Физическая

Вид материала

Рабочая программа

Содержание Химическая термодинамика Контрольные вопросы

Подобный материал:

• Методика подбора средств профессионально-прикладной подготовки. Основные факторы, определяющие, 46.84kb.
• Рабочая программа дисциплины физическая культура Степень выпускника, 873.87kb.
• Основная образовательная программа высшего профессионального образования Направление, 4490.7kb.
• Рабочая программа дисциплины «физическая химия», 80.79kb.
• Программа аттестационных испытаний Факультет Физической культуры Бакалавриат по направлению, 289.66kb.
• Лекция 1 Физическая картина природы и ее «изобразительные средства», 164.13kb.
• М. К. Аммосова Институт физической культуры и спорта рабочая программа, 78.29kb.
• Программа дисциплины «Физическая культура» Утверждена умс председатель, 83.66kb.
• Тематический план 1 по дисциплине «Физическая культура», 404.41kb.
• Условия проведения конкурса знатоков по специальности Физическая культура для лиц, 27.28kb.

ХИМИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА

Одним из следствий первого закона термодинамики Q=U+A является закон постоянства состава сумм теплот (закон Гесса): Суммарный тепловой эффект реакции не зависит от промежуточных состояний и пути перехода, а зависит только от начального и конечного состояний системы.

Закон Гесса справедлив для изобарных и изохорных процессов и применим к термодинамическим величинам являющимися функциями состояния (энтальпия (Н), энтропия (S), внутреняя энергия (U), изобарно (G)- и изохорно - изотермические (F) потенциалы), т.е. изменения этих величин однозначно определяется начальными и конечным состояниями системы и не зависят от пути, по которому протекает процесс. Используя табличные данные теплот образования, можно рассчитать тепловой эффект реакции (Н_х.р) на основании следствия из закона Гесса: Тепловой эффект реакции равен разности сумм теплот образования конечных и начальных веществ с учетом их стехиометрических коэффициентов.

(Нх.р. = Нкон. - Нисх.).

Таким же образом можно рассчитать Gх.р., Fх.р. и Sх.р.

Для определения теплоемкости, отношение количества теплоты, сообщенной системе, к изменению ее температуры веществ в любом агрегатном состоянии, применяют следующие уравнения:

dU

для изохорных процессов: С_V = ( )

dT v


dH

для изобарных процессов: C_P = ( )

dT p


U⁰₂₃₈ = H⁰₂₃₈ - RTn, где n- количество молей.

Для любого тела Ср > Cv ; в адибатном процессе С равна нулю. Для вычисления теплоемкости рассматриваемого вещества надо знать Ср(или Cv) и уравнение состояния.

Теплоемкость связана с термодинамическими функциями, например с энтропией S:

dS

C_x = T ( ) , x = const.

dT x

Температурную зависимость теплоемкости обычно выражают эмпирическим выражением :

С = а + вТ + сТ² или

С = а¹ + в¹Т + C¹/Т².

Значения коэффициентов (а,в,с) этих уравнений определяются из экспериментальных данных.

Второй закон термодинамики, определяет возможность и условия самопроизвольного протекания процессов: H = G + TS.

Для определения Нх.р. в случае изменения температуры применяют уравнение :

Н^Т2х.р.= Н^Т1х.р. - С⁰р (Т₂-Т₁).

Пример 1.Один моль кислорода нагревается при постоянном объеме от Т=273К до Т=298К. Какое количество теплоты необходимо сообщить кислороду Сv (удельная теплоемкость кислорода) = 657 Дж/(кг*К), его молярная масса М=32 г/моль.

Решение: Q

По уравнению Сv =

T m

найдем m-массу вещества : m=*M=1моль*32 г/моль=32г=0,032кг.

-количество вещества в молях.

Q_V = C_V (T₂-T₁)m = 657 Дж/(кг*К) * (298К-273К)- 0,032кг = = 657*25*0,032 = 525,6 Дж.

Пример 2. Вычислите H⁰,S⁰,G⁰ реакции, протекающей по уравнению:

Fe₂O_3(k) + 3C_(к) = 2Fe_(k) + 3CO_(г).

Возможна ли эта реакция восстановления Fe₂O₃ углеродом при температурах 500 и 1000 К?

Решение. Для вычисления H⁰_х.р.. и S⁰_х.р. используем уравнения Гесса:

Н⁰_х..р. = Н⁰_прод. - H⁰_исх.;

S⁰_х.р. = S⁰_прод. - S⁰_исх..

Н⁰_х.р. = 3(-110,52) + 20 - -822,10 + 30 = -331,56 + 822,10 = +490,54 кДж/моль.

S⁰_х.р. = (227,4 + 3197,91) - (89.96 + 35,69) = 541,1 Дж/мольК.

Энергию Гиббса при соответствующих температурах определим по формуле: G⁰ = H⁰ - TS⁰.

G₅₀₀ = 490,54 - 500541,1/1000 = +219,99кДж/моль;

G₁₀₀₀ = 490,54 - 1000541,1/1000 = -50,56 кДж/моль.

Так как G₅₀₀0, а G₁₀₀₀0, то восстановление Fe₂O₃ углеродом возможно при 1000К и невозможно при 500К.

Контрольные вопросы

13.Напишите окислительно-восстановительные реакции, протекающие в растворе, электронные уравнения, расставьте коэффициенты и рассчитайте тепловой эффект реакции:

KMnO₄ + Na₂SO₃ + H₂SO₄MnSO₄ + Na ₂SO₄ + .....

14.Условие задачи см № 13, для реакции:

K₂Cr₂O₇ + HICrI₃ + ...

15. Условие задачи см № 13, для реакции : Pb₃O₄ + HCl  PbCl₂ + ...

16. Условие задачи см. № 13, для реакции:

МnSO₄ + Br₂ + NaOHMnO₂ + .....

17. Условие задачи см. № 13, для реакции:

Cu + HNO₃NO + .....

18. Рассчитать значения G₂₉₈ следующих реакций и установить в каком направлении они будут протекать самопроизвольно при 25⁰С в нормальных условиях:

Pb_(т) + CO_(г) = PbO_(т) + C_(т)

19. Условие задачи см № 18, для реакции:

CO_{2 (г)} + CaO_(тв) = СаСО_3(тв)

20. Условие задачи см № 18, для реакции:

3СО_(г) = 2Fe_(т) + 3СО_2(г)

21. Условие задачи см № 18, для реакции:

Hg_(ж) + Cl_{2(г) =} HgCl_2(т)

22. Уравняйте реакцию и определите ее направление при стандартной и нестандартной температурах:

СО_2(г) + СаО_(т) = СаСО_3(т) ; Т = 1000⁰К

23. Условие задачи см.№ 22, для реакции:

H₂O_(г) + BaO_(т) =Ba(OH)_2(т); Т = 1000⁰С

24. Условие задачи см.№ 22, для реакции:

BaO_(т) + СО_2(г) = BaCO_3(т); Т = 1500⁰С

25. Реакция восстановления Fe₂O₃ протекает по уравнению:

Fe₂O_3(т) + 3H_2(г) = 2Fe_(т) + 5H₂O_(г) Возможна ли эта реакция при стандартных условиях, если изменение энтропии S=0,1387 кДж/моль? При какой температуре начнется восстановление Fe₂O₃?

26. Энтальпия образования углекислого газа равна -395,4 кДж/ моль. Сколько сожжено угля, если выделилось 3954 кДж теплоты?

27. Реакция получения водяного газа (СО + Н₂) идет по уравнению С_(к) + Н₂О_(г) = СО_(г) + Н_2(г). Вычислите теплоту реакции и определите сколько поглощается теплоты при образовании 1000 л водяного газа при н.у.

28. В ходе доменного процесса возможно реакция Fe₃O₄ + CO = 3FeO + CO₂. При какой температуре начнется эта реакция, если Н_х.р. = +34,5 кДж/моль?

29. Определите стандартную теплоту образования сероуглерода CS₂, если известно, что CS_2(ж) + 3О₂ = СО_2(г) + 2SO_2(г). Н_х.р. =-1075 кДж/моль.Ответ:87,69 кДж/моль.

30. Вычислите Н⁰₂₉₈ хлорида аммония, если для реакции: NH_3(г) + HCl_(г)= NH₄Cl_(к). Н⁰_х.р.=-176,93 лДж/моль. Ответ: -315,42 кДж/моль.

31. При растворении 16 г СаС₂ в воде выделяется 31,1 кДж теплоты. Определите стандартную теплоту образования Ca(OH)₂. Ответ:-986,33 кДж/моль.

32. Определить Н⁰₂₉₈Fe₂O₃, если при реакции 2Fe +Al₂O₃ = Fe₂O₃ + 2Al каждые 80 г Fe₂O₃ поглощают 426,5 кДж теплоты. Ответ:-822,0 кДж/моль.

33. Вычислите Н⁰₂₉₈ сахарозы С₁₂Н₂₂О₁₁, если Н⁰_х.р.=-5694 кДж/моль. С₁₂Н₂₂О₁₁ + 12 О₂ = 120 СО₂ + 11 Н₂О. Ответ: -2222,36 кДж/моль.

34. Используйте значения Н⁰₂₉₈ реагирующих веществ и определите тепловой эффект реакции восстановления оксидом углерода диоксида свинца до оксида с образованием диоксида углерода Ответ:-224,27 кДж/моль.

35. Определите тепловой эффект реакции РbS + 3O₂ = 2PbO + 2SO₂. Ответ: 840,96 кДж/моль.

36. Рассчитайте какая из реакций при стандартных условиях может идти самопроизвольно:

а)Fe_(k) + Al₂O_3(k)  Al_(k) + Fe₂O_3(k)

б)Al_(k) + Fe₂O_3(k)  Fe_(k) + Al₂O_3(k)

37.Рассчитайте, можно ли при стандартных условиях пользоваться металлическим алюминием для восстановления магния из его оксида по реакции:

3MgO_(k) + 2Al_(k) = 3Mg_(k) + Al₂O_3(k).

38. Стандартная энергия реакции ВаСО_3(к) = ВаО_(к) + СО_2(г) имеет положительное значение. При какой температуре реакция станет возможной?

39. Рассчитайте стандартную энергию реакции N₂ + 2H₂O = NH₄NO₃ и сделайте вывод о возможности ее протекания. G⁰₂₉₈ NH₄NO₃ = 115,94 кДж/моль.

40. Какая из приведенных ниже реакций характеризуется минимальным значением стандартной энергии:

4NH_3(г) + 3О_2(г) = 2N_2(г) + 6Н₂О_(г);

4NH_3(г) + 5О_2(г) = 4NO_(г) + 6Н₂О_(г).

Ответ подтвердите рассчитав G⁰₂₉₈ реакций.

41. Определите изменение энтропии в следующих реакциях: 2С_{(графит)}+ Н_2(г) С₂Н_2(г); Al_(k) + Cr₂O_3(k)Cr_(k) + Al₂O_3(k);

2C_{(графит)} + СО_2(г) 2СО_(г).


ТЕПЛОЕМКОСТЬ

42.Давление азота в сосуде объемом 3л после нагревания возросло на р =2,2 МПа. Найти количество теплоты Q, сообщенное газу. С_{V азота} = 745Дж/(кг*К), молярная масса азота =0,028 кг/моль.

43.Воздух,массой m=5 г нагревается при постоянном давлении от Т₀=290К. Какое количество теплоты Q необходимо сообщить воздуху, чтобы его объем увеличился в два раза? С_р=1,018кДж/(кг*К).

44.Два моля кислорода нагреваются при постоянном объеме от температуры t₀=0⁰C. Какое количество теплоты Q необходимо сообщить кислороду, чтобы его давление увеличилось в три раза? С_{V кислорода} = 657Дж/(кг*К), о₂=0,032кг/моль.

Ответ : 23кДж.

45.Определите, какое количество теплоты необходимо для нагревания 1л воды на 1К. Удельная теплоемкость воды 4,2 кДж/(кг*К), ее молярная масса =0,018 кг/моль.

46.В сосуде, объемом 10л находится кислород при температуре Т₁=315К и давлении Р₁=0,25 МПа. Для нагревания газа до температуры 320К ему требуется сообщить теплоту Q=41Дж. Какова удельная теплоемкость С кислорода при этих условиях? Молекулярная масса кислорода =0,032 кг/моль.

Химическая кинетика и равновесие


Этот раздел химии позволяет определить относительную скорость химических реакций.

Пример 1. Во сколько раз изменится скорость прямой и обратной реакции в системе

2SO_2(г) + О_2(г)  2SO_3(г)

если объем газовой смеси уменьшить в три раза? В какую сторону сместится равновесие системы?

Решение. Согласно закону действия масс скорости прямой и обратной реакции до изменения объема

v_пр = Ка² в; v_обр = К₁ с²,

где [ SO₂ ] = a; [ O₂ ] = в; [ SO₃ ] = c.

После уменьшения объема гомогенной системы в три раза концентрация каждого из реагирующих веществ увеличится в 3 раза: [ SO₂ ] = 3a; [ O₂ ] = 3в; [ SO₃ ] = 3c. Отсюда

¹_{п =} 27 Ка² b = 27 ; ¹_{обр =} 9 К₁ с² = 9 ;

_пр Ка² b _обр К₁ с²

Следовательно, скорость прямой реакции увеличилась в 27 раз, а обратной - в 9 раз. Равновесие системы сместилось в сторону образования SO₃.

Пример 2. Рассчитать изменение константы скорости реакции, имеющей энергию активации 191 кДж/моль, при увеличении температуры от 330 до 400 к.

Решение. Зависимость скорости реакции от температуры определяется уравнением Аррениуса

lnК = lnА - Е_а/ RT

Логарифм отношения констант скоростей реакции при температурах Т₂ и Т₁ соответственно равен


lg К_{Т2 =} Е_а ( 1 - 1 ) ,

К_Т1 2,3 R Т₁ Т₂


где R - универсальная газовая постоянная, равная 8,32 Дж/моль К.

Поставив в это уравнение данные задачи, получим:

lg К_{Т2 =} 191 10³ Дж/ моль  К ( 1 - 1 )  5 ,

К_Т1 19,1 Дж / моль  К 330 400


откуда К_Т2 /К_Т1 = 10⁵ .