3 семестр - Физическая химия
.pdf
|
|
|
E E0 |
|
0,059 |
lg Паi , |
(18) |
||||
|
|
|
|
||||||||
где Е0 = φ0(+) |
|
|
|
|
|
Z |
|
|
|
||
– φ0(-)– стандартная ЭДС; |
|
||||||||||
Z – число электронов, участвующих в реакции; |
|
||||||||||
Паi – произведение активностей ионов, участвующих в ре- |
|||||||||||
акции. |
|
0,059 |
|
a Co2 |
a Fe3 |
|
|
|
|
||
E E 0 |
|
lg |
|
; E0 = 1,81 – 0,771 = 1,039 B; |
|||||||
Z |
a Fe2 |
a Co3 |
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
||||||
E 1,039 0,059 lg 0,01 0,005 1,107B. 1 0,012 0,06
Работу гальванического элемента найдем по уравнению
A = Z E F = 1 ∙ 96500 ∙ 1,107 = 106835,5 Дж/моль.
Определим константу равновесия реакции, протекающей в
гальваническом элементе: |
|
|
|
|
|
|
|||||
E 0 |
|
RT |
ln K a |
0,059 |
lg Ka , |
(19) |
|||||
|
|
|
|||||||||
|
|
|
ZF |
|
|
|
Z |
|
|||
lg K a |
|
|
E 0 Z |
|
1,039 |
17,61, |
|
||||
|
|
|
|
|
|||||||
|
0,059 |
|
0,059 |
|
|
||||||
Ka = 4,07 ∙ 1017.
5. КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА
Вариант контрольного задания студент должен выбрать по последней цифре шифра своей зачетной книжки.
Задание 1
1.Сформулируйте первый закон термодинамики и напишите его математическое выражение.
2.Напишите уравнение для расчета работы расширения газа в идеальном состоянии при постоянном давлении, постоянной температуре и постоянном объеме.
20
3.Сформулируйте закон Гесса и напишите уравнение, по-
зволяющее рассчитать стандартный тепловой эффект химической реакции (∆Η0298).
4.Для химической реакции А (табл. 5.1) на основании справочных данных, приведенных в приложении (табл. П1),
определите стандартный тепловой эффект реакции при 298 К и стандартном давлении, равном 1,0132À105 Па.
5.Определите изменение числа молей газообразных веществ в данной реакции (∆n).
6.Определите тепловой эффект реакции при постоянном объеме и 298 К (∆U0298).
7.Сформулируйте закон Кирхгофа и напишите его математическое выражение.
8.Вычислите тепловой эффект данной химической реакции при постоянном давлении и температуре Т К, считая, что Ср ≠ f (T).
Варианты задания
|
|
|
|
Таблица 5.1 |
|
Вариант |
Химическая реакция А |
|
Т, К |
||
|
|
|
|
||
1 |
4 HCl + O2 = 2 H2O + 2 Cl2 |
|
500 |
||
2 |
2 NO2 |
= 2 NO + O2 |
|
500 |
|
3 |
2 SO2 |
+ O2 = 2 SO3 |
|
600 |
|
4 |
SO2 + Cl2 = SO2Cl2 |
|
600 |
||
5 |
CO + Cl2 = COCl2 |
|
700 |
||
6 |
2 CO2 |
= 2 CO + O2 |
|
700 |
|
7 |
CH4 |
+ CO2 = 2 CO + 2 H2 |
|
700 |
|
8 |
2 CO + H2 = CH4 + CO2 |
|
800 |
||
9 |
CO2 |
+ H2 = CO + H2O |
|
800 |
|
10 |
CH4 |
+ 2 Cl2 = CH2Cl2 + 2 HCl |
|
800 |
|
Задание 2 (для всех)
1.Сформулируйте и напишите математическое выражение второго закона термодинамики для обратимого и необратимого процессов.
2.Дайте определение энтропии.
21
3.Определите изменение энтропии для химической реакции
А (табл. 5.1) при стандартных условиях (∆Ѕ0298) и при Т, К (∆Ѕ0Т). Справочные данные приведены в приложении (табл. П1).
Задание 3 (для всех)
Рассчитать изменение энтропии при нагревании (охлаждении) при постоянном давлении в интервале температур от Т1 до Т2 g кг вещества А (табл. 5.2). Справочные данные приведены в приложении (табл. П2).
Варианты задания
Таблица 5.2
Вариант |
Вещество А |
g, кг |
T1, K |
Т2, К |
1 |
Н2О, вода |
45 |
421 |
223 |
2 |
ССl4, тетрахлорметан |
80 |
323 |
373 |
3 |
СН2О2, муравьиная кислота |
10 |
393 |
273 |
4 |
СН4О, метанол |
80 |
303 |
473 |
5 |
С2Н6О, этанол |
50 |
373 |
143 |
6 |
С3Н6О, ацетон |
10 |
173 |
373 |
7 |
С6Н6, бензол |
1 |
383 |
273 |
8 |
С7Н8, толуол |
50 |
423 |
173 |
9 |
С6Н12, циклогексан |
100 |
373 |
273 |
10 |
С4Н10О, диэтиловый эфир |
50 |
143 |
323 |
|
|
|
|
|
Задание 4 (для всех)
Рассчитать ∆G0 и ∆А0 при температурах 298 и Т, К при Р = const для реакции, приведенной в табл. 5.1 (задача 1). Определить направление реакции.
Задание 5 (для всех)
1.Перечислить признаки химического равновесия.
2.Для данной химической реакции А (табл. 5.1) напишите в общем виде выражение константы химического равновесия через парциальные давления, концентрации и молярные доли реагирующих веществ.
3.На основании данных задачи 4 определите константу химического равновесия реакции А (табл. 5.1) при 298 и Т, К. Как из-
22
менится численное значение константы равновесия реакции с ростом температуры?
Задание 6
1.На основании справочных данных (приложение табл. П3) о стандартных электродных потенциалах из полуэлементов типа Pt/A,B и Pt/C,D составьте гальванический элемент (табл. 5.3).
2.Напишите электродные реакции, протекающие в гальваническом элементе.
3.Напишите химическую реакцию, протекающую самопроизвольно в гальваническом элементе.
4.Напишите уравнение Нернста для электродного потенциала в общем виде.
5.Рассчитайте электродные потенциалы и ЭДС гальванического элемента.
6.Определите максимальную работу элемента.
7.Определите константу равновесия химической реакции, протекающей в данном гальваническом элементе при 298 К.
Варианты задания
Таблица 5.3
Ва- |
A |
B |
C |
D |
aA |
aB |
aC |
aD |
ри- |
||||||||
ант |
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
Fe3+ |
Fe2+ |
Cr3+ |
Cr2+ |
0,005 |
0,150 |
0,100 |
0,001 |
2 |
Fe(CN)63- |
Fe(CN)64- |
Co3+ |
Co2+ |
0,060 |
0,060 |
0,040 |
0,005 |
3 |
Cr3+ |
Cr2+ |
Tl3+ |
Tl2+ |
0,006 |
0,100 |
0,080 |
0,002 |
4 |
Co3+ |
Co2+ |
Cr3+ |
Cr2+ |
0,012 |
0,010 |
0,005 |
0,060 |
5 |
Cu2+ |
Cu+ |
Sn4+ |
Sn2+ |
0,140 |
0,009 |
0,002 |
0,080 |
6 |
V3+ |
V2+ |
Tl3+ |
Tl+ |
0,016 |
0,007 |
0,001 |
0,100 |
7 |
Sn4+ |
Sn2+ |
Pu4+ |
Pu3+ |
0,080 |
0,060 |
0,007 |
0,005 |
8 |
Sn4+ |
Sn2+ |
Tl3+ |
Tl+ |
0,100 |
0,050 |
0,020 |
0,010 |
9 |
Ce4+ |
Ce3+ |
Co3+ |
Co2+ |
0,080 |
0,007 |
0,020 |
0,005 |
10 |
Tl3+ |
Tl+ |
Ce4+ |
Ce3+ |
0,009 |
0,040 |
0,020 |
0,020 |
23
СПИСОК РЕКОМЕНДУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
а) основная литература
1.Стромберг, А. Г. Физическая химия / А. Г. Стромберг,
Д.П. Семченко. – М.: Высш. шк., 2006. – 528 с.
2.Краткий справочник физико-химических величин / сост.: Н.М. Барон и др.; под ред. А. А. Равделя, А. М. Пономаревой. – Изд. 11-е, испр. и доп. – М.: Аз-book, 2009. – 240 c.
3.Ким Н. М. Физическая химия: учебное пособие: в 2 кн. – ГУ КузГТУ, Кемерово, 2009. – Ч. 1, 132 с. http://library.kuzstu.ru/meto.php?n=90889&type=utchposob:common
Ч. 2. 140 с. http://library.kuzstu.ru/meto.php?n=90380&type=utchposob:common
б) дополнительная литература
4.Основы физической химии. Теория и задачи: учеб. пособие для вузов / В. В. Еремин, С. И. Каргов, И. А. Успенская, Н. Е. Кузьменко, В. В. Лунин. – М.: Экзамен, 2005. – 480 с.
5.Сборник примеров и задач по физической химии / К. С. Пономарева [и др.]. – М.: МИСИС, 2007. –339 с.
6.Ким Н. М. Физическая химия: обучающая программа для выполнения индивидуальных домашних заданий [Электронный ресурс]: учебное пособие / ГУ КузГТУ. – Кемерово, 2011. – 92 с. http://library.kuzstu.ru/meto.php?n=90500&type=utchposob:common
7.Лесникова Н. П. Физическая химия: самостоятельное решение задач по химической термодинамике, электрохимии и кинетике [Электронный ресурс]: учебное пособие / ГУ КузГТУ. – Кемерово, 2010. http://library.kuzstu.ru/meto.php?n=90409&type=utchposob:common
Методические указания к лабораторным работам
8. Термический анализ. Диаграмма плавкости с эвтектикой: метод. указания к лабораторной работе по курсу žФизическая химия£ для студентов всех форм обучения специальностей 240401, 240301, 240403, 240502 / сост.: Н. М. Ким, Н. П. Лесникова; ГУ КузГТУ. − Кемерово, 2010. − 10 с. http://library.kuzstu.ru/meto.php?n=4599
9. Определение степени константы диссоциации слабого электролита: метод. указания к лабораторной работе по курсу
24
žФизическая химия£ для студентов всех форм обучения специальностей 240401, 240301, 240403, 240502 / сост.: Н. М. Ким, Н. П. Лесникова; ГУ КузГТУ. − Кемерово, 2010. − 12 с. http://library.kuzstu.ru/meto.php?n=4601
10.Химическое равновесие в кристаллогидратах: метод. указания к лабораторной работе по курсу žФизическая химия£ для студентов всех форм обучения специальностей 240401, 240301, 240403, 240502 / сост.: Н. М. Ким, Н. П. Лесникова; ГУ КузГТУ. − Кемерово, 2011. − 11 с. http://library.kuzstu.ru/meto.php?n=557
11.Электродвижущие силы. Электродные потенциалы: метод. указания к лабораторной работе по курсу žФизическая химия£ для студентов всех форм обучения специальностей 240401, 240301, 240403, 240502 / сост.: Н. М. Ким; ГУ КузГТУ. − Кемерово, 2012. − 34 с.
http://library.kuzstu.ru/meto.php?n=2571
25
ПРИЛОЖЕНИЕ
Термодинамические свойства простых веществ и соединений
Таблица П1
Вариант |
Н0 f ,298 , |
кДж |
|
S0 |
298 , |
Дж |
|
С0р298 , |
Дж |
|
моль |
моль К |
моль К |
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
CI2 (г) |
0 |
|
|
|
222,98 |
|
33,93 |
|
||
H2 (г) |
0 |
|
|
|
130,52 |
|
28,83 |
|
||
O2 (г) |
0 |
|
|
|
205,04 |
|
29,37 |
|
||
CO (г) |
-110,53 |
|
|
197,55 |
|
29,14 |
|
|||
CO2 (г) |
-393,51 |
|
|
213,66 |
|
37,11 |
|
|||
COCI2 (г) |
-219,50 |
|
|
283,64 |
|
57,76 |
|
|||
HCI (г) |
-92,31 |
|
|
186,79 |
|
29,14 |
|
|||
H2O (г) |
-241,81 |
|
|
188,72 |
|
33,61 |
|
|||
NO2 (г) |
34,19 |
|
|
240,06 |
|
36,66 |
|
|||
NO (г) |
91,26 |
|
|
210,64 |
|
29,86 |
|
|||
SO2 (г) |
-296,90 |
|
|
248,07 |
|
39,87 |
|
|||
SO2CI2 (г) |
-363,17 |
|
|
311,29 |
|
77,40 |
|
|||
SO3 (г) |
-395,85 |
|
|
256,69 |
|
50,09 |
|
|||
CH4 (г) |
-74,85 |
|
|
186,27 |
|
35,71 |
|
|||
CH3OH (г) |
-201,00 |
|
|
239,76 |
|
44,13 |
|
|||
CH2CI2 (г) |
-95,39 |
|
|
270,24 |
|
51,13 |
|
|||
26
Термодинамические свойства простых веществ и органических соединений
Таблица П2
|
|
|
Плавление |
|
Испарение |
|
||||
|
|
Тепло- |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
∆Нпл. |
|
|
|
∆Нисп. |
|
|
Вещество |
|
емкость |
Тпл, |
|
|
Ткип., |
|
|
||
|
|
кДж |
|
|
кДж |
|
||||
|
|
Ср298, |
|
|
|
|
||||
|
|
К |
|
|
|
К |
|
|
|
|
|
|
|
|
моль |
|
|
|
моль |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
2 |
3 |
|
4 |
|
5 |
|
6 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Н2О (кр) |
|
35,98 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
273,0 |
|
6,009 |
|
373,0 |
|
40,66 |
|
|
Н2О (ж) |
|
75,30 |
|
|
|
|
||||
Н2О (г) |
|
33,61 |
|
|
|
|
|
|
|
|
CCI4 (ж), тетрахлорметан |
131,70 |
250,1 |
|
2,508 |
|
349,8 |
|
29,97 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
CCI4 (г), тетрахлорметан |
83,76 |
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
CH2O2 (ж), муравьиная |
ки- |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
слота |
|
99,04 |
264,8 |
|
12,72 |
|
373,7 |
|
22,24 |
|
СН2О2 (ж), муравьиная |
ки- |
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
слота |
|
45,80 |
|
|
|
|
|
|
|
|
СН4О (ж), метанол |
|
81,60 |
175,1 |
|
3,18 |
|
337,5 |
|
28,45 |
|
СН4О (г), метанол |
|
44,13 |
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
С2Н4О2 (кр), уксусная |
ки- |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
слота |
|
87,02 |
|
|
|
|
|
|
|
|
С2Н4О2 (ж), уксусная |
ки- |
|
289,8 |
|
11,70 |
|
391,1 |
|
24,37 |
|
слота |
|
123,43 |
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
С2Н4О2 (г), уксусная |
ки- |
66,50 |
|
|
|
|
|
|
|
|
слота |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
С2Н6О (кр), этанол |
|
89,52 |
|
|
|
|
|
|
|
|
С2Н6О (ж), этанол |
|
111,96 |
158,5 |
|
5,02 |
|
351,4 |
|
38,54 |
|
С2Н6О (г), этанол |
|
65,75 |
|
|
|
|
|
|
|
|
С3Н6О (кр), ацетон |
|
97,05 |
|
|
|
|
|
|
|
|
С3Н6О (ж), ацетон |
|
125,00 |
177,6 |
|
5,69 |
|
329,2 |
|
29,67 |
|
С3Н6О (г), ацетон |
|
74,90 |
|
|
|
|
|
|
|
|
27
Продолжение таблицы П2
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
|
С4Н10О (кр), диэтиловый |
|
|
|
|
|
|
эфир |
143,06 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
С4Н10О (ж), диэтиловый |
|
156,7 |
7,45 |
307,6 |
26,60 |
|
эфир |
173,30 |
|||||
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
||
С4Н10О (г), диэтиловый |
|
|
|
|
|
|
эфир |
112,51 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
С6Н6 (кр), бензол |
102,90 |
278,5 |
9,95 |
353,1 |
30,76 |
|
С6Н6 (ж), бензол |
135,14 |
|||||
С6Н6 (г), бензол |
81,67 |
|
|
|
|
|
С6Н12 (кр), циклогексан |
163,16 |
279,6 |
2,63 |
353,7 |
33,03 |
|
С6Н12 (ж), циклогексан |
156,48 |
|||||
С6Н12 (г), циклогексан |
106,27 |
|
|
|
|
|
С7Н8 (кр), толуол |
129,67 |
|
|
|
|
|
С7Н8 (ж), толуол |
156,06 |
178,0 |
6,62 |
383,6 |
37,99 |
|
С7Н8 (г), толуол |
103,64 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Стандартные электродные потенциалы в водных растворах при 298 К
|
|
|
|
|
Таблица П3 |
|
|
Электрод |
|
Реакция |
|
φ0, В |
|
|
|
|
|
|
||
1. |
Cr3+, Cr2+ (Pt) |
Cr3+ + e- |
→ Cr2+ |
–0,408 |
||
|
|
|
|
|
||
2. |
V3+, V2+ (Pt) |
V3+ + e- → |
V2+ |
–0,255 |
||
3. |
Sn4+, Sn2+ (Pt) |
Sn4+ + 2 e- |
→ |
Sn2+ |
+0,150 |
|
4. |
Cu2+, Cu+ (Pt) |
Cu2+ + e- |
→ Cu+ |
+0,153 |
||
|
|
|
|
|
|
|
5. |
Fe(CN)63-, Fe(CN)64- (Pt) |
Fe(CN)63- |
+ e- |
→ Fe(CN)64- |
+0,360 |
|
|
|
|
|
|
||
6. |
Fe3+, Fe2+ (Pt) |
Fe3+ + e- |
→ Fe2+ |
+0,771 |
||
|
|
|
|
|
||
7. |
Pu4+, Pu3+ (Pt) |
Pu4+ + e- |
→ Pu3+ |
+0,970 |
||
|
|
|
|
|
|
|
8. |
TI3+ , TI+ (Pt) |
TI3+ |
+ 2 e- |
→ TI+ |
+1,250 |
|
|
|
|
|
|
|
|
9. |
Ce4+, Ce3+ (Pt) |
Ce4+ |
+ e- |
→ Ce3+ |
+1,610 |
|
|
|
|
|
|
||
10. Co3+, Co2+ (Pt) |
Co3+ |
+ e- |
→ Co2+ |
+1,810 |
||
28