Химия_УМП
.pdfМинистерство образования Российской Федерации
ТОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ (ТУСУР)
Кафедра технологии радиоэлектронной аппаратуры (ТРЭА)
Смиров Г.В., Якунина Г.М.
ХИМИЯ
Учебное методическое пособие
2000
Смиров Г.В., Якунина Г.М.
Химия: Учебное методическое пособие. - Томск: Томский межвузовский центр дистанционного образования, 2000. – 149 с.
В учебно-методическом пособии по курсу “Химия” собран практический материал, апробированный при многолетнем преподавании химии для студентов ТУСУРа. Материал в пособии разбит по темам, в той же последовательности, что и в учебном пособии. Вначале каждой темы идет краткое напоминание теоретического материала, изложенного в лекциях, затем разбираются решения нескольких типовых задач и примеров. Для тем: основные понятия и законы химии, основные классы морганических соединений, окислительно-восстановительные реакции и электрохимические процессы
– решения типовых задач и примеров в настоящем пособии не приводятся, т.к. они приведены в учебном пособии.
После рассмотрения задач по каждой из тем приводятся варианты двух контрольных работ. В каждом варианте работы имеется вопросы из соответствующих тем. В конце пособия приведены приложения, необходимые для написания контрольных работ.
♥ Смиров Г.В., Якунина Г.М., 2000
♥Томский межвузовский центр дистанционного образования, 2000
3
СОДЕРЖАНИЕ
МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ ПО ВЫПОЛНЕНИЮ КОНТРОЛЬНЫХ РАБОТ …………………………………………… 5
1.ТЕРМОДИНАМИКА …………………………………………….. 6
1.1.Первое начало термодинамики …………………………….. 6
1.2.Расчеты, основанные на соотношениях между
теплоемкостью и теплотой процесса …………………….... 14
1.3.Термохимия. Закон Гесса …………………………………... 21
1.4.Зависимость теплового эффекта химической реакции
от температуры. Закон Кирхгофа …………………………. 25
1.5.Второе начало термодинамики …………………………….. 29
1.6.Вычисление изменения энергии Гиббса и Гельмгольца
вразных процессах …………………………………………. 37
1.7. Вопросы для самоконтроля ………………………………… |
42 |
2. КИНЕТИКА (СКОРОСТЬ ХИМИЧЕСКИХ РЕАКЦИЙ) ……… |
44 |
2.1. Гомогенные и гетерогенные реакции ……………………… |
44 |
2.2. Средняя и истинная скорости химической реакции ……… |
45 |
2.3. Закон действия масс ………………………………………… |
46 |
2.4.Примеры вычисления концентрации ………………………. 46
2.5.Вычисление скорости химической реакции ………………. 48
2.6.Порядок реакции …………………………………………….. 49
2.7.Правило Вант-Гоффа ………………………………………... 50
2.8.Уравнение Аррениуса. Энергия активации
химического процесса ……………………………………… 51
3.КИНЕТИЧЕСКИЕ И ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ О ХИМИЧЕСКОМ РАВНОВЕСИИ ……... 56
3.1. Необратимые и обратимые химические реакции, химическое равновесие ……………………………………. 56
3.2.Закон действия масс для обратимых реакций.
Константа равновесия ………………………………………. 56
3.3.Термодинамический вывод константы равновесия ………. 58
3.4.Соотношения между изменением изобарного потенциала реакции и константой равновесия. Уравнение изотермы реакции …………………………………………... 61
3.5.Зависимость константы равновесия от температуры. Уравнения изохоры и изобары реакции …………………... 64
3.6.Смещение равновесия. Принцип Ле-Шателье …………….. 66
4 |
|
3.7. Вычисление константы равновесия, равновесных и |
|
исходных концентраций веществ ………………………… |
67 |
3.8. Вопросы для самопроверки ………………………………… |
72 |
3.9.Гетерогенные равновесия …………………………………... 74
3.10.Контрольные вопросы ……………………………………... 80
4.СТРОЕНИЕ АТОМА …………………………………………….. 81
5.ХИМИЧЕСКАЯ СВЯЗЬ ………………………………………….. 92
6.ВАРИАНТЫ КОНТРОЛЬНЫХ РАБОТ ………………………… 100
6.1.Контрольная работа № 1 ……………………………………. 100
6.2.Контрольная работа № 2 ……………………………………. 116
РЕКОМЕНДУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА ………………………………. 128
ПРИЛОЖЕНИЕ ……………………………………………………… 129
5
МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ ПО ВЫПОЛНЕНИЮ КОНТРОЛЬНЫХ РАБОТ
Для выполнения контрольных работ студенту необходимо освоить теоретический материал, изложенный в учебном пособии и разобраться с решением задач и примеров по каждой из тем. Примеры решения типовых задач приведены либо в учебном пособии, либо в учебно-методическом пособии часть 2.
Вварианты первой контрольной работы включены вопросы следующих тем: основные понятия и законы химии; основные классы неорганических соединений; термодинамика; кинетика и гетерогенные равновесия.
Вварианты второй контрольной работы включены вопросы следующих тем: строение атома и периодическая система Д.И. Менделеева; химическая связь; строение молекулы; окислительно-востановительные реакции и электрохимические процессы.
Все необходимые сведения для решения задач приведены в приложениях пособия.
Основные требования к оформлению отчета по контрольным работам: текст должен быть выполнен в текстовом редакторе Word версий не ниже 6.0, шрифт Arial или Times New Roman, размер – 12, междустрочный интервал одинарный или полуторный, текст должен быть выровнен слева и справа. Абзац начинается с пробела 1 см. Поля: слева – 3 см, справа – 1,5 см, сверху – 1,5 см, снизу – 2 см. Страницы должны быть пронумерованы с помощью средств Word (Вставка | Номера страниц | Вверху страницы; От центра).
6
1.ТЕРМОДИНАМИКА
1.1.Первое начало термодинамики
Математическое выражение первого закона термодинамики имеет вид:
δQ = dU + δA , |
(1.1) |
т.е. теплота, поглощаемая системой, расходуется на увеличение внутренней энергией и на совершение работы.
Для конечного изменения состояния системы уравнения можно запи-
сать:
Q = U + A , |
(1.2.) |
где U = U2 −U1 считается положительным, если внутренняя энергия систе-
мы возрастает, и отрицательным, если убывает. Теплота Q считается положительной, если она поглощается системой, Q – отрицательной, если она выделяется. Работа А считается положительной, если система совершает работу, и отрицательной, если работа затрачивается на изменение системы.
Теплота, поглощенная в изобарном процессе, служит мерой приращения энтальпии системы. Как и внутренняя энергия, энтальпия есть функция состояния системы и может быть выражена через независимые параметры, характеризующие состояние системы (табл. 1.1).
Таблица 1.1
Основные формулы, применяемые для расчета работы, теплоты, энтальпии
|
Уравнение |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
Процесс |
состояния |
Работа А |
Теплота Q |
Изменение |
|||||||||||||
|
идеального |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Энтальпии |
||||
|
|
|
|
газа |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
H |
|
Изотермиче- |
|
|
|
|
nRT ln |
V2 |
|
|
nRT ln |
P1 |
|
|
|
|
|||
ский |
PV = const |
V1 |
P2 |
0 |
|
||||||||||||
|
|
|
|
||||||||||||||
T = const |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
2,3 nRTlq |
V2 |
|
2.3 nRTlq |
P1 |
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
V1 |
P2 |
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
Изохорный |
|
P |
|
= const |
|
|
|
|
|
|
−T1 ) |
U +V(P2 |
−P1 ) |
||||
V = const |
|
|
0 |
|
|
|
|
nCv (T2 |
|||||||||
|
T |
|
|
|
|
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Изобарный |
|
V |
= const |
P(V2 − V1 ) |
|
−T1 ) |
Qp = |
|
|||||||||
P = const |
|
|
nCp (T2 |
H |
|||||||||||||
|
T |
7
|
Уравнение |
|
|
|
|||
Процесс |
состояния |
Работа А |
Теплота Q |
Изменение |
|||
|
идеального |
|
|
Энтальпии |
|||
|
|
газа |
|
|
H |
||
Адиабатиче- |
PVγ = const |
|
|
|
|||
ский |
PVγ −1 |
= const |
nCv (T1 −T2 ) |
|
U+(P2V2 −P1V1) |
||
Q = 0 |
1−γ |
|
0 |
||||
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
= const |
|
|
|
|
TP γ |
|
|
|
|||
|
Tγ P1−γ |
= const |
|
|
|
Используя энтальпию и допустив, что в изучаемой системе имеет место только работа расширения, аналитическое выражение первого начала термодинамики можно записать в виде:
|
dQ = dH − UdP |
или Q = |
H − U P ; |
откуда |
H = |
U + U P . |
(1.3.) |
Пример 1
При нагревании 0,005 м3 криптона при постоянном объеме давление газа увеличилось на 3,35 105 Нм2 . Определить количество поглощенного теп-
ла, изменение внутренней энергии и изменение энтальпии, если γ =1,67 . Криптон считать идеальным газом.
Дано: V = 0.005м3 = const ,
P= 3.35 105 Hм2 ,
γ=1,65.
Определить: |
Qv ; U и |
|
H . |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
Решение: для изохорного процесса |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
Qv |
= |
U = nCv (T2 −T1 ) . |
|
|
|
(1) |
||||||||
Преобразуем эту формулу: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
Q |
v |
= |
U = nC |
|
T (1 − |
T1 |
) . |
|
|
|
(2) |
|||
|
|
|
|
|
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
v 2 |
T2 |
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
Уравнение состояния идеального газа для изохорного процесса равно |
||||||||||||||||
|
P |
= const , т.е. |
P1 |
= |
P2 |
, откуда |
T1 |
= |
P1 |
. |
(3) |
|||||
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
|
T |
|
|
T1 T2 |
|
|
|
|
T2 |
|
P2 |
|
Подставляем (3) в уравнение (2) и затем, преобразовывая полученное выражение, получим:
8
|
Q |
|
|
= U = nC T (1− |
P1 |
) = |
|
nCv T2 |
(P −P ) , |
|||||||||||||||||||
v |
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
v 2 |
|
|
|
P2 |
|
|
|
P2 |
|
|
2 |
1 |
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
Q |
|
= |
nCv T2 |
|
P . |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
(4) |
||||||||
|
|
|
|
|
v |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
P2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Для идеального газа: |
|
|
|
|
Cp − Cv = R, |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
Cp |
|
= γ. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
(5) |
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Cv |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
Решив систему уравнений (5) относительно Cp |
и Cv , находим, что |
|||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
C = |
|
R |
|
. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
(6) |
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
1− γ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
v |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Подставив (6) в формулу (4) и учтя, что согласно уравнению Менделее- |
||||||||||||||||||||||||||||
ва-Клапейрона |
nRT2 |
= V , получим: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
|
P2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Qv |
= |
U = |
|
V |
|
|
P, |
|
(7) |
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
− γ |
|
||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|||||
|
Qv = |
U = |
0,005 3,35 105 |
|
= 2500 |
|
Н |
2 =2500 Дж. |
||||||||||||||||||||
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
1,67 −1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
м |
|
Изменение энтальпии в изохорном процессе определяем по формуле:
|
|
H = U + V(P2 −P1 ) = U + V P , |
|
|
|
H = 2500 + 0,005 3,35 105 |
−2500 +1675 = 4175 Дж. |
|
Пример 2 |
|
|
|
Двуокись углерода в количестве 100 г находится при 0 0 С и давлении |
||
1,013 |
105 Н |
2 . Определить Q, A, U и |
H : |
|
м |
|
|
1)при изотермическом расширении до объема 0,2 м3 ;
2)при изобарном расширении до того же объема;
3)при изохорном нагревании до достижения давления 2,026 105 Нм2 ;
4)при адиабатическом сжатии до 2,026 105 Нм2 ;
9
Принять, |
что |
СО2 подчиняется законам идеальных газов, а истинная |
||||||||||||||||||||||
мольная теплоемкость СО2 при постоянном давлении |
постоянна и |
равна |
||||||||||||||||||||||
37,1 Дж(моль К) . |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
Решение: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1) для изотермического расширения |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||
|
|
|
|
|
U = 0 и |
|
H = 0 , |
|
T=const. |
|
|
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
Q = A = 2,303 nRT lq |
V2 |
. |
|
|
|
(1) |
|||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
V1 |
|
|
|
|
|
число молей |
СО2 в 100 г составляет: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
n = |
|
m |
= |
100 |
= 2,25 моль. |
|
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
M |
44 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
Первоначальный объем определяем по уравнению Клапейрона- |
||||||||||||||||||||||||
Менделеева: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
V = |
nRT |
= |
2,27 8,314 273 |
= 0,0509 м3 . |
|
||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
P |
1,013 105 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Количество теплоты вычисляем по формуле (1): |
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||
Q = A = 2,303 2,25 8,314 273 lq |
0,200 |
= 7070 Дж =7,07 кДж; |
||||||||||||||||||||||
|
||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0,0509 |
|
|
|
|
|
|
|
||||
2) для изобарного процесса, P = const , |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||
Q |
|
= |
H = nC |
(T −T ) или Q |
|
|
= |
H = nC |
T ( |
T2 |
−1) . |
(2) |
||||||||||||
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||
|
p |
|
|
|
p 2 1 |
|
|
|
p |
|
|
|
|
|
p |
1 T |
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
Уравнение состояния идеального газа для изобарного процесса равно:
|
V |
= const т.е. |
V1 |
= |
V2 |
, откуда находим: |
|
T2 |
= |
V2 |
. |
(3) |
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
|
T |
|
|
T1 |
|
T2 |
|
|
|
|
T1 |
|
V1 |
|
||||
Подставляя уравнение (3) в уравнение (2), получим выражение: |
|
|||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
Q |
|
= H = |
n Cp T1 |
(V − V ) , |
(4) |
||||||
|
|
|
|
|
|
|
p |
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
V1 |
2 |
1 |
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Qp = |
H = |
2,27 37,1 273 |
(0,200 −0,0509) = 67400 Дж = 67,4 кДж. |
|
|||||||||||||
|
|
|
||||||||||||||||
|
|
|
0,0509 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Работа расширения газа в изобарном процессе (табл.1.1) равна
10
A = P(V2 − V1 ) =1,013 105 (0,200 − 0,0509) =1500 Дж = 15 кДж.
Из уравнения Qp = U + A находим изменение внутренней энергии:
U = Qp − A = 67,4 −15,0=52,4 кДж;
3) для изохорного процесса ( V = const ) А=0; V = 0 ;
Qv = U = nCv (T2 − T1 ) , сделав следующие преобразования, но при этом учитывая, что известна температура T1 :
Q |
|
= |
U = nC T ( |
T2 |
−1) , |
(5) |
|
T |
|||||
|
v |
|
v 1 |
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
Далее T2 заменяем из уравнения идеального газа для изохорного про-
T1
цесса T2 = P2 , получим выражение для расчета Qv :
T1 P1
|
|
|
Qv |
= |
U = nCv T1 ( |
P2 |
−1) или |
|
||||||
|
|
|
P |
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|||
|
|
|
Q |
|
|
= |
U = nC |
|
T1 |
(P − P ) . |
(6) |
|||
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
v |
|
|
v P |
2 |
1 |
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
Теплоемкость при постоянном объеме Сv равна: Cv = Cp |
− R , |
|||||||||||||
|
C =37,1 −8,31 = 28,8 Дж |
|
|
|||||||||||
|
|
v |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
(моль К) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Откуда: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Qv = |
U = |
2,27 28,8 273 |
|
(2,026 −1,013) 105 |
=17900 Дж = 17,9 кДж. |
|||||||||
|
||||||||||||||
|
1,013 105 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
Из уравнения (см. табл. 1.1) для изохорного процесса находим энталь- |
||||||||||||||
пию ( H ): |
H = U + V(P2 −P1 ), тогда |
|
|
|
|
|
|
|
H=17,9 +0,0509 (2,016 −1,013) 105 10−3 = 23,1 кДж;
4)для адиабатического сжатия.
Q = 0 и A = − U = nCv (T1 − T2 ); |
|
||
A = nC T (1 − |
T2 |
) . |
(7) |
|
|||
v 1 |
T1 |
|
|
|
|
|