Методичка по общей химии
.pdfионов в молекуле электролита: NaCl (2), CaCl2 (3), Na3PO4
(4), Al2(SO4)3 (5).
2. Давление насыщенного пара присуще каждой
жидкости. Пар,
находящийся в равновесии с жидкостью, называется насыщенным. При растворении в жидкости нелетучего
вещества давление пара рас-твора понижается по сравнению
с чистым растворителем. Разность между давлениями называется понижением давления пара раство-рителя (∆p = p0
– p). Если это понижение отнести к р0, то оно на-зывается
относительным понижением ( |
po |
- p |
= |
n |
), и |
равно моляр-ной |
|||
p |
|
n + N |
|||||||
|
|
|
|
o |
|
|
|
|
|
доле |
растворенного |
вещества |
(закон |
Рауля) |
или |
n |
|
∆p = p0 n + N |
, где n – число молей растворенного |
вещества,
N − число молей растворителя.
Для реальных растворов в это уравнение необходимо
ввести изо-тонический коэффициент: |
po |
−p |
|
|
n |
|||
|
|
= i |
|
|
. |
|||
p |
o |
n |
+ N |
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0. Температура кипения |
и |
кристаллизации |
растворов |
зависят от давления пара над растворами. Жидкость закипает, когда
давление её пара достигает внешнего атмосферного давления.
Вследствие пони-жения давления пара растворителя над раствором температура кипе-ния раствора всегда выше, чем чистого растворителя. Разность между
42
температурами кипения называется повышением температуры ки-пения (∆tкип. или ∆Tкип.).
Жидкость кристаллизуется (затвердевает), когда
давление её пара становится равным давлению насыщенного пара соответствующей твёрдой фазы. Давление пара льда
достигается у водного раствора при более низкой температуре, чем у растворителя (воды).
Разность между температурами кристаллизации называют пони-жением температуры кристаллизации (∆tкрист. или
∆Tкрист.). Темпера-туру кристаллизации часто называют температурой замерзания.
Понижение температуры кристаллизации, повышение
темпера-туры кипения раствора пропорционально концентрации раство-рённого вещества (следствия из закона Рауля):
∆tкрист.= K. в(X), ∆tкип.= Е. в(X), где
K и Е − коэффициенты пропорциональности, называемые
криоскопи-ческой и эбулиоскопической постоянными,
соответственно.
Если в(X) = 1 моль/кг, то K = ∆tкрист., Е = ∆tкип.. В этом заключён их физический смысл.
K и Е зависят от химической природы растворителя и не зависят от природы растворённого вещества.
Для реальных растворов: ∆tкрист.= i .K. в(X), ∆tкип.= i. Е.
в(X).
С помощью закона Рауля и следствий из него можно
вычислять молекулярные массы растворённых веществ:
M(X) = |
|
K m(X)1000 |
, |
M(X) = |
|
Е m(X)1000 |
, где |
||
∆t |
крист. |
m(р-рителя) |
∆t |
|
m(р-рителя) |
||||
|
|
|
|
|
кип. |
|
|
массы растворённого вещества и растворителя измерены в граммах.
Задачи с решениями.
0. Вычислите осмотическое давление раствора, содержащего в 1,5 л 135 г глюкозы С6Н12О6 при 00С.
59
изобарно-изотермическим потенциалом)?
19. Каким образом изменение энергии Гиббса (∆G) указывает на тер-модинамическую возможность или невозможность самопроизвольного протекания процесса? Какое значение ∆G
определяет равновесное состояние системы?
20. При каком соотношении ∆H и T.∆S: а) система находится в равно-весии; б) химический процесс направлен в сторону экзоили эндо-термической реакции?
21.Чем объясняется возможность эндотермических реакций и поче-му она возрастает с увеличением температуры?
22.Энтальпийным или энтропийным фактором определяется направ-ление химической реакции при очень низких температурах?
23.При каких значениях по знаку ∆H и T.∆S в системе возможны только экзотермические процессы?
24.Вычислите значение ∆Hреакции превращения глюкозы в организ-ме: а) C6H12O6(к) = 2C2H5OH(ж) + 2СO2(г)
б) C6H12O6(к) + 6O2(г) = 6СО2(г) + 6 Н2О(ж)
Какая из этих реакций поставляет организму больше
энергии?
∆Hƒ(C6H12O6 (к)) = −1273 кДж/моль, ∆Hƒ(C2H5OH) = −278
кДж/моль
∆Hƒ(CO2 (г)) = −393 кДж/моль, ∆Hƒ(H2O(ж) ) = −286 кДж/моль
Ответ: а) −69 кДж; б) −2801 кДж.
25. Теплоты сгорания углеводов, белков и жиров в организме чело-века составляют соответственно 4,6; 4,2;
9,3 ккал/г. Среднесуточная потребность в углеводах, белках и жирах для студентов − мужчин сос-тавляет 451, 113 и 106
г, для студентов − женщин 383, 96 и 90 г. Ка-кова суточная потребность студентов в энергии?
Ответ: 3535 ккал и 3002 ккал.
26. Теплоты образования Н2О (ж) и Н2О (г) равны соответственно −286 и −242 кДж/моль. Определите теплоту испарения воды. Сколько тепло-
58
3.Что называют функцией состояния системы? Перечислите функ-ции состояния.
4.Какую энергию называют внутренней энергией системы
(U)?
5.Какова формулировка I начала термодинамики? Запишите матема-тическое выражение этого закона.
6.При каких условиях изменение внутренней энергии (∆U)
равно теплоте, получаемой системой из окружающей среды?
7.Какой процесс называют изобарным? На что затрачивается теп-лота, получаемая системой в условиях постоянного давления?
8.К какому изменению внутренней энергии проявляет стремление каждая система? В чём это находит выражение?
9.Каким уравнением определяется энтальпия и её изменение?
10.При каких условиях изменение энтальпии (∆H) равно теплоте, получаемой системой из окружающей среды?
11.Какой закон является основным законом термохимии? Кто ав-тор? Дайте формулировку.
12.Что называется тепловым эффектом химической реакции?
Какие уравнения называются термохимическими?
13. Что называют теплотой: а) образования; б) сгорания веществ? В каких единицах их выражают?
14. Перечислите следствия, вытекающие из закона Гесса.
Для каких определений они используются в термохимических расчётах?
15.В изолированных системах все самопроизвольные процессы про-текают в сторону увеличения беспорядка. Как изменяется при этом энтропия?
16.Какую тенденцию системы выражает: а) энтальпийный; б)
энтро-пийный фактор?
17. Какая функция состояния системы даёт количественную харак-теристику одновременного влияния энтальпийного и энтропийного факторов? Каким уравнением это выражается?
18.Какую энергию называют энергией Гиббса
(свободной энергией,
|
|
43 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Дано: |
|
Решение: |
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
V(p-pa) = 1,5 л |
|
С(С6Н12О6) = |
m(C6H12O6) |
135 |
= |
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
= |
|
||
|
|
M(C |
H |
O |
|
) V(p-pa) |
1801,5 |
||||
m(С6Н12О6) = 135 |
г |
|
0,5 (моль/л); |
6 12 |
|
6 |
|
|
|
|
|
Pосм. = ? |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
t = 00C, T = t0C + |
|
Pосм. = C.R.T = 0,5.8,31.273 = |
|
||||||||
273 |
|
|
1134,315 (кПа) |
|
|
|
|
|
|
|
|
M(С6Н12О6) = 180 г/моль |
|
Ответ |
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
: 1134,315 кПа. |
|
|
|
2. Определите молярную массу вещества, если в 5 л его
раствора со-держится 25 |
г вещества. Осмотическое давление |
|||||||
этого раствора равно 23 |
кПа при 200С. |
|||||||
Дано: |
|
Решение: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
V(p-pa) = 5 |
|
1) С(Х) = |
|
Pосм. |
= |
23 |
= 0,0945 (моль/л); |
|
|
|
8,31 293 |
||||||
л |
|
|
|
R T |
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
||
P = 23 |
кПа |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
t = 200C |
|
2) М(Х) = |
m(X) |
= |
25 |
= 52,9 (г/моль) |
|
|
|||||||
C(X) V(p-pa) |
0,0945 5 |
||||||
M(X) =? |
|
|
|
|
|||
|
Ответ: 52,9 г/моль. |
|
|
||||
T = t0C + |
|
|
|
||||
273 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
3. Сколько (г) глюкозы С6Н12О6 должен содержать 1 л
раствора, что-бы его осмотическое давление было таким же,
как и раствора, содер-жащего в 1 л при той же температуре
34,2 г сахарозы С12Н22О11? |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
Дано: |
|
Решение: |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
V(p-pa1) = 1 л |
|
1) |
по условию Р1 = P2, |
|
||||||||||
V(p-pa 2) = 1 л |
|
|
следовательно С1 = С2 |
|
||||||||||
m(С12Н22О11) = 34,2 г |
|
2) |
С2 = |
m2 |
= |
34,2 |
= 0,1 |
|
||||||
P1 = P2 |
|
M |
|
V |
|
|
3421 |
|
||||||
|
|
|
|
2 |
2 |
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
(моль/л) |
|
|
|
|
|
||||
m(С6Н12О6) = ? |
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
M1(С6Н12О6) = 180г/моль |
3) |
m1 = C1.M1.V1 = 0,1.180.1 = 18 |
|
|||||||||||
M2(С12Н22О11)= 342 |
|
|
(г). |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
г/моль |
|
Ответ: 18 г. |
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
5. Какова степень |
электролитической |
|
диссоциации |
(α) |
||||||||||
|
дихлоруксус- |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ной кислоты в 0,01 М растворе, если при 300 K этот раствор создает осмотическое давление 43596,4 Па?
|
|
|
|
|
44 |
|
|
|
|
||
Дано: |
|
Решение: |
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|||||||
С(СHCl2COOH) |
|
|
|
. |
. . |
|
Pосм. |
||||
|
|
|
|
|
|
1) Росм. = i |
|
C(X) R T, |
i= |
|
|
=0,01моль/л |
|
|
|
|
С(X) R T |
||||||
|
|
|
i = 0,018,31300 = 1, 75 |
|
|
||||||
Pосм. = 43596,4 Па |
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
43,5964 |
|
|
|
|
|
α = ? |
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2) α = ni−−11 , где n − число ионов, на которые распадается
молекула |
|
данного электролита: СHCl2COOH |
СHCl2COO− + H+ |
По уравнению n = 2, α = 1,752−1−1 = 0,75 .
Ответ: 0,75 (75%). |
|
|
|
|
|
|
|
|
5.Что произойдёт |
с эритроцитами при 310 K в 2%-ном |
|||||||
растворе глю-козы (ρ = 1,006 г/мл)? |
||||||||
Дано: |
|
Решение: |
||||||
|
||||||||
T = 310 K |
|
Росм. |
= C(X).R.T = |
10 ρ(p-pa) ω%(X) |
R T |
|||
|
||||||||
ω(C6H12O6) = 2% |
|
|
|
|
|
M(X) |
||
|
|
|
101,006 2 |
|
|
|
||
ρ = 1,006 г/ |
мл |
|
1) |
Росм. = |
8,31310 = 287,951 |
|||
|
|
|||||||
Росм. = ? |
|
|
180 |
|
|
|
||
|
(кПа) |
|||||||
M(C6H12O6) = 180 |
|
|||||||
|
2) |
Росм.(р-ра глюкозы) < |
||||||
г/моль |
|
|||||||
|
Росм.(крови), следовательно, в таком |
|||||||
|
|
|
||||||
|
|
|
растворе произой-дёт гемолиз. |
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
6. Вычислите давление пара раствора, содержащего 34,2 г
сахарозы С12Н22О11 в |
180 г воды при 300С, если давление |
||||||||||
паров воды при этой температуре равно 0,42.105 Па. |
|||||||||||
Дано: |
|
Решение: |
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
||||||
m(С12Н22О11) = 34,2 г |
|
0) |
n = ν(С12Н22О11) = 34,2/342 = 0,1 |
||||||||
m(H2O) = 180 г |
|
|
моль |
|
|
|
|
|
|||
P0 |
= 4,2.104 |
Па |
|
|
0) |
N = ν (H2O) = 180/18 = |
10 моль |
||||
|
|
||||||||||
P = ? |
|
|
|
P n |
4,2104 0,1 |
. 4 |
|||||
|
|
|
|
|
0) |
P = |
o |
|
|
||
M(С12Н22О11) = 342 |
|
|
= |
|
|
= 4,16 10 |
|||||
N + n |
10+0,1 |
||||||||||
г/моль |
|
|
Па |
|
|
|
|
|
|||
M(H2O) = 18 г/моль |
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
Ответ: 4,16.104 Па. |
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
57 |
|
|
|
|
|
−72,9 − 18,02 = −90,92 (кДж/моль). Ответ: − 90,92
кДж/моль.
4. Рассчитайте изменение энергии Гиббса для процесса окисления глюкозы C6H12O6(к) + 6O2(г) = 6СО2(г) + 6Н2О(ж) при температуре 37°, ес-ли ∆Нсгор.(С6Н12О6) = − 2801 кДж/моль, а энтропии веществ равны (в Дж/моль.K): S(C6H12O6) = 210, S(O2) = 205, S(CO2) = 213, S (H2O) = 70.
Решение:
1)∆Sреакции = ΣSƒ(продуктов) − ΣSƒ(исх. в-в) = [6.Sƒ(CO2) + 6.Sƒ(H2O)] − [Sƒ(C6H12O6) + 6.Sƒ(O2)] = 6.213 + 6.70 − (210 + 6.205) = 58 (Дж/моль.K)
2)∆G = ∆H − T.∆S = −2801 − 310.258.10−3 = −2881(кДж/моль )
3)∆G << 0, что свидетельствует о самопроизвольном протекании про-цесса окисления глюкозы в организме. ∆H < 0
(экзотермическая реак-ция), ∆S > 0, т.е. и энтальпийный, и
энтропийный факторы способ-ствуют протеканию реакции.
5. При некоторой |
температуре Т эндотермическая |
реакция |
А→В практически |
идёт до конца. Определите: |
а) знак |
∆Sреакции; б) знак ∆Gреакции В → А при температуре Т; в) возможность протекания реак-ции В → А при низких
температурах. |
|
|
|
|
Решение: |
|
А→В, поэтому при ∆H > |
|
|
а) ∆G < 0 для |
реакции |
0 для |
этой |
|
реакции, ∆S > |
0 , что |
следует из соотношения |
∆G = |
∆H − |
T.∆S; |
|
|
|
|
б) ∆G > 0 для реакции В → А, ∆H < 0 и ∆S < 0;
в) реакция В → А возможна, при низких температурах T.∆S
мало и ∆H > T.∆S (по абсолютной величине), поэтому ∆G < 0.
Вопросы и задачи для самоподготовки.
1.Что называют системой в химической термодинамике?
Какова классификация систем?
2. |
Какие условия |
состояния системы называются |
|
стандартными? |
|
|
|
|
|
56 |
|
∆Hƒ(NO2)= 7,43 ккал/моль |
|
2.7,43 − 2.21,6 = −28,34 |
|
|
|||
∆Hреакции = ? |
|
(ккал); |
|
1ккал = 4,18 кДж |
|
2) ∆Hреак.= −28,34 .4,18 = |
|
|
|
|
−118,46 (кДж); |
|
|
|
Ответ: − 118,46 кДж. |
|
|
|
|
2. Теплоты сгорания ацетилена и этана равны соответственно
−1300 и −1540 кДж/моль. Чему равна теплота гидрирования
ацетилена до этана? |
|
|
||
Дано: |
|
|
Решение: |
|
|
|
|
||
∆Hсгор.(C2H2) = |
|
C2H2 + 2H2 = C2H6 |
||
−1300кДж/моль |
|
∆Hсгор.(H2) = ∆Hобр.(H2O) = −286 |
||
∆Hсгор.(C2H6)= |
|
(кДж/моль) |
|
|
−1540кДж/моль |
|
|
|
|
∆Hреакции = ? |
|
|
|
|
∆Hреакции = [∆Hсгор.(C2H2) + 2. |
∆Hсгор.(H2)] − ∆Hсгор.(C2H6) = |
|||
−1300 − 2.286 + 1540 = −332 (кДж) |
|
|||
Ответ: − 332 кДж. |
|
|
|
|
3. |
Вычислите |
теплоту |
образования |
кристаллогидрата |
СaCl2.6H2O из безводной соли (теплоту гидратации) по следующим данным: теплота растворения CaCl2.6H2O равна
+18,02 кДж/моль, теплота растворе-ния CaCl2 равна −72,9
кДж/моль.
Решение: 1) составим треугольник Гесса:
CaCl2.6H2O
∆Hгидрат.
∆Hрастворения (CaCl2.6H2O)
CaCl2, H2O
CaCl2
∆Hрастворения (CaCl2)
0) По треугольнику Гесса:
∆Hрастворения (CaCl2) = ∆Hгидр. + ∆Hрастворения
(CaCl2.6H2O)
∆Hгидр. = ∆Нрастворения (CaCl2) − ∆Hрастворения (CaCl2.6H2O) =
45 7. Определите молярную массу вещества, если над раствором,
содер-жащим 21 г вещества в 400 г ацетона, давление пара равно 21854,4 Па. Давление пара ацетона при этой
температуре равно 23939,35 Па. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
Дано: |
|
Решение: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||
m(в-ва) = 21 г |
|
0) N = ν((СН3)2СО) = 400/58 = 6,9 |
|||||||||||||||||||
m((СН3)2СО) = 400 г |
|
|
|
|
(моль) |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
P1 = 21854,4 Па |
|
2) |
|
Po −P |
= |
|
n |
; |
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
P |
|
|
|
n+N |
|
|
|
|||||||
P0 = 23939,35 Па |
|
|
|
|
|
|
o |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
M(в-ва) = ? |
|
|
|
23939,35−21854,4 |
= |
n |
|||||||||||||||
M ((СН3)2СО) = 58 |
|
|
|
|
23939,35 |
|
|
|
|
|
n+6,9 |
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
г/моль |
|
2084,95 |
|
= |
|
|
|
n |
; |
n = 0,658; |
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
23939,35 |
|
|
|
n+6,9 |
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
3)M(в-ва) = 21/ 0,658 = 32 (г/моль).
Ответ: 32 г/моль.
8. Определите температуру кипения и замерзания раствора,
содержа-щего 1 г нитробензола в 10 г бензола. Е(С6Н6) =
2,570, K(C6H6) = 5,10. Температура кипения чистого бензола равна 80,20С, а замерзания −5,40С.
Дано: |
|
Решение: |
|
||||||||
m(C6H5NO2) = 1г |
|
1) в(Х) = |
m(X) |
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1000 |
||
m(C6H6) = 10 г |
|
M(X) m(р-ля) |
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|||||
K(C6H6) = 5,10 |
|
1 |
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
в(C6H5NO2) = |
|
1000 |
= 0,813 |
||
Е(С6Н6) = 2,570 |
|
12310 |
|||||||||
|
(моль/кг) |
|
|||||||||
tкип. = 80,20C |
|
|
|||||||||
tзам. = 5,4 |
0C |
|
2) ∆tзам.= K. в(X), ∆tкип.= Е. в(X) |
||||||||
|
|
|
|
|
∆tкип.= 2,57.0,813 = 2,090; |
||||||
tкип. (p-pa) = ? |
|||||||||||
tзам. (p-pa) = ? |
∆tзам.= 5,1.0,813 = 4,150 |
||||||||||
M(C6H5NO2) = 123 |
3) tкип.= 80,2 + 2,09 = 82,290С |
||||||||||
г/моль |
|
tзам.= 5,4 − 4,15 = 1,250С |
|||||||||
Ответ: 82,290С; 1,250С. |
|
|
|
|
|
|
|||||
9. |
Определите |
молярную |
массу растворённого вещества, если |
||||||||
4 |
г ве-щества |
растворены в 110 г этанола С2Н5ОН, а |
раствор кипит при
46 78,620С, зная, что Е(С2Н5ОН) = 1,220, температура кипения спирта 78,30С.
Дано: |
|
Решение: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
m(в-ва) = 4 г |
0) |
∆tкип.= 78,62 − 78,3 = 0,320 |
|
|||||||||||
m(C2H5OH) = |
110 |
2) |
∆tкип.= Е. в(X) = |
|
|
m(X) |
|
|||||||
г |
|
|
|
|
|
|
1000 |
|||||||
|
|
|
M(X) m(р-ля) |
|||||||||||
E(C2H5OH) |
= |
M(в-ва) = |
|
|
E 1000 |
|
|
1,221000 |
= 138,64 |
|||||
|
|
|
|
|
|
|
= |
|
||||||
0 |
|
∆t |
кип. |
m(C |
2 |
H OH) |
0,32110 |
|||||||
1,22 |
|
|
|
|
|
|
5 |
|
|
|
|
|||
t = 78,30C |
|
(г/моль). |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
M(в-ва) = ? |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Ответ: 138,64 г/моль.
Вопросы и задачи для самоподготовки.
1.Какие физико-химические свойства называют коллигативными? Перечислите.
2.От чего зависит количественное выражение этих свойств?
3.Какие мембраны называются полупроницаемыми? Приведите при-меры материалов, обладающих свойством избирательной проницае-мости.
4.Какое давление называют осмотическим? В каких приборах оно оп-ределяется?
5.От каких факторов зависит осмотическое давление и каким урав-нением эта зависимость выражается?
6. |
В каких случаях растворы электролитов при одной и той |
же |
тем-пературе имеют одинаковое осмотическое давление? |
Как называют та-кие растворы?
7.Какой раствор по отношению к другому называют: а)
гипертони-ческим; б) гипотоническим? В сторону какого из них должен быть направлен осмос?
8. Дайте формулировку и приведите математическое выражение зако-на Рауля.
55
Самопроизвольный переход системы из начального состояния (G1) в конечное (G2) возможен при условии G1 > G2
(∆G < 0). Если G1 = G2, (∆G = 0), то система находится в равновесии.
Энергия Гиббса связана с энтальпийным и энтропийным факторами:
∆G = ∆H − T.∆S (2ое начало термодинамики).
Для вычисления ∆G реакции пользуются первым следствием
из за-кона Гесса:
∆Gреакции = Σ∆Gƒ(продуктов) − Σ∆Gƒ(исх. в-в)
Обычно расчеты ∆H, ∆S, ∆G производят при стандартных усло-виях: р = 101,3 кПа, Т = 298 К.
Способность веществ к химическому взаимодействию называют химическим сродством, мерой химического сродства служит измене-ние энергии Гиббса. Чем более отрицательна величина ∆G, тем больше реакционная способность веществ.
Анализ соотношения ∆G = ∆Н − T.∆S показывает, что:
1)если ∆H < 0 и ∆S > 0, то ∆G < 0 − при любых температурах;
2)если ∆H < 0 и ∆S < 0, то ∆G < 0 при достаточных низких темпе-ратурах, т.е. при |∆H| > |T.∆S|;
3)если ∆H > 0 и ∆S > 0, то ∆G < 0 при достаточно высоких темпе-ратурах, т.е. при |T.∆ S| > |∆H|;
4)если ∆H > 0 и ∆S < 0, то ∆G > 0 при любых температурах.
Задачи с решениями.
1. Энтальпии образования NO и NO2 равны соответственно
21,6 и 7,43 ккал/моль. Вычислите тепловой эффект реакции:
2NO + O2 = 2NO2 в кДж. |
|
|
Дано: |
|
Решение: |
|
||
∆Hƒ(NO) = 21,6 |
|
1) ∆Нреак. = 2.∆Hƒ(NO2) − 2.∆Hƒ(NO) = |
ккал/моль |
|
|
|
|
|
54
дии равен: ∆H = ∆H1 + ∆H2 Закон Гесса распространяется не только на химические реакции, но и на все процессы, сопровож-дающиеся тепловыми эффектами:
фазовые превращения, растворение, кристаллизацию,
испарение и т.д.
В соответствии со следствиями из закона Гесса для
реакции обще-го вида: |
aA + bB = cC + |
dD |
|
∆Hреак.= Σ∆Hƒ(прод.) − Σ∆Hƒ(исх. веществ) = [c.∆Hƒ(C) + d.∆Hƒ(D)] − [a.∆Hƒ(A) + b.∆Hƒ(B)]
∆Hреак. = Σ∆Hсгор.(исх. веществ) − Σ∆Hсгор. (продуктов) = [a.∆Hсгор. (A) + b.∆Hсгор. (B)] − [с.∆Hсгор. (C) + d.∆Hсгор. (D)]
Химические реакции протекают как с уменьшением энтальпии (экзотермические реакции, ∆H < 0), так и с
увеличением энтальпии (эндотермические реакции, ∆H > 0).
Направление, в котором самопроизвольно (т.е. без каких-либо внешних воздействий ) протекает химическая
реакция, определяется совместным действием двух факторов:
а) энтальпийным, ∆H < 0 |
|
|
|
|
|
б) энтропийным, ∆S > 0 (точнее T.∆S) |
|
|
|||
Для вычисления |
изменения энтропии |
химической |
|||
реакции при-меняют первое следствие из закона Гесса: |
|||||
∆Sреакции = ∆Sƒ(продуктов) − ∆Sƒ(исх. в-в). |
|||||
О знаке изменения энтропии можно судить |
по |
изменению |
|||
объёма системы: |
|
|
|
|
|
1) ∆S > 0, если V2 |
> V1; |
т.к.V2 |
− V1 |
= ∆V , то ∆V > |
|
0. |
|
|
|
|
|
2) ∆S < 0, если V2 |
< V1; |
т.к. V2 |
− V1 |
= ∆V , то ∆V |
|
< 0 |
|
|
|
|
|
В природе самопроизвольно протекают только те процессы, кото-рые сопровождаются уменьшением энергии Гиббса: ∆G < 0 при p=const, T = const (∆G = G2 – G1 ).
47
9.Какие два следствия вытекают из закона Рауля?
10.Когда жидкости затвердевают (кристаллизуются),
закипают?
11.Какие константы называют криоскопической,
эбулиоскопической константой? Зависят ли они от природы растворённого вещества и растворителя?
12. Верно ли утверждение, что все одномоляльные водные растворы неэлектролитов а) закипают при 100,520С, б)
кристаллизуются при −1,860С? Ответ мотивируйте.
13.Что называют изотоническим коэффициентом (i)? Каков физи-ческий смысл i? Каковы методы экспериментального определения?
14.Как связаны между собой степень электролитической диссоциа-ции (ионизации) и изотонический коэффициент?
15.Как определяют молекулярные массы растворённых веществ по коллигативным свойствам? Приведите формулы для расчёта.
16.Определите осмотическое давление раствора, в 1 л
которого содер-жится 18,4 г глицерина (С3Н8О3) при 00С.
Ответ: 4,54.105 Па.
17.Вычислите осмотическое давление раствора, в 5 л
которого содер-жится 171 г сахара С12Н22О11 при 250С. Ответ: 2,477.105 Па.
18.400 мл раствора содержит 2 г растворённого вещества при 270С. Осмотическое давление раствора 1,216.105 Па.
Определите молярную массу растворённого вещества. Ответ: 102,5 г/моль.
19.Раствор сахарозы С12Н22О11 при 00С оказывает осмотическое дав-ление 7,1.105 Па. Сколько (г) сахарозы
содержится в 250 мл такого раствора? Ответ: 18 г.
20.Сколько (г) этанола С2Н5ОН надо растворить в 500 мл воды, чтобы осмотическое давление этого раствора при 200С
составляло 4,052.105 Па. Ответ: 3,8 г.
21.Осмотическое давление раствора, объём которого 5 л,
при 270С равно 1,2.105 Па. Какова молярная концентрация этого раствора? Ответ: 0,053 моль/л.
22. Сколько (г) этанола С2Н5ОН должен содержать 1 л
раствора, чтобы
48
его осмотическое давление было таким же, как и раствора,
содер-жащего в 1 л при той же температуре 4,5 г
формальдегида СН2О? Ответ: 6,9 г.
23. 200 мл раствора содержит 1 г растворённого вещества.
При 200С раствор имеет осмотическое давление 4,3.105 Па.
Определите моляр-ную массу растворённого вещества. Ответ:
283 |
г/моль. |
|
|
24. |
Определите молярную массу растворённого вещества, если |
||
рас-твор, содержащий в 0,5 л 6 г вещества |
при |
170С |
|
обладает осмоти-ческим давлением 4,82.105 Па. |
Ответ: |
62 |
|
г/моль. |
|
|
25.Вычислите осмотическое давление раствора, в 1 л
которого содер-жится 0,2 моля неэлектролита: а) при 00С; б) при 180С.
Ответ: 4,54.105 Па; 4,84.105 Па.
26. Определите будут ли при одной и той же температуре изотоничес-ким 3%-ные водные растворы сахарозы С12Н22О11 и
глицерина С3Н8О3. Плотности растворов примите равными 1
г/мл.
Ответ: не будут.
27. Осмотическое давление раствора, объём которого 3 л при
100С рав-но 1,2.105 Па. Какова молярность этого раствора?
Ответ: 0,05 моль/л.
28. Рассчитайте осмотическое давление при 310 K 20%-ного водного раствора глюкозы (ρ = 1,08 г/мл), применяемого для внутривенного введения при отёке лёгкого. Каким будет этот раствор по отношению к крови, если учесть, что Росм. крови равно 740 − 780 кПа?
Ответ: 3091,3 кПа; гипертоническим.
29. Рассчитайте осмотическое давление 0,01 М раствора хлорида ка-лия при 310 K, если изотонический коэффициент равен 1,96. Каким будет этот раствор по отношению к плазме крови?
Ответ: 50,5 кПа; гипотоничен.
30.Вычислите давление пара 30%-ного водного раствора карбамида СО(NН2)2 при 500С. Давление пара воды при этой температуре равно 12,33 кПа. Ответ: 10,93 кПа.
31.Определите давление пара раствора, содержащего
1,212.1023 моле-
53
Q = ∆U + A (I начало термодинамики)
∆U = Q − A; |
U2 − U1 = Q − A, |
||
где Q – теплота, А – работа расширения. При постоянном |
|||
давлении А равна р. ∆ v = |
p. (v2 − |
v1), |
где V1 и V2 − объём |
системы в исходном (начальном, V1) |
и |
конечном состояниях |
|
(V2). Т а к и м о б р а з о м: |
|
|
Qp = (U2 − U1) + p.(V2 − V1) = (U2 + p.V2) − (U1 + p.V1).
Сумму U + p.v называют энтальной и обозначают Н: ∆H = ∆U +
p.∆V.
Тепловой эффект реакции при изобарном процессе Qp
равен изме-нению энтальпии ∆H: |
Qp = H2 |
– H1 = ∆H |
Для изобарного процесса: ∆H = ∆Hкон |
− ∆Hисх |
|
Для изохорного процесса |
тепловой |
эффект реакции Qv |
равен изменению внутренней энергии системы: Qv = U2 – U1 =
∆U.
Для изохорного процесса: ∆U = ∆Uкон – ∆Uисх. Термохимические расчеты основаны на законе Гесса и
следствиях из него.
Для реакции А → D , ∆H, протекающей через
промежуточные стадии:
B → C, ∆H2
C → D, ∆H3
по закону Гесса: ∆H = ∆H1 + ∆H2 + ∆H3 или по многоугольнику Гесса (в нашем примере четырехугольнику):
А |
∆H |
D |
|
∆H1
∆H3 |
|
|
|
|
|
|
|
|
B |
|
∆H2 |
C |
|
|
|
|
|
тепловой |
эффект |
прямого |
превращения |
или |
через |
промежуточные ста- |
|
|
|
|
52
ЗАНЯТИЕ 6
Тема: Обобщение знаний по объёмному анализу (1 час)
Контрольная работа по разделам:
«Учение о растворах», «Объёмный анализ» (2часа)
Образец билета контрольной работы
0.До какого объёма надо разбавить 500 мл 20%-ного (по массе) рас-
твора NaCl (ρ=1,152 г/мл), чтобы приготовить 4,5%-ный раствор (ρ=1,029 г/мл)? Ответ: до 2,49 л.
0.Чему равны концентрация ионов водорода и pH раствора муравьи-
ной кислоты (HCOOH), если α = 0,03, Ka = 1,8 . 10−4 ?
Ответ: 6. 10−3 моль/л, 2,22.
0. При растворении 13,0 г неэлектролита в 400 г
диэтилового эфира
температура кипения повысилась на 0,453 K. Определите молеку-лярную массу растворенного вещества. Е(эфира) = 2,02. Ответ: 145.
0.Определите титр и нормальную концентрацию раствора перманга-
ната калия, если на титрование навески оксалата натрия,
равной 0,0165 г, затрачено 20 мл раствора KMnO4.
Ответ: 0,000367 г/мл, 0,0116 моль/л.
ЗАНЯТИЕ 7
Тема: «Элементы химической термодинамики и биоэнергетики.
Термохимия».
Тепловые эффекты химических реакций связаны с изменением внутренней энергии системы при переходе от исходных веществ (U1) к продуктам реакции (U2): ∆U = U2 −
U1. Изменение внутренней энер-гии не зависит от пути перехода, а зависит от начального и конечного состояний системы, определяемых давлением (р), объёмом (V) и
температурой (Т):
49
кул вещества в 500 г воды при 1000С, если давление пара воды при этой температуре равно 101,3 кПа. Ответ: 100,58
кПа.
32. Давление пара раствора, содержащего 20 г растворённого ве-щества в 180 г воды равно 3,64 кПа. Определите молярную массу рас-творённого вещества, если давление пара воды при этой температуре равно 3,78 кПа. Ответ: 52 г/моль.
33. Понижение давления пара над раствором, содержащим 5,4
г ве-щества в 180 г воды, при 800С и над чистым растворителем при той же температуре равно 144 Па.
Определите молярную массу раство-рённого вещества. Ответ: 180 г/моль.
34.Давление пара воды при 300С составляет 4245,2 Па.
Сколько (г) сахарозы С12Н22О11 следует растворить в 800 г
воды, для получения раствора, давление пара которого на
33,3 Па меньше давления пара воды? Вычислите процентную концентрацию сахарозы в растворе. Ответ: 119,8 г; 13%.
35.Давление пара воды при 500С равно 12334 Па. Вычислите давле-ние пара раствора, содержащего 50 г этиленгликоля С2Н4(ОН)2 в 900 г воды. Ответ: 12140 Па.
36.Давление пара водного раствора неэлектролита при 800С
равно 33310 Па. Сколько (моль) воды приходится на 1 моль растворённого вещества в этом растворе? Давление пара воды при этой температуре равно 47375 Па. Ответ: 2,4 моль.
37.Рассчитайте молярную массу неэлектролита, если при
200С давле-ние пара над 63%-ным водным раствором этого