Физическая химия

Санкт-Петербургский государственный университет промышленных технологий и дизайна

Министерство образования и науки Российской Федерации
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования
«Санкт-Петербургский государственный университет промышленных технологии и дизайна»
Р.И. Ибрагимова, Л.И. Холохонова, Н.П. Новосёлов
МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ
ДЛЯ ВЫПОЛНЕНИЯ КОНТРОЛЬНОЙ РАБОТЫ № 1
ПО ФИЗИЧЕСКОЙ ХИМИИ
Санкт-Петербург
2019

Стоимость решения заданий по физической химии уточняйте при заказе.

Контрольная работа № 1 содержит задания по двум темам:
1. «Основы химической термодинамики» (Т),
2. «Фазовые равновесия» (Ф),
которые включают теоретические вопросы и практические задания.

Вариант исходных данных определяется по номеру студента в списке группы.

Контрольная работа 1

1.1. Задания по теме «Основы химической термодинамики» (Т):

▪ написать ответы на 10 вопросов по теории:

1. Что называется термодинамической системой? Какие системы считаются изолированными?
2. Сформулируйте определения внутренней энергии и энтропии системы.
3. Перечислите все известные Вам функции состояния системы.
4. Какие формулировки первого закона термодинамики Вам известны. Напишите математическое выражение первого закона термодинамики для закрытых систем.
5. Что называется обратимым и необратимым процессом?
6. Что называется стандартным тепловым эффектом реакции, стандартной энтальпией реакции, стандартной внутренней энергией реакции?
7. Работа расширения одного моля идеального газа при изобарном, изохорном и изотермическом процессах?
8. Что называется удельной, молярной, средней и истинной теплоёмкостью? Как зависит теплоёмкость вещества от температуры.
9. Сформулируйте закон Гесса и следствия из него.
10. Что называется стандартной теплотой образования вещества?
11. Что называется стандартной теплотой сгорания вещества?
12. Стандартная теплота образования метилиодида СН₃I_(ж) равна: ΔH_f⁰ = 8,4 кДж/моль. Напишите уравнение реакции, к которой относится этот тепловой эффект.
13. Как рассчитывается стандартный тепловой эффект реакции из стандартных теплот образования и сгорания участвующих в этой реакции веществ?
14. Укажите, каково соотношение между изменениями энтальпии (Δ_rH) и внутренней энергии (Δ_rU) для реакции С₂Н_6(г)=С₂H_4(г)+H₂  при 500K. Какая величина больше?
15. Каким соотношением связаны молярная теплоёмкость вещества при постоянном давлении (Ср) и  постоянном объёме (Cv) для идеального таза? для жидких и твёрдых веществ?
16. Какова связь между тепловым эффектом реакции С₂Н_6(г) = С₂H_4(г) + H₂ при постоянном объеме и постоянном давлении?
17. Напишите уравнение (в дифференциальном виде) зависимости теплового эффекта реакции от температуры. (Закон Кирхгофа.)
18. Приведите приближённое интегрирование закона Кирхгофа.
19. В каком случае можно считать, что тепловой эффект химической реакции прямо пропорционален температуре? Для некоторой химической реакции в некотором температурном интервале изменение теплоёмкости, как функции температуры, выражается уравнением Δ_rC_P⁰  = Δа+ΔbТ+ΔсТ². Величины Δа, Δb, Δс больше нуля. Изобразите схематически трафик зависимости теплового эффекта этой реакции от температуры (в том температурном интервале, для которого справедливо это уравнение).
20. В некотором интервале температур изменение теплоёмкости  реакции Δ_rC_P⁰ меньше нуля. Как изменяется тепловой эффект этой реакции при повышении температуры в данном температурном интервале? Какой закон следует применить для ответа на вопрос? Запишите математическое выражение этого закона.
21. В некотором интервале температур изменение теплоёмкости  реакции Δ_rC_P⁰ больше нуля. Как изменяется тепловой эффект этой реакции при повышении температуры в данном температурном интервале? Какой закон следует применить для ответа на вопрос? Запишите математическое выражение этого закона.
22. Какие формулировки второго закона термодинамики Вам известны?
23. Напишите аналитическое выражение второго закона термодинамики для обратимых и необратимых процессов, протекающих в закрытых системах.
24. Напишите аналитическое выражение объединённого (первого и второго) законов термодинамики для обратимого и необратимого процессов, протекающих в закрытых системах.
25. Как рассчитать изменение энтропии в процессе фазового превращения вещества (испарение, плавление, возгонка)?
26. Напишите математическое выражение второго закона термодинамики для бесконечно малого изменения состояния в обратимом и необратимом процессах в изолированной системе.
27. В каком соотношении находятся молярные энтропии трёх агрегатных состояний одного и того же вещества: пара, жидкости, твёрдого тела, если они находятся при одинаковой температуре T. Какая величина больше?
28. Как связана энтропия системы с термодинамической вероятностью системы? Приведите формулу Больцмана - Планка.
29. Почему второй закон термодинамики имеет статистический характер?
30. Какие вы знаете характеристические функции и термодинамические потенциалы системы?
31. При каких условиях энтропия является критерием направленности процесса?
32. При каких условиях внутренняя энергия может служить критерием направления процесса?
33.  При каких условиях энтальпия является критерием самопроизвольного процесса? Каково её изменение при самопроизвольном процессе, протекающем в этих условиях?
34.  В некотором самопроизвольно протекающем изобарно-изотермическом процессе энтропия убывает. Сопоставьте изменение энергии Гиббса ΔG и теплового эффекта процесса ΔН. Что больше?
35.  Какие функции состояния определяют направление процесса в неизолированной закрытой системе, если процесс протекает при постоянных V и Т; при постоянных Р и Т?
36.  Как изменяется энергия Гельмгольца системы, состоящей из чистой жидкой воды и кристаллов сахара при растворении сахара в воде?
37. К какому значению стремится энтропия правильно образованного кристалла при приближении температуры к абсолютному нулю?
38.  Что такое химический потенциал компонента системы? Напишите условие химического равновесия в системе, используя понятие химического потенциала.
39. Приведите зависимость химического потенциала компонента от его концентрации в жидком растворе.
40.  Запишите выражение истинной (термодинамической) константы химического равновесия реакции N₂O_4(г) →2NO_2(г).
41.  Выразите константу равновесия (K⁰) а) процесса: А → В + С через степень диссоциации и общее давление в газовой системе; б) то же для процесса:  А → 2В + С.
42.  Сформулируйте закон действующих масс.
43. Какие факторы влияют на константы равновесия K⁰, K_P и K_C, если химический процесс протекает в идеальной газовой системе?
44.  K₁⁰ – константа равновесия реакции 1,5H₂ + 0,5N₂ ↔ NH₃,
     K₂⁰ – константа равновесия реакции 3H₂ + N₂ ↔ 2NH₃.
    Напишите количественное соотношение между K₁⁰ и K₂⁰.
45. Напишите выражение для соотношения между K_P и K_C для реакции 2СО_{2(г )} ↔2СО + 2O₂.
46. Каково соотношение между константами равновесия K_P и K_C химической реакции 2A + B = C + D. если все вещества находятся в идеальном газообразном состоянии?
47. Выразите константу равновесия K⁰ реакции: 2SO₂ + O₂ ↔ 2SO₃ через парциальные давления реагирующих веществ.
48. Напишите уравнение изотермы химической реакции Ванн Гоффа и объясните, какие вопросы можно решать, применяя его.
49. Напишите уравнение изотермы реакции Н₂ + Вr₂ ↔ 2НВг (все вещества находятся в идеальном газообразном состоянии). Объясните, какие вопросы можно решать, применяя его.
50. Что такое химическое сродство системы, содержащей вещества, способные к химическому превращению в соответствии с химическим уравнением: 2SO₂ + O₂ ↔ 2SO₃? Напишите определение химического сродства, используя понятие химического потенциала.
51. При определённой температуре общее давление в равновесной системе Ca(OH)_2(т) ↔ СаО _(т) + Н₂О _(г) равно  р. Записать константу равновесия K⁰ этой реакции. Как определить, будет ли разлагаться Ca(OH)₂ в комнате при температуре 25 °С и 100% влажности?
52. Изменятся ли и как степени диссоциации газообразных HCl и Н₂О в следующих реакциях: 2НС1 ↔ Н₂ + С1₂;  2Н₂O ↔ 2Н₂ + O₂ при повышении общего давления в системе
    а) путём сжатия реакционной смеси,
    б) путём добавления к реакционной смеси инертного газа?
    Температура смеси остаётся неизменной.
53. Напишите уравнение зависимости константы химического равновесия от температуры в дифференциальной форме и проанализируйте его.
54. Зависит ли и как константа равновесия реакции от температуры и давления?
55. Зависимость константы равновесия некоторой химической реакции от температуры можно выразить следующим уравнением: ln K⁰= -600/Т + 5,407. Выделяется или поглощается теплота в ходе реакции?
56. Как влияет понижение давления на равновесие реакции 2Cl₂ + 2H₂O_{(г )} ↔ 4НС1 + O₂, если все вещества находятся в идеальном   газообразном состоянии?
57. Для реакции Н₂ + 0,5O₂ ↔ Н₂O_(г) при 298 K константа равновесия K_P = 3,14·10³⁷ Па^-0,5 . В какую сторону смещено химическое равновесие при данной температуре. Что это значит?
58.  

▪ выполнить расчётное задание Т1 в соответствии с предложенным вариантом. 

В соответствии с заданным вариантом выбрать в таблице уравнение реакции (табл.Т.1).
Вычислить термодинамические параметры Δ_rH_T⁰, Δ_rS_T⁰, Δ_rG_T⁰ и K⁰ данной реакции при заданной температуре и проанализировать результаты.
Уравнение зависимости C_P⁰ = f(T), стандартные теплоты образования и абсолютные энтропии веществ взять из таблицы «Термодинамические свойства простых веществ и соединений», приведенной в справочнике [1].

1.2. Задания по теме «Основы фазовые равновесия» (Ф):

▪ написать ответы на 10 вопросов по теории

1. Сформулируйте общее термодинамическое условие фазового равновесия, используя понятие химического потенциала компонента.
2. Что называется фазой? Приведите примеры.
3. Что называется компонентом? Приведите примеры.
4. Что такое число термодинамических степеней свободы?
5. Напишите правило фаз Гиббса для системы, на которую из внешних факторов влияют только давление и температура.
6. Чему равно число термодинамических степеней свободы однокомпонентной системы, состоящей из двух равновесных фаз: жидкой и твёрдой? Из внешних факторов на систему влияют давление и температура.
7. Сформулируйте правило фаз Гиббса.
8. Изобразите диаграмму состояния воды в координатах p-f(T) и укажите области существования фаз.
9. Что такое тройная точка на диаграмме состояния однокомпонентной системы?
10.  Напишите уравнение Клапейрона – Клаузиуса для процесса  A_кр ↔ А_пар   и проанализируйте его.
11.  Путём анализа уравнения Клапейрона – Клаузиуса объясните, почему   давление насыщенного пара над жидкой фазой растёт с увеличением температуры.
12.  Начертите график, которым необходимо воспользоваться, чтобы рассчитать графическим методом теплоту испарения жидкости, напишите соответствующую формулу.
13.  Укажите максимальное количество фаз однокомпонентной системы, которые могут одновременно находиться в состоянии термодинамического равновесия.
14.  Что означает кривая на диаграмме состояния воды, полученная продолжением кривой давления насыщенного пара влево от тройной точки?
15.  Что называется насыщенным паром жидкости (над жидкостью)? Как по уравнению Клапейрона – Клаузиуса посчитать давление насыщенного пара (p_s) H₂O при t = 60 °C, если при t = 20 °C и 40 °C давления паров известны.
16.  Что называется идеальным раствором?
17.  Начертите график зависимости общего и парциального давления пара компонентов от состава идеальных бинарных смесей и проанализируйте его.
18.  У какого из двух водных 0,005М растворов – раствора глюкозы или раствора сульфата натрия – осмотическое давление (при одинаковой температуре) больше? Почему?
19.  Как зависит растворимость газов в жидкостях от давления?
20.  Сформулируйте закон Генри. Укажите области применения.
21.  Влияет ли и как, ассоциация молекул растворённого нелетучего вещества на давление насыщенного пара растворителя?
22.  Каково термодинамическое условие самопроизвольного образования истинного раствора при постоянных р и Т?
23.  Сформулируйте первый закон Рауля и напишите его математическое выражение. Для каких растворов будет выполняться этот раствор?
24.  Почему давление насыщенного пара растворителя над раствором всегда меньше, чем над чистым растворителем?
25.  Объясните причину положительных и отрицательных отклонений от закона Рауля.
26.  Объясните, почему даже в неидеальных растворах, если они достаточно разбавлены, давление насыщенного пара растворителя подчиняется первому закону Рауля.
27.  Сформулируйте первый закон Рауля.  Почему растворы электролитов не подчиняются первому закону Рауля?
28.  Сформулируйте закон Вант-Гоффа для осмотического давления. Почему растворы электролитов не подчиняются закону Вант-Гоффа?
29.  Сформулируйте второй закон Рауля. Для каких растворов это закон выполняется с достаточной точностью? Покажите графически зависимость понижения температуры замерзания (DТ_зам), и повышения температуры кипения (DТ_кип ) раствора (по сравнению с чистым растворителем) от концентрации.
30.  Укажите, свойствами какого компонента – растворителя или растворённого вещества – определяются криоскопическая и эбуллиоскопическая постоянные.
31.  Сформулируйте первый закон Коновалова; проиллюстрируйте его диаграммой состояния бинарной системы в координатах: T = f (состав) при  p = cоnst.
32.  Сформулируйте второй закон Коновалова, проиллюстрируйте его диаграммой состояния бинарной системы в координатах: T = f (состав) при р = const.
33.  Что такое азеотропные смеси?
34.  Как выглядят диаграммы кипения бинарных систем с ограниченной растворимостью компонентов. Что такое критическая точка смешения и для каких жидких систем она характерна?
35.  Какие факторы влияют на растворимость  газов в жидкостях?
36.  Приведите диаграмму плавкости системы, компоненты которой образуют твёрдые растворы.
37.  Что представляет собой термический анализ?
38.  Нарисуйте диаграмму состояния бинарной системы с простой эвтектикой и объясните её.

▪ выполнить первое практическое задание (Ф1) в соответствии с предложенным вариантом.

«Изучение равновесия жидкость - пар в однокомпонентной системе»

В данном задании предлагается выполнить имитационную лабораторную работу: «Определение давления насыщенного пара индивидуальной жидкости при заданных температурах по температурам кипения».

1. Открыть файл « ОПИСАНИЕ РАБОТЫ (Ф1) » и освоить методику измерений и расчётов.
2. Открыть файл « Лаб.раб.Ф1 », в нужные графы ввести  фамилию и  № варианта.
3. Выполнить работу по методике, изложенной в файле «ОПИСАНИЕ РАБОТЫ (Ф1) ».
4. Оформить отчёт в соответствии с требованиями, изложенными в файле « ОПИСАНИЕ РАБОТЫ (Ф1) » (стр. 12).

▪ выполнить второе практическое задание (Ф2) в соответствии с предложенным вариантом. 

«Исследование равновесия жидкость - пар бинарной системы с помощью её диаграммы кипения»

1. Выбрать из таблицы Ф2 в соответствии с заданным вариантом систему для исследования.
   По экспериментальным данным, приведенным в таблице Ф3, построить диаграмму кипения бинарной системы: Н₂О - ВЕЩЕСТВО А
   при заданном постоянном внешнем давлении (Р).
   Таблица Ф2
   Параметры системы, предлагаемой для исследования
   

1. По данным, приведенным в таблице Ф2, рассчитать мольную долю воды в исследуемой системе.
2. По диаграмме кипения выполнить следующие задания:
   1. Определить температуру начала кипения и состав первого пузырька пара системы заданного состава при постоянном внешнем давлении Р.
   2. Определить температуру конца кипения и состав последней капли жидкости системы заданного состава при постоянном внешнем давлении Р.
   3.  Определить число и состав равновесных фаз в системе заданного состава, находящейся при заданной температуре t и постоянном давлении Р.
   4. Определить по диаграмме кипения, образуют ли вода и вещество А азеотропную смесь. Если образуют, назвать состав азеотропа.
   5. Привести рисунок перегонного аппарата, который можно применять для разделения жидкой бинарной летучей смеси . Указать на какие компоненты можно разделить перегонкой смесь, предложенную для исследования.

Таблица Ф3.
Состав жидкой и парообразной равновесных фаз бинарной системы в зависимости от температуры при определённом постоянном давлении