о строении атомов, молекул, ионов и других частиц, о природе взаимодействий между ними, о структуре и свойствах веществ в их различных агрегатных состояниях. Это учение базируется на таких физических науках, как квантовая механика, молекулярная физика и статистическая термодинамика.
Химическая кинетика и катализ - учение о протекании химических реакций во времени, о скорости и механизме (последовательности стадий) химических реакций. Информация о влиянии на скорость реакций различных факторов (температура, давление, концентрации реагентов, катализаторы, примеси и т.д.) представляет не только научный интерес, но и необходима для оптимального управления химическим процессом в промышленности.
Данное пособие посвящено химической термодинамике.
Химическая термодинамика- учение, позволяющее выявить основные соотношения и характеристики веществ и химических процессов, не рассматривая строения вещества (его тонкой структуры), координат и скоростей его частиц и конкретного механизма процессов. Химическая тер-модинамика не рассматривает протекание процессов во времени – этими проблемами занимается химическая кинетика.
Химическая термодинамика базируется на материале одной из физических науке - классической термодинамике (от греч. "термос" - тепло, "динамос" - сила, мощь). Классическая термодинамика исследует явления главным образом с помощью двух законов термодинамики, созданных в середине XIX века трудами Карно, Майера, Гельмгольца, Джоуля, Клаузиуса, В. Томсона.
Первый закон термодинамики устанавливает взаимосвязь между изменением внутренней энергии термодинамической системы и способами передачи энергии – теплотой и работой. Фактически - это закон сохранения энергии для систем, состоящих из большого числа частиц (макросистем). Этот закон является теоретическим обоснованием такого важнейшего раздела химической термодинамики как термохимия.
Второй закон устанавливает критерии самопроизвольного протекания процессов и условия достижения равновесия в макросистемах. Из этого закона вытекают строгие критерии, позволяющие установить направление самопроизвольного протекания термодинамических процессов, а так же условия равновесия в термодинамических системах.
Из первого и второго законов термодинамики выводятся все термодинамические закономерности. Таким образом, термодинамика (а, следовательно, и химическая термодинамика тоже) строится по дедуктивному принципу.
Химическая термодинамика имеет огромное значение для всей химии, поскольку она рассматривает тепловые эффекты химических процессов и превращений вещества из одного агрегатного состояния в другое (фазовые превращения), химические и фазовые равновесия. Особое значение имеют законы, описывающие химические равновесия, поскольку они позволяют:
определить условия (давление, температуру), при которых становится возможен данный процесс без совершения внешней работы;
найти пределы устойчивости изучаемого вещества или совокупности веществ в тех или иных условиях;
выяснить пути уменьшения количества получаемых при реакции нежелательных веществ или даже вообще избежать их образования;
выбрать оптимальный режим процесса, обеспечивающий максимальный выход продукта;
рассчитать максимум полезной работы, например, электрической, которую можно совершить за счёт химической реакции.