Физическая и коллоидная химия. Методическое пособие и задания для контрольных работ. Новосибирск 2015 Физическая и коллоидная химия: Методическое пособие /Сост: М.С. Чемерис Новосиб. гос. аграр. ун-т.

НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АГРАРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
Институт заочного образования и повышения квалификации




ФИЗИЧЕСКАЯ И КОЛЛОИДНАЯ ХИМИЯ

Методическое пособие и задания для контрольных работ















Новосибирск 2015
Физическая и коллоидная химия: Методическое пособие /Сост: М.С. Чемерис; Новосиб. гос. аграр. ун-т. - 2011.

Рецензент – д-р биол. наук О.С. Короткевич
Методическое пособие составлено по основным разделам дисциплины «Физическая и коллоидная химия» в соответствии с современными стандартами для направлений: 260200.62 – продукты питания животного происхождения, 26080062- технология производства продукции и организация общественного питания, 221700.62 – стандартизация и метрология для высших сельскохозяйственных учебных заведений.
Предназначены для студентов биолого-технологического факультета
Утверждены и рекомендованы к изданию методической комиссией Института заочного образования и повышения квалификации (протокол № 5 от 21 2015 г.).



















© Новосибирский государственный аграрный университет, 2015
© Институт заочного образования и повышения квалификации, 2015


В В Е Д Е Н И Е

Методическое пособие составлено по основным разделам дисциплины «Физическая и коллоидная химия» в соответствии с современными стандартами и учебной программой для студентов направлений 110305.62 (110900) – технология производства и переработки сельскохозяйственной продукции следует выполнить одну контрольную работу.
Курс физической химии является теоретической базой всех химических дисциплин. Курсы физической и коллоидной химии тесно связаны с химической технологией и играют большую роль в развитии различных отраслей промышленности: пищевой, текстильной, керамической и др.
В подготовке специалистов изучение физической и коллоидной химии имеет большое значение. Достаточно указать на то, что производство многих видов промышленных и продовольственных товаров основано главным образом на применении физико-химических методов и коллоидно-химических процессов.
Сейчас невозможно назвать какую-либо отрасль промышленности, где бы ни использовались коллоидные системы или коллоидно-химические процессы. Почти все пищевые продукты: мука, хлеб, масло, жир, желе, бульон, соусы и пр. являются дисперсными системами. Парфюмерная
промышленность готовит кремы, пасты, пудру, эмульсии, мыло, используя
законы коллоидной химии. Коллоидно-химическими являются процессы
измельчения материалов (цемента, красок и др.), цементации, склеивания,
дубления кож, крашения тканей.
Курс изучается на основе методов молекулярно-кинетической теории термодинамики. Атомно-молекулярная теория дает возможность разъяснить сущность происходящих физико-химических процессов. Термодинамика устанавливает закономерности энергетического состояния тел и химического равновесия в системах, позволяет производить точные расчеты.
В методических указаниях по каждой теме обращается внимание на
важнейшие разделы изучаемой главы курса и приводятся вопросы для самопроверки, а также решения типовых задач для самостоятельного выполнения контрольных работ. На все приведенные вопросы нужно дать полные, исчерпывающие ответы.
Основной формой работы студента-заочника является самостоятельная работа с книгой. Приступая к изучению курса целесообразно вначале ознакомиться с программой. Далее следует перейти к тщательному изучению отдельных тем программы по учебнику, руководствуясь методическими указаниями. В ходе занятия нужно обязательно конспектировать отдельные формулировки и выводы уравнений, графически изображать некоторые зависимости.
После изучения каждой темы необходимо ответить на вопросы для самостоятельной проверки, приведенные в методическом пособии, и решить типовые задачи. Только после этого следует приступать к выполнению контрольной работы. Зачтенные контрольные работы, исправленные в соответствии с замечаниями, предъявляются на экзамене. Вопросы, подобные вопросам для самопроверки, являются основой экзаменационных билетов. При возникновении затруднений следует обратиться за консультацией (письменной или устной) к преподавателю.
Выполненная контрольная работа должна быть проверена на кафедре химии, после чего студент допускается к собеседованию по этой работе. Только после собеседования можно получить зачет по контрольной работе.
В собеседование включаются вопросы для самопроверки знаний и задачи вашего варианта контрольной работы. Методические указания, вопросы для самопроверки, которые отражают объем требований к знаниям студента, и задания для контрольной работы даны по отдельным разделам программы.

ПОРЯДОК ИЗУЧЕНИЯ КУРСА

При самостоятельном изучении курса физической и коллоидной химии рекомендуется руководствоваться следующими указаниями.
1. Прежде чем приступить к изучению материала, необходимо составить календарный план своих занятий в соответствии с учебным графиком, предусмотрев сроки изучения теории по темам программы и учебным пособиям, подготовку контрольной работы и участие в лабораторно-экзаменационной сессии.
2. При рассмотрении формул следует сделать выводы из них, исследовать их преобразования, проанализировать и выяснить, какие величины они связывают и как применяются на практике.
3. Изучая рекомендуемый материал, необходимо выписывать в рабочую тетрадь формулировки законов и понятий, тщательно составленные
химические равенства и выводы математических формул.
4. При решении задач нужно не только подставлять числовые данные в соответствующую формулу, но и производить расчеты для того, чтобы видеть результаты применения теоретических положений к опытным данным. Необходимо помнить, что решение задач является лучшим средством проверки правильности усвоения теоретических положений курса.
5. При работе с учебниками используйте имеющиеся в них таблицы,
диаграммы и схемы.
6. Если при изучении материала возникнут затруднения, постарайтесь разрешить их самостоятельно или обратитесь письменно за
консультацией на кафедру химии.
7. Учебным планом предусмотрена контрольная работа по разделам
курса.
8. После окончания предварительной теоретической подготовки и
представления контрольной работы необходимо выполнить на сессии
практикум по физической и коллоидной химии затем сдать экзамен по
всему курсу.

Выбор варианта задач для решения
1.Написать на первой странице тетради полностью свою фамилию, имя и отчество, например, Попова Ирина Васильевна.
2. Выписать в ряд по три первые буквы фамилии, имени и четыре
отчества и пронумеровать их. Цифра соответствует номеру задачи. Всего десять задач.
3. Для выбора варианта задачи в теме надо букву, стоящую над номером задачи, найти в табл. 2. Номер строки, в которой находится данная буква, соответствует номеру варианта. Номера варианта выписываются под номерами задач.
Для нашего варианта получим следующую таблицу:
Таблица 1
Начальные буквы ФИО
П
О
П
И
Р
И
В
А
С
И

№ задачи
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10

№ варианта
15
14
15
4
11
4
18
16
7
24


Составленную табл.1 следует записать на первой странице под
фамилией, именем и отчеством:
Попова Ирина Васильевна
1.15; 2.14; 3.15; 4.4; 5.11; 6.4; 7.18; 8.16; 9.7; 10.24.
4. Перед решением каждой задачи нужно записать ее номер, номер варианта, полностью условие задачи и привести подробный ход решения задачи с объяснением.


Таблица 2
Выбор номера варианта задач

Первые три буквы фамилии
Первые три буквы имени
Первые четыре буквы
отчества

№ варианта
Буква, № варианта
№ варианта
Буква, № варианта
№ варианта
Буква, № варианта

1
А, Ы
1
Е.Ё
1
Л

2
Б, Э
2
Ж
2
М

3
В, Ю
3
З
3
Н

4
Г
4
И
4
О

5
Д
5
К
5
П

6
Е, Ё
6
Л
6
Р

7
Ж
7
М
7
С

8
З
8
Н
8
Т

9
И
9
О
9
У

10
К
10
П
10
Ф

11
Л
11
Р
11
Х

12
М
12
С
12
Ц

13
Н
13
Т
13
Ч, Ъ, Ь

14
О
14
У
14
Ш, Щ

15
П
15
Ф
15
Я

16
Р
16
Х
16
А, Ы

17
С
17
Ц
17
Б, Э

18
Т
18
Ч, Ъ, Ь
18
В, Ю

19
У
19
Ш, Щ
19
Г

20
Ф
20
Я
20
Д

21
Х
21
А, Ы
21
Е, Ё

22
Ц
22
Б, Э
22
Ж

23
Ч, Ъ, Ь
23
В, Ю
23
З

24
Ш, Щ
24
Г
24
И

25
Я
25
Д
25
К








Физическая химия

Тема 1. АГРЕГАТНОЕ СОСТОЯНИЕ ВЕЩЕСТВА.
Существование вещества в твердом, жидком или газообразном состояниях определяется энергетическими взаимодействиями между частицами (атомами, молекулами, ионами). Межчастичные взаимодействия в газообразном состоянии слабые, и частицы практически не связаны друг с другом. Если силы межчастичного притяжения больше энергии тепловых колебаний, тела существуют в твердом состоянии. Твердое кристаллическое состояние характеризуется упорядоченной структурой (геометрически правильное расположение частиц в пространстве). Если силы межчастичных взаимодействий уже не способны преодолеть тепловые колебания, связи между частицами постоянно рвутся и вновь образуются, частицы смещаются относительно друг друга, и хотя контакты между ними сохраняются, но нарушается геометрически правильная структура – это жидкое состояние.
Твердое и жидкое состояния называются конденсированным состоянием вещества.
В твердом состоянии вещество с трудом изменяет объем и форму (ничтожно мало сжимается и деформируется), в жидком с трудом изменяет объем, но легко меняет форму (мало сжимается, но свободно деформируется), а в газообразном легко изменяет как объем, так и форму. Важно отметить, что при очень высокой температуре (сотни тысяч градусов) энергия столкновения между частицами газа настолько велика, что молекулы разрушаются, а атомы теряют электроны, в результате чего образуется плазма, состоящая из ядер и электронов. Плазма рассматривается как четвертое, плазменное состояние материи (например, состояние вещества внутри солнца).
«Идеальный газ» - это идеализированное состояние реальных газов при бесконечно малом давлении (концентрации). Между его частицами нет никаких взаимодействий – ни притяжения, ни отталкивания. Частицы свободны и перемещаются беспрепятственно (неупорядоченное состояние), причем собственный объем молекул газа мал по сравнению с объемом, в котором эти молекулы располагаются, и его можно не учитывать. Понятие «идеальное состояние» принято для упрощения первичного математического описания систем, а переход к «реальному состоянию» осуществляется путем введения в уравнения для идеального газа необходимых поправок, учитывающих межчастичные взаимодействия и объем частиц.
Газовые системы являются наиболее наглядными моделями при изучении законов термодинамики и кинетики. От свойств идеальных газов легко перейти к свойствам идеальных жидких растворов, а затем и к свойствам реальных растворов.
Законы идеальных газов представляют собой соотношения между давлением (P, Па), абсолютной температурой (T, К) и объемом (V, л) некоторой массы идеального газа, когда один из этих параметров сохраняется постоянным.
Закон Бойля-Мариотта: при переходе газа из состояния 1 в состояние 2 при постоянной температуре (изотермический процесс) произведение объема газа на его давление есть величина постоянная:
13 EMBED Equation.DSMT4 1415, т. е. 13 EMBED Equation.DSMT4 1415 (1) (1)
Закон Гей-Люссака: при переходе газа из состояния 1 в состояние 2 при сохранении постоянного объема (изохорический процесс) изменение давления в зависимости от температуры происходит линейно, т.е.
13 EMBED Equation.DSMT4 1415 (2) (2)
Закон Шарля: при переходе газа из состояния 1 в состояние 2 при постоянном давлении в системе (изобарный процесс) объем газа линейно изменяется с температурой, и отношение объема газа к абсолютной температуре является величиной постоянной, т.е.
13 EMBED Equation.DSMT4 1415 (3) (3)
4. Закон Авогадро: любые газы при одинаковых P, T и V содержат одинаковое число молекул. Так, при нормальных условиях, т.е. при P=1 атм., T=273 K и для V=22,4 л. (объем 1 грамм-моля, или просто моля, газа в этих условиях), любой газ независимо от его природы будет содержать в этом объем 6,02·1023 молекул/моль (это число Авогадро). Иными словами, закон Авогадро формулируется так: в равных объемах любых газов при одинаковых условиях (давление и температура) содержится одинаковое число молекул.
Уравнение состояния идеального газа определяет состояние между давлением, температурой и объемом для газа. Так, для случая переменных параметров состояния P, V и T они связаны между собой уравнением Менделеева – Клайперона:
13 EMBED Equation.DSMT4 1415 (уравнение состояния), (4)
где n – число молей идеального газа в объеме V, т.е. 13 EMBED Equation.DSMT4 1415 (m – масса газа, M – его молекулярная масса); R – универсальная газовая постоянная (коэффициент пропорциональности), которая для 1 моля идеального газа выражается из уравнения (4) в виде:
13 EMBED Equation.DSMT4 1415 (4) (5)
В численном выражении универсальная газовая постоянная (в системе СИ) 13 EMBED Equation.DSMT4 1415, т.к. 1 кал.=4,18 Дж, то значение R в тепловых единицах будет равно 1б987 кал/моль · К. Во внесистемных единицах R = 0,082 град/моль.
Отметим, что для реальных газов (более высокие, т.е. реальные концентрации молекул газа) должны учитываться взаимные притяжения газовых молекул и их собственный объем, который будет занимать уже заметную долю от всего объема. Тогда свободный объем, в котором движутся молекулы реального газа, будет не V, а V-b, где константа b – учет суммарного собственного объема молекул и их взаимного отталкивания. Кроме того, вследствие наличия в реальном газе некоторых сил межмолекулярного притяжения давление реального газа должно быть ниже давления идеального газа, что также необходимо учитывать путем введения еще одного дополнительного коэффициента (a), относящегося к свойству молекул конкретного реального газа. Тогда уравнение состояния (4) для реального газа примет вид (Ван-дер-Ваальс):
13 EMBED Equation.3 1415 (6) (6)
Константы a и b, характеризующие свойства молекул данного реального газа, находят экспериментальным путем.
Твердое кристаллическое состояние характеризуется упорядоченной структурой. Структурной единицей любого кристалла является элементарная ячейка, которая повторяется в кристалле параллельно самой себе и таким образом заполняет пространство, образуя кристаллическую решетку. Кристаллическая решетка состоит из узлов (места, где располагается частица) и различных плоскостей, которые можно для удобства описания решетки условно проводить через ее заданные узлы. В зависимости от типа частиц, образующих кристалл, и от природы сил притяжения между ними кристаллические решетки подразделяются на ионные (в узлах расположены чередующиеся противоположно заряженные ионы, которые связаны между собой электровалентными связями); ковалентные (в узлах находятся атомы, соединенные ковалентными связями); молекулярные (в узлах молекулы, связанные ван-дер-ваальсовыми силами) и металлические (решетка образована катионами, окруженными электронным облаком).
Свойства кристалла находятся в прямой зависимости от его структуры (пример – материалы из углерода, но разно структуры – графит и алмаз).
Изучая молекулярно-кинетическую теорию газов, следует обратить внимание на ее важнейший вывод, связывающий параметры уравнения состояния со средней кинетической энергией движущихся молекул. Согласно этой теории,
13 EMBED Equation.DSMT4 1415 (7) (7)
где M – масса моля газа; U2 – среднее значение квадрата скорости движения молекул; отсюда
13 EMBED Equation.DSMT4 1415 (м/с), (8) (8)
Пример. Рассчитать скорость движения молекул водорода при температуре 25°C.
Решение. Основным выводом молекулярно-кинетической теории газов является установление связи между величинами PV=RT и средней кинетической энергией молекул газа, эта связь выражается формулой:
13 EMBED Equation.DSMT4 1415 или 13 EMBED Equation.DSMT4 1415,
где R - универсальная газовая постоянная;
Т - температура газа, °K;
М - молярная масса газа (масса моля), кг;
u - средняя скорость движения молекул.
Таким образом, 13 EMBED Equation.DSMT4 1415
Рассчитаем значение u для молекулы водорода:
По условию 13 EMBED Equation.DSMT4 1415; 13 EMBED Equation.DSMT4 1415; 13 EMBED Equation.DSMT4 1415,
тогда 13 EMBED Equation.DSMT4 1415.

Вопросы для самопроверки
1. Назовите переходы из одного агрегатного состояния в другое.
2. Опишите явления, сопровождающие эти переходы.
3. Схематично на графике представьте изменение температуры во времени при нагревании некоторого количества вещества в области температур, где имеется плавление и кипение вещества
4. Что такое плазма? Каковы особенности ее физических свойств?
5. Что такое уравнение состояния? Каким уравнением описывается состояние идеального газа?
6. Какие физические законы объединены в уравнении Менделеева-Клайперона?
7. Чем отличаются реальные газы от идеальных газов? Какими уравнениями состояния описываются реальные газы?
8. Какой физический смысл имеет газовая постоянная? Каковы ее возможные размерности?
9. В чем сущность молекулярно-кинетической теории газов?
10. Что такое средняя квадратичная скорость движения молекул? Как она связана с температурой?

ЗАДАНИЕ 1. Задачи для контрольной работы
1.1. Агрегатные состояния веществ. Понятие об идеальном газе. Законы идеальных газов. Уравнение состояния идеального газа.
1.2. Понятие о реальных газах. Основные отличительные особенности реальных и идеальных газов. Уравнение Ван-дер-Ваальса для описания состояния реального газа.
1.3. Твёрдое состояние вещества. Основные типы кристаллических решеток. Плавление.
1.4. Жидкое состояние вещества. Параметры, характеризующие жидкое состояние. Поверхностное натяжение. Понятия об испарении, кипении и замерзании жидкостей.
1.5 Рассчитать скорость движения молекул водорода при температуре 25°C.R=8,31 Дж/моль.
1.6 Рассчитать молекулярную массу (кг) и скорость движения молекул азота при температуре 20°C. R=8,31 Дж/моль.
1.7 Рассчитать молекулярную массу (кг) и скорость движения молекул углекислого газа при температуре 40°C. R= 8,31 Дж/моль.
1.8 В стальном баллоне емкостью 26 л находится кислород под давлением 80 атм при 18°С. Определить массу кислорода.
1.9. В стальном баллоне емкостью 10 л находится кислород под давлением 250 атм при 0°С.Какой объем займет кислород при н.у.
1.10. Масса 500 см2 ацетона при температуре 37°С и давлении 101,3 кПа равна 0,93 г. Оределить молярную массу ацетона.
1 .11.- 1.20 Кратко укажите, в чем различие и сходство между газообразным, жидким и твердым состоянием? Какие из собственных характеристик вещества определяют его агрегатное состояние при обычных условиях? Почему некоторые вещества не имеют всех трех агрегатных состояний? Приведите примеры. Используя для расчетов уравнение Менделеева-Клапейрона и закон Авогадро, проставьте в таблице недостающие данные в соответствии со своим вариантом (в двух рядах таблицы!)
№ задачи
Формула газа
Давление, атм
Давление, Па
Число молей
Объем, л
Масса, кг
Число молекул
Т°К
t°С

1.11
CO2



20
0,04

273


1.12
H2

105
0,5




0

1.13
N2



10

6,02
·1020



1.14
CH4



30
0,5

400


1.15
O2


2,5
100


350


1.16
Ne
5



1,2

300


1.17
CO
2


40



25

1.18
Cl2

104


0,35

500


1.19
NO

106
0,75
2





1.20
N2O
1

1



290


1.21 – 1.25. Как связано произведение PV (RT) с суммарной кинетической энергией молекул 1 моля газа? Какой физический смысл вкладывает молекулярно-кинетическая теория в понятие «температура» и «абсолютный нуль» (-273°С)? Используя выводы молекулярно-кинетической теории, рассчитайте недостающие в таблице данные (в соответствии со своим вариантом).
№ задачи
Формула вещества
Молекул. масса, кг
Т°К
t°С
Скорость движ. молекул, м/с

1.21
CO2

298
40


1.22
N2


20


1.23
CO



1000

1.24
NO

450



1.25
N2O


- 20







Тема 2. ХИМИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА И ТЕРМОХИМИЯ
Основные понятия термодинамики
Предмет термодинамики. Окружающий нас мир представляет собой различные формы движущейся материи. Мерой движения материи является энергия, проявляющаяся в различных ее видах. Взаимные превращения различных видов энергии, связанные с переходом энергии в форме теплоты и работы, изучает термодинамика. Применение термодинамики к химическим процессам составляет предмет химической термодинамики, которая изучает превращение различных видов энергии при химических реакциях, процессах растворения, испарения, кристаллизации и др.
Зная законы химической термодинамики, можно предсказать, возможна ли данная реакция при данных условиях или нет, и при каких условиях она станет возможной, каков будет выход продуктов реакции, т. е. какова степень превращения исходных веществ в конечные, каким тепловым эффектом она будет сопровождаться. Энергетическая сторона химических процессов имеет важное значение, так как выделяющееся при этом тепло позволяет использовать реакции горения газообразного, жидкого и твердого топлива в качестве источника тепловой энергии. Кроме того, данные об энергетических эффектах реакций используются для определения прочности межатомных и межмолекулярных связей, для выяснения строения и реакционной способности химических соединений и т. д.
Термодинамические системы. Системой называется тело или группа тел, выделенных фактически или мысленно из окружающей среды. Системой может быть газ в баллоне, стакан чая, кристалл сахара и т. п. Особенность систем, рассматриваемых в термодинамике, заключается в том, что они состоит из большого числа частиц молекул или атомов. К отдельным молекулам, атомам или элементарным частицам законы термодинамики не применимы.
Фазой называется совокупность всех однородных частей системы, обладающих одинаковыми свойствами и отделенных от остальных частей системы поверхностью раздела. Например, жидкая вода представляет собой одну фазу, а система «жидкая вода лед» содержит две фазы, которые хотя и обладают одинаковым химическим составом, но различаются по свойствам (по внутреннему строению, плотности и др.) и имеют поверхность раздела.
Все термодинамические системы можно разделить на две большие группы гомогенные и гетерогенные. Гомогенными (однофазными) называются системы, состоящие только из одной фазы, например воздух смесь газов, раствор поваренной соли и сахара в воде. Здесь между составными частями систем отсутствует поверхность раздела.
Системы, содержащие две или большее число фаз, называются гетерогенными (разнофазными, неоднородными). Например, лед, вода и находящийся над ними пар образуют гетерогенную систему, состоящую из трех фаз: твердой (лед), жидкой (вода) и газообразной (водяной пар); нерастворившиеся кристаллы поваренной соли в воде образуют гетерогенную систему из двух фаз и т. д. В гетерогенной системе составные ее части фазы разделены поверхностью раздела.
Термодинамическая система может быть открытой, закрытой и изолированной. Система, которая может обмениваться веществом с окружающей средой, называется открытой, например сосуд с кипящей водой. Для закрытой системы невозможен обмен веществом с окружающей средой, например газ, находящийся в баллоне. Пели, наконец, невозможен обмен ни веществом; ни энергией, такая система называется изолированной. Примером может служить запаянная ампула, полностью полированная от внешней среды.
Параметры и процессы. Физические величины, позволяющие определить состояние системы, называются параметрами состояния. В химии чаще используются следующие параметры: объем, давление, температура и концентрация. Параметры состояния, поддающиеся непосредственному изменению, принято считать основными. К ним относят температуру Т, давление р, молярный объем V, концентрацию С. Другие параметры, зависящие от основных, являются функциями основных пара­метров и называются функциями состояния.
Совокупность параметров определяет состояние системы. Математическое выражение, показывающее взаимозависимость основных параметров данной системы, называется уравнением состояния. Примером может служить уравнение состояния идеального газа: pV=RT.
Энергия, теплота, работа. Важнейшими взаимосвязанными понятиями в термодинамике являются энергия, теплота и работа. Энергия это мера способности тела совершать работу. Из различных форм энергии для характеристики процессов особенно важное значение имеет внутренняя энергия системы. Любая система, независимо от того, в каком состоянии она находится, всегда обладает определенным запасом энергии. Внутренняя энергия системы представляет собой ее полную энергию, которая складывается из энергии движения молекул, атомов, ядер и электронов в молекулах и атомах, внутриядерной энергии, энергии межмолекулярного взаимодействия и т. п.
Внутренняя энергия системы зависит от природы составляющих ее веществ, их массы и внешних условий. Абсолютное значение внутренней энергии в какой-либо системе измерить невозможно, однако опытным путем удается определить изменение внутренней энергии системы при переходе ее из одного состояния в другое. Изменение внутренней энергии U системы при любом процессе не зависит от пути этого процесса, а зависит лишь от начального и конечного состояния системы. Следовательно, внутренняя энергия является функцией состояния системы. В отличие от внутренней энергии теплота и работа не являются функциями состояния, так как они представляют собой разные формы передачи энергии. Поэтому теплота и работа могут быть отнесены только к процессу, а не к состоянию. Работа А, совершаемая системой, обусловлена взаимодействием между системой и внешней средой, в результате чего преодолеваются внешние силы, нарушившие равновесие в системе. Например, газ, расширяясь и цилиндре с поршнем, может сжимать пружину и таким образом передавать ей часть энергии. Следовательно, работа является макрофизической формой передачи энергии от системы к системе.
Другой формой передачи энергии является теплота Q, в этом случае энергия непосредственно передается молекулами одного тела молекулам другого при их контакте. Такой обмен происходит между телами, имеющими различную температуру.
Поскольку теплота и работа в количественном отношении являются мерой передаваемой энергии, то количество их измеряется в тех же единицах, что и энергия, в джоулях (Дж).
Часто говорят, что теплота (или работа) подводится к системе или отводится от нее. Однако это не совсем строгое выражение, и, употребляя его, не следует забывать, что подводится и отводится не теплота или работа, а энергия в форме теплоты или работы. Если система обменивается энергией с окружающей средой, то в какой бы форме это ни происходило, количество энергии, полученное системой, обозначается знаком. «+», а количество энергии, отданное системой, знаком «». Например, если система получила энергию в форме теплоты, то это можно обозначить + Q, а если система отдала теплоту, то Q.
Работа расширения А идеального газа описывается уравнением
А = 13 QUOTE 1415, ( 1.1 )

Р – давление, V1 – начальный объем, V2 –конечныйобъем.
Изучая зависимость объема V данной массы газа от давления р, Бойль (Англия) и Мариотт (Франция) независимо друг от друга открыли следующий закон: объем данной массы газа при постоянной температуре обратно пропорционален давлению, под которым газ находится,
что можно записать уравнением
  p1V1 = p2V2 = k                                ( 1.2 )
 
где k постоянная величина.
Таким образом, из закона Бойля Мариотта вытекает, что произведение объема газа на давление при данной температуре есть величина постоянная.
Зависимость объема газа от температуры. Как и все тела, газы при нагревании расширяются, причем весьма заметно даже при незначительном нагревании. Исследуя тепловое расширение газов, французский ученый Гей-Люссак установил, что для данной массы идеального газа объем при постоянном давлении прямо пропорционален абсолютной температуре. Этот закон получил название закона Гей-Люссака:

V=kT                      (1.3 )
где V объем газа; Т абсолютная температура, К (К градусы в шкале Кельвина, 1К=273 + °С); k константа.
Нормальными называют условия, когда температура равна 0° С (273 К) и давление составляет 1 атм, или 760 мм рт. ст. (101 325 Па). При этих условиях, как следует из закона Авогадро, 1 моль газа занимает объем 22,4 л (а 1 кмоль 22,4 м3). Число молекул, содержащихся в 1 моле, называется постоянной Авогадро:  NA = 6,02
·1023 (в СИ 6,02
·1026)
Зависимость давления газа от температуры. Нагревая газ в закрытом сосуде, по манометру можно заметить, что давление газа увеличивается. Зависимость давления газа от температуры при постоянном объеме выражается следующим законом: для данной массы идеального газа давление при постоянном объеме прямо пропорционально абсолютной температуре:
 p = кТ,                                  (1.4 )
 где р давление    газа;   Т абсолютная   температура; k константа.
Этот закон по имени французского ученого, открывшего его, называется законом Шарля.
Объединенное уравнение состояния идеального газа. Мы рассмотрели состояния газов, когда одна из трех величин, характеризующих эти состояния (объем, давление или температура), не меняется. Например, если не меняется температура, то давление и объем газа связаны друг с другом законом Бойля Мариотта. При постоянном давлении объем газа меняется с изменением температуры по закону Гей-Люссака и, наконец, при постоянном объеме давление газа меняется с изменением температуры по закону Шарля.
Однако нередки процессы, когда одновременно меняются все три параметра, характеризующих состояние газа. Соотношение, которое одновременно связывает между собой значения давления, объема и температуры (р, V и T), называется уравнением состояния идеальных газов:
PV = 13 QUOTE 1415 RT (1.5)
Уравнение ( ) называется уравнением Клапейрона Менделеева.
Уравнением Клапейрона Менделеева пользуются при расчетах различных параметров, характеризующих газ или его состояние: давления р, объема V, температуры T, массы т или молекулярной массы М.
Чтобы пользоваться уравнением Клапейрона Менделеева, необходимо найти значение универсальной газовой постоянной R.        
В Международной системе единиц (СИ) R = 8,313( 103 Дж/(град-моль).
В зависимости от условий уравнение (1.1) принимает различный вид:
Р – const, изобарное расширение:
A = p (V2 – V1) (1.6)
Т – const, изотермическое расширение:
А = 13 QUOTE 1415, находим p из уравнения; в
p = 13 QUOTE 1415 13 QUOTE 1415 и подставляем ( 1.1 )
А = 13 QUOTE 1415 13 QUOTE 1415 RT ln13 QUOTE 1415 (1.7)
При Т – const P1V1 = 13 QUOTE 1415RT = P2V2 (закон Бойля-Мариотта), т.е.
13 QUOTE 1415 = 13 QUOTE 1415, подставим в (1.7):
А = 13 QUOTE 1415 RT ln13 QUOTE 1415 (1.8)
Количество теплоты Q, необходимое для нагрева тела, зависит от
условий:
V – const,
QV = 13 QUOTE 1415 CV (T2
·T1 ) (1.9)

где СV – изохорная теплоемкость (количество теплоты, которое надо затратить для нагревания одного моля вещества на один градус при постоянном объеме).
2. P – const:
QP = 13 QUOTE 1415 CP (T2
·T1 ) (1.10)


где Cp – изобарная теплоемкость (количество теплоты, которое необходимо затратить на нагревание одного моля вещества на один градус при постоянном давлении).
Для одноатомного газа
С = 13 QUOTE 1415 и СP - CV = R (1.11)
Для молекул, состощих из двух атомов СV = 13 QUOTE 1415;
Для молекул, состощих из трех атомов СV = 3R.
Если при нагревании (или охлаждении) происходит фазовый переход
(замерзание, плавление, испарение, конденсация), то это необходимо учитывать,
Qф.п =13 QUOTE 1415
·, (1.12)
где
· – теплота фазового перехода;
Qф.п – теплота фазового перехода.
Основные положения термодинамики даются в форме трех ее законов (начал). Первый закон (первое начало) термодинамики вытекает из закона сохранения энергии. Согласно этому закону энергия не исчезает бесследно и не возникает из ничего, а лишь переходит из одной формы в другую в строго эквивалентных количествах.
Первое начало термодинамики устанавливает соотношение между теплотой Q и работой А при изменении общего запаса энергии системы. Изменение внутренней энергии системы может происходить при поглощении или выделении теплоты или при совершении работы системой или над системой. При поглощении системой некоторого количества теплоты внутренняя энергия системы увеличивается, если же в результате этого изменяется объем системы, то совершается работа по изменению объема.
Имеется несколько формулировок первого закона термодинамики, однако все они отражают неуничтожимость и эквивалентность энергии при переходе различных видов ее друг в друга:
1. В изолированной системе сумма всех видов энергии есть величина постоянная.
2. Невозможно создать вечный двигатель первого рода, так как невозможно создать машину, которая производит работу без подведения энергии извне.
Первое начало термодинамики имеет огромное философское значение, ибо, утверждая неуничтожимость энергии, оно тем самым обосновывает и неуничтожимость материи, поскольку энергия без материи существовать не может.
Первое начало термодинамики выражается уравнением

Q =
·U + A , (1.13 )

где
·U – изменение внутренней энергии.
1. p-const
·U = Q - A;
2. V-const
·U = Q.
Для растворов концентрация С:
C = 13 QUOTE 1415 или V = 13 QUOTE 1415 , ( 1.14)
где V – объем.
Долгое время было принято считать тепловые эффекты реакций, проходящих с выделением теплоты, положительными, а с поглощением теплоты отрицательными, обозначая их соответственно + Q и – Q. В настоящее время в термохимии для единообразия с термодинамикой тепловые эффекты реакции обозначают через 13 QUOTE 1415подчеркивая этим, что тепловой эффект вызван изменением параметров системы. Поэтому и говорят обычно не о тепловом эффекте, а об изменении энтальпии . Разумеется, если в ходе реакции теплота выделяется (+Q), то энтальпия при этом уменьшается (-), и наоборот, если в ходе процесса теплота поглощается (Q), то энтальпия системы увеличивается. Таким образом, энтальпия связана с тепловым эффектом реакции зависимостью: Qp = 13 QUOTE 1415. Разумеется, если в ходе реакции теплота выделяется (+Q), то энтальпия при этом уменьшается (-), и наоборот, если в ходе процесса теплота поглощается (Q), то энтальпия системы увеличивается. Таким образом, энтальпия
тепловому эффекту реакции с обратным знаком.
Энтальпия по определению
H= U + pV. (1.15 )

Примеры решения задач
Задача 1
Найти работу расширения 10 г азота от объема 6 м3 до 40 м3 при постоянной температуре, равной 250С.
Решение:
Используем соотношение ( 1.7), так как T – const и изменяется объем:
A= 13 QUOTE 1415 RT ln 13 QUOTE 141513 QUOTE 13 QUOTE 1415 15
Обязательно все данные задачи должны быть в одной системе единиц, (как правило, используйте СИ). Для перевода используем таблицу из приложения (см. с. 63).
m N 2 = 1·10-2 кг, М= 2,8 · 10-2 кг/кмоль, Т= 273 + 25 = 298К,
где М – масса одного моля.
Моль – количество вещества, выраженное в граммах и численно равное атомной или молекулярной массе.
Для азота (N2) атомная масса А = 14, следовательно, М = 2 ·14 г = 28 г,
так как молекула азота состоит из двух атомов. В системе СИ m – в кг,
поэтому М в кг/кмоль и R = 8,31 · 103 Дж/ кмоль · град.
2,303 lgA = ln A – соотношение между натуральным и десятичным
логарифмом числа:
A = 13 QUOTE 1415 ln 13 QUOTE 1415 = 24763,8
· 2,303
· lg 6,67 = 46993,6 = 4,7(10 4
Размерность A = 13 QUOTE 1415
Задача 2
Какая работа будет совершена 5 кг метана при повышении температуры на 500С и постоянном давлении.
Решение
Из условия задачи P – const, поэтому используем уравнение:
A = p (V2
· V1 ) = p V2
· p V1
Из уравнения: РV2 = 13 EMBED Equation.DSMT4 1415 RТ2, РV1 = 13 EMBED Equation.DSMT4 1415 RТ1
A= 13 QUOTE 1415 R (T2
· T1) ;13 QUOTE 13 QUOTE 1415 15
m = 5 кг, М=16 кг/кмоль (см. задачу 1.)
Т – Т =
· Т = 50 К (величины К и °С одинаковы, поэтому
·Т в К =
· °С);
A = 13 QUOTE 1415 = 1,3 ( 10 5
Размерность A = 13 QUOTE 1415
Задача 3
Найти работу изобарического расширения аргона от 2 л до 3 л под давлением 30 Па.
Решение
Из условия задачи p – const . Поэтому используем формулу (1.3):
A = p (V2 – V1 ) .
Переводим данные задачи в систему СИ:
2 л = 2 · 10-3 м, 3 л = 3 · 10-3 м3, 1 ПА = Н/м2, 30 ПА = 30 Н/м2.
А = 30 (3·10-3 - 2·10-3) = 30 · 10-3 = 0,03.
Размерность [Н · м--2 ] · [м3] = [Н] · [м] = [дж].

Задача 4
Найти работу, полученную при изотермическом расширении 100 г
азота при изменении давления от 3·105 Па до 2·105 Па при температуре 70 °С.
Решение
Из условия задачи T – const и меняется давление, поэтому используем формулу 1.5:
A= 13 QUOTE 1415 RT ln 13 QUOTE 141513 QUOTE 13 QUOTE 1415 15
m = 0,1 кг, М= 28 кг/кмоль, T = 273 + 70 °С = 343,
R = 8,31·103 Дж/кмоль·град,
р1 = 3·105 Па = 3 ·105 Н/м2, p2 = 2 · 105 Па (Н/м2),
A = 13 QUOTE 1415 ( lg 13 QUOTE 1415 = 4126
Размерность A = 13 QUOTE 1415
Задача 5
10 л кислорода, взятого при нормальных условиях, нагревают до
2000С при постоянном объеме. Определить количество теплоты, затраченное на нагревание.
Решение
По условию V = const, поэтому используем формулу (1.6):
QV =13 QUOTE 1415 CV (T2
·T1 ), Сv = 13 QUOTE 1415 R, так как молекула кислорода двухатомная.
Следствие из закона Авогадро. Один моль любого газа при нормальных условиях (00С или 273 К, р = 1 атм или 760 мм. рт. ст. или 1,013·105 Н/м2) занимает объем, равный 22,4 л.
Поэтому 13 QUOTE 1415 = 13 QUOTE 1415 ;
T1 = 273 K; T2 = 473 K; Сv = 13 QUOTE 1415 R; 10 л = 1 · 10-2 м3; 1 кмоль = 22,4 м3.
Q = 13 QUOTE 1415 = 1855.
Размерность Q = 13 QUOTE 1415
Задача 6
3 кг неона нагреваются при постоянном давлении. Найти изменение энтальпии, если температура повысилась на 1000С:

·H = Q p = 13 QUOTE 1415 Cp (T2
·T1 ) из формулы (1.7),
из формулы (1.8): Cp = CV + R = 13 QUOTE 1415 R, так как неон подчиняется законам
идеального газа: Т2 – Т1 =
·Т =
·0С = 100 К,

·H = 13 QUOTE 1415= 3,085 ( 105
Размерность
·H = 13 QUOTE 1415 .
Задача 7
Найти изменение внутренней энергии при испарении 10 г ртути и
давлении 1,013·105 Па. Температура кипения ртути – 3570 С. Теплота паро
образования – 1,29·105 Дж/кмоль.
Решение
По условию p – const . Из формулы (1.12) H = U+ pV ,
·U =
·H – p
·V,

·H = Qфп = 13 QUOTE 1415
· парообразования .
Пренебрегая объемом жидкой ртути по сравнению с объемом газообразной, получаем

·V = V газ- V жид
· V газ, V = 13 QUOTE 1415 ;

·U = 13 QUOTE 1415
·п
· 13 QUOTE 1415 = 13 QUOTE 1415 (
·
· RT );
m = 1
·10
·2 кг, М = 107 ( 13 QUOTE 1415 , р = 1,013
· 105 13 QUOTE 1415 ;
R = 8,31 · 103 Дж/ кмоль · град .
Т = 273 + 357 С = 630К,

·U = 13 QUOTE 1415 (1,29
· 10
· 8,31
·103
· 630) =
· 477 Дж.
Размерность
·U = 13 QUOTE 1415

Расчет термодинамических потенциалов
·G и
·H производится с использованием имеющихся в справочниках и приведенных к стандартным условиям значений
·S0298K;
·G0298K и
·Н0298K для простых веществ и химических соединений.
Пример 1. Рассчитать
·G0298K и определить возможность протекания следующей реакции при стандартных условиях:
С2Н2 (г) + 5/2 O2 (г) = 2СO2 (г) + Н2O +
·Gр-ции , если значение
·G0298K = 209 (для ацетилена), для углекислого газа
·G0298K = -393,3, а для жидкой воды
·G0298K = -237 кДж/моль (для кислорода
·G0298K = 0).
Решение:
·Gр-ции = 2
·G°298K (СO2 (г) ) +
·G0298K (Н2O (ж) ) - -
·G0298K (С2Н2 (г)) = 2(-393,3) + (-237) - 209 = -786,6 - 237 - 209 = = -1232,6 кДж/моль. Поскольку полученное значение
·Gр-ции < 0, реакция может идти в прямом направлении.
Пример 2. Вычислить изменения энтропии образования (
·S0обр) этанола из элементов, если (
·S0298К) при стандартных условиях для С(Т) графит = 5,21; Н2(г)= 130,52; O2(л) = 205,18; С2Н5ОН(ж)= 160,78 кДж/моль
Решение:
·S0образ =
·
·S298K (продуктов) -
·
·S298K (реагентов). Уравнение образования этанола из элементов: 2С + 3Н2 + 1/2O2 = С2Н5ОН. Подставляя величины
·S0образ = 160,78 - (2Ч5,21 + 3Ч130,52 + 1/2( 2Ч205,18) = = -343,79 кДж/моль.

Вопросы для самопроверки
1. Что такое энергия? Перечислите известные вам ее виды, сформулируйте закон сохранения энергии.
2. Что понимается под внутренней энергией термодинамической системы? Что такое энтальпия? Какова связь между внутренней энергией и энтальпией?
3. Сформулируйте первое начало термодинамики. Приведите его математическое выражение. В чем особенности тепловой энергии?
4. Сформулируйте закон Гесса. Укажите условия его применения. Как рассчитывают тепловые эффекты реакций, которые могут быть найдены экспериментально? Какие данные для этого необходимы?
5. Укажите связь закона Гесса с первым законом термодинамики.
6. Как определяют теплоты реакций из энтальпий образования веществ?
7. Что такое параметр состояния? Какие параметры состояния термодинамической системы являются интенсивными, экстенсивными? перечислите термодинамические параметры, применяющиеся для описания систем, в которых протекает химическая реакция (в том числе и биологических).

Задание 2 к контрольной работе
При плавлении льда при 0"С поглащается 6009,5 Дж/моль.
Вычислить изменение энтропии при плавлении 5 молей льда.
2. 2-11. Сформулируйте закон Гесса. В каких условиях теплота реакции может быть заменена изменением энтальпии процесса? Найдите энтальпию реакции по величинам энтальпий образования исходных веществ и конечных продуктов.
номер задачи
Процесс

2
2С2Н2+5О2=4СО2+2Н2О

3
СН4+2О2 = СО2+2Н2О

4
2СН3ОН+ЗО2 = 2СO2 +4Н2О

5
СН3СOOН+202=2СO2+2Н2О

6
СаО + Н2О = Са(ОН)2

7
2СО+4Н2=С2Н5ОН + Н2О

8
A12O3 + 3SO3=A12(SO4)3

9
4NH3 + 5O2=4NO + 6H2O

10
Fe2O3+2Al = 2Fe+Al2O3

11
Fe2O3 + 3CO = 2Fe+3CO2

2. 1216. Какая термодинамическая функция называется энтропией? Каково ее статистическое толкование? Как вычисляется изменение энтропии в равновесном изотермическом процессе? Найдите изменение энтропии в указанных ниже процессах при стандартных условиях.
номер задачи
Процессы

12
N2+3H2=2NH3

13
H2+J2=2HJ

14
2NO+O2=2NO2

15
H2+Cl2=2HCl

16
Кипение 1 кмоля воды
·hкип. (уд.) = 2,257 кДж/г

2.17. Как изменитсяэ нтропия при нагревании 1 моль хлорида натрия от 250С до 1073 К, если температура его плавления 8000 С, теплота плавления 30,23 кДж/моль, молярная теплоемкость Сp = 45,96 Дж/моль( K.
2.18. Найти изменение энтропии при охлаждении 1 моль ацетона C3H6O от 100 до 250С, если теплота испарения ацетона равна 29,8 кДж/моль, температура кипения – 56оС, Ср = 125 Дж/мольК, Ср= 22,5 Дж/мольК.
2.19 Найти изменение энтропии при нагревании 0,076 кг бензола C6H6
от 0 до 500 С, если удельная теплоемкость твердого бензола 1,5 кДж/кгК, жидкого бензола – 1,8 кДж/кгК, теплота плавления – 126 кДж/кг, температурап лавления 50С.
2.20. Найти изменениеэ нтропии при нагревании 5 моль твердого метилового спирта от - 98 до +500 С, если теплоемкость – 256 Дж/моль, те-
плотап лавления – 22,4 кДж/мольК, температура плавления -980С.
2.21. Рассчитать изменение энтропии 50 г воды от 0 до 1100С. Удельная теплота испарения воды при 1000С 41 кДж/моль, мольная теплоемкость – Срж = 75 Дж/моль·К, мольная теплоемкость пара 360 Дж/моль·К.
2.22. Найти изменение энтропии при нагревании 0,1 кг бензола C6H6
от -5 до 40 0С, если: удельная теплоемкость твердого бензола – 1,5 кДж/кг·К, жидкого – 1,8 кДж/кг·К; теплота плавления – 126 кДж/кг; температура плавления 50С.
2.23. Найти изменение энтропии прио хлаждении 2 молей ацетона C3H6O от 90 до 250 С. Мольная теплота испарения 30 кДж/моль; температура кипения 560С, Ср(ж) = 125 Дж/моль·К; Ср(г) = 23 Дж/моль·К
2.24. Рассчитать изменение энтропии при нагревании 3 молей кадмия от 20 до 4000 С; температураплавления 321 0С; теплота плавления 6109 Дж/моль; Ср(т) = 22 Дж/моль·К; Ср(г) = 30 Дж/моль·К
2.25. Насколько изменится энтропияв в процессе изотермического расширения 1 кг гелия от объема 5 м3 и давления 1·105 Па до объема 10 м3 и давления 0,5·105 Па?

Тема 3. ХИМИЧЕСКАЯ КИНЕТИКА И КАТАЛИЗ
Основные вопросы по теме
1.Скорость и константа скорости химической реакции.
2. Зависимость скорости реакции от концентрации.
3. Кинетические уравнения для реакций первого и второго порядка.
4. Период полураспада.
5. Зависимость скорости реакции от температуры.
6. Правило Вант – Гоффа.
7. Уравнение Аррениуса.
8. Энергия активации.
9. Понятие о катализе. Виды катализа.

Зависимость скорости реакции от концентрации и температуры

Зависимость скорости реакции от концентрации выражается законом действия масс (см. тему 3).
Зависимость скорости реакции от температуры (правило Вант – Гоффа): V2 = V1 13 QUOTE 1415

где V1 – скорость реакции при t1;
V2 – скорость реакции при t2 ;

· – температурный коэффициент реакции.
Более точно и в более широком интервале температур (уравнение Аррениуса):
V2 = V1 ( 13 QUOTE 1415
где V1 – скорость реакции при температуре Т1, в градусах К.

Вопросы для самоконтроля
1. Как изменяется концентрация реагирующих веществ во времени?
Приведите графическую зависимость.
2. Как скорость химической реакции зависит от концентрации
реагирующих веществ?
3. Каков физический смысл константы скорости химической реакции?
4. Рассмотрите зависимость скорости реакции от температуры
(уравнение Аррениуса). Поясните смысл величин, определяющих
эту зависимость.
5. Дайте определение молекулярности и порядка реакции.
6. Что такое «энергия активации»?
7. Как влияет катализатор на энергию активации?
8. Недостатки теории Аррениуса?
9. Какие типы химических реакций вы знаете?




Примеры решения задач

Задача 1
Как изменится скорость прямой и обратной реакции
3Н2 + N2 2NH3
a) приувеличении давленияв 4 раза;
б) при уменьшении давленияв 2 раза?
Решение:
а) записываем закон действия масс для прямой и обратной реакции при исходных условиях:
V1 = k1
· 13 QUOTE 1415 13 QUOTE 1415 , V2= k2
· 13 QUOTE 1415
При увеличении давленияв 4 раза:
13 QUOTE 1415 = k1 (13 QUOTE 1415)3 ( (13 QUOTE 1415), 13 QUOTE 1415= k2 (13 QUOTE 1415),
Найдем отношение 13 QUOTE 1415 и 13 QUOTE 1415 :
13 QUOTE 1415 =13 QUOTE 1415 13 QUOTE 1415 =256;
13 QUOTE 1415 = 13 QUOTE 1415
Ответ. При увеличении давленияв 4 раза скорость прямой реакции увеличится в 256 раз, обратной в 16 раз.
б) V1 = k1
· 13 QUOTE 1415 13 QUOTE 1415 , V2= k2
· 13 QUOTE 1415
При уменьшении давления
13 QUOTE 1415 13 QUOTE 1415 = 13 QUOTE 1415 .
Найдем отношение 13 QUOTE 1415 и 13 QUOTE 1415 :
13 QUOTE 1415 = 13 QUOTE 1415 = 13 QUOTE 1415 = 13 QUOTE 1415;
13 QUOTE 1415 = 13 QUOTE 1415 = 13 QUOTE 1415 .

Ответ. При уменьшении давленияв 2 раза скорость прямой реакции уменьшитсяв 16 раз, а обратной – в 4 раза.

Задача 2
Во сколько раз изменится скорость реакции:
а) при увеличении температуры на 400С;
б) при уменьшении температуры на 200С, если температурный коэффициент реакции
· = 2?
Решение
Запишем правило Вант – Гоффа: V2 = V1 13 QUOTE 1415
Найдем отношение 13 QUOTE 1415, 13 QUOTE 1415= 13 QUOTE 1415
а)
·t = + 400 ,
· = 2:
13 QUOTE 1415 = 16
Ответ. При увеличении температуры на 40 С скорость реакции
увеличилась в 16 раз;
б)
·t = 200 ,
· = 2:
13 QUOTE 1415 = 13 QUOTE 1415 = 13 QUOTE 1415 .
Ответ. При уменьшении температуры на 200С скорость реакции
уменьшилась в 4 раза.
При сжатии системы в n раз давление увеличивается в n раз.
При увеличении объема в n раз давление уменьшается в n раз.

Задание 3 к контрольной работе

3.1. Чему равен температурный коэффициент реакции, если при увеличении температуры на 400С, скорость реакции увеличилась в 81 раз?
3.2. При уменьшении температуры на 300С скорость реакции уменьшилась в 64 раза. Чему равен температурный коэффициент реакции?
3.3. При уменьшении температуры на 200C скорость реакции уменьшилась в 9 раз. Чему равен температурный коэффициент реакции?
3.4. При повышении температуры на 200С скорость реакции возросла в 8 раз. Чему равен температурный коэффициент этой реакции?
3.5. При повышении температуры на 300С скорость реакции возросла в 27 раз. Чему равен температурный коэффициент этой реакции?
3.6. Найти изменение скорости реакции при уменьшении температуры на 200С, если температурный коэффициент реакции равен 2.
3.7. Во сколько раз изменится скорость реакции, если изменение температуры составило 400С, а температурный коэффициент реакции равен 3?
3.8. Найти изменение скорости реакции при уменьшении температуры от 80 до 600 С. Температурный коэффициент реакции равен 2.
3.9. Найти изменение скорости реакции при уменьшении температуры от 60 до 300С. Температурный коэффициент реакции равен 4.
3.10. Найти изменение скорости реакции синтеза аммиака при увеличении температуры от 2100 Сдо 2400 С. Температурный коэффициент реакции считать равным 3.
3.11. Как изменится скорость реакции если увеличить температуру с 30 до 700С? Температурный коэффициент реакции равен 2.
3.12. Реакция выражается уравнением
2Cl2 + 2H2 O 4HCl + O2 .
Как изменится скорость обратной реакции при увеличении объемав 4 раза?
3.13. Реакция выражается уравнением
2Cl2 + 2H2 O 4HCl + O2 .
Как изменится скорость прямой реакции при уменьшении объема в 3 раза?
3.14. Как изменится скорость прямой реакции
2SO 3(г) 2SO2 + O2
при сжатии с истемы в 2 раза?
3.15. Изменится ли скорость прямой реакции
FeO(тв) + CO Fe(тв) + CO2
при уменьшении объема в 4 раза?
3.16. Как изменится скорость прямой и обратной реакции
H2 + Cl2 2HCl
при увеличении объема в 3 раза?
3.17. Найти изменение скорости прямой реакции
2SO2 + O2 2SO 3(г)
при уменьшении объема в 3 раза?
3.18. Как изменится скорость прямой реакции
2NO + O2 2 NO2 ,
если увеличить объемв 2 раза?
3.19. Как изменитсяс корость обратной реакции
4НСl + O2 2H2 O + 2Cl 2 ,
если давление увеличить в 3 раза?
3.20. Реакция выражается уравнением
4НСl + O2 2H2 O + 2Cl2 .
Как изменится скорость прямой реакции, если увеличить давлениев 2 раза?
3.21. Реакция идет по уравнению
4NH3 + 5O2 4NO + 6H2 O.
Как изменится скорость обратной реакции, если уменьшить давление в 2 раза?
3.22. Реакция идет по уравнению
4NH3 + 5O2 4NO + 6H2 O.
Как изменится скорость прямой реакции, если увеличить давлениев 2 раза?
3.23. Как изменятся скорости прямой и обратной реакций
N2 + O2 2NO,
протекающих в закрытом сосуде при высокой температуре, если увеличить давлениев 4 раза?
3.24. Во сколько раз увеличится скорость прямой реакции
2SO2 + O2 2SO3 ,
протекающей в закрытом сосуде, если увеличить давление в 4 раза без изменения температуры?
3.25. Как изменятся скорости прямой и обратной реакций
4НСl + O2 2H2 O (г) + 2C2l
при увеличении давленияв 3 раза?

Тема 4. ХИМИЧЕСКОЕ РАВНОВЕСИЕ
Вопросы для самопроверки
1. Дайте вывод выражения для константы химического равновесия на основе закона действия масс. В качестве примера используйте гомогенный N2 +3Н2 = 2NH3 и гетерогенный процессы C + СO2 = 2СО.
2. Каков физический смысл константы равновесия? Какие факторы влияют на величину константы равновесия?
3. Что такое обратимый процесс и необратимый процесс с термодинамической и кинетической точек зрения.
4. Что такое смещение равновесия?
5. Какие факторы влияют на положение равновесия?
6. Сформулируйте принцип Ле-Шателье.
7. Как нужно изменить условия (давление, температуру, концентрацию веществ), чтобы увеличить выход аммиака в реакции
3Н2 +N2 2NH3 + 98 кДж/моль?
8. Как связана константа равновесия процесса с изменением изобарно-изотермического потенциала реакции?

Пример 1. Вычислить равновесные концентрации водорода и йода при температуре 600°K в реакции Н2 + I2 = 2HI, если их начальные концентрации составляют 0,03 моль/л, а равновесная концентрация йодистого водорода равна 0,04 моль/л. Найти константу равновесия и величину изобарно-изотермического потенциала реакции при этой температуре.
Решение. На образование двух молей HI в соответствии с уравнением реакции Н2 + I2 = 2HI идет один моль Н2 и один моль I2, поэтому для образования 0,04 моля HI требуется 0,02 моля Н2 и 0,02 моля I2, отсюда их равновесные концентрации составляют 0,03-0,02 = 0,01 моля. Подставим в выражение для расчета Кр численные данные:
13 EMBED Equation.DSMT4 1415
Далее рассчитываем изменение изобарно-изотермического потенциала этого процесса, связь величины AG и К:
13 EMBED Equation.DSMT4 1415
13 EMBED Equation.3 1415
13 EMBED Equation.3 1415
Ответ: С(Н2) = С(I2) =0,01 моль/л;
Кр = 16;
·G=- 13,830 кДж/моль.
Пример 2. Найти константу равновесия при температуре 25°C реакции: С2Н2(газ) + 2Н2(газ) = С2Н6 (газ), если
·Н°= -324,2 кДж/моль и
·S0 = - 10,22 Дж/кмоль.
Решение. Связь между Кр в стандартных условиях и стандартным изобарно-изотермическим потенциалом реакции выражается уравнением: 13 EMBED Equation.DSMT4 1415.
13 EMBED Equation.DSMT4 1415 (1) (1)
Стандартный изобарный потенциал связан со стандартными значениями энтальпии и энтропии реакции соотношением:
13 EMBED Equation.DSMT4 1415 (2) (2)
Подставим численные данные в уравнение (2), переведя
·Н0 в джоули.

·G°= 324200 - 298(-10,22) = -327245 Дж/моль.
Далее по уравнению (1) рассчитываем lgK в к Дж/моль.
13 EMBED Equation.DSMT4 1415
Используя таблицу антилогарифмов, находим значение констант равновесия; Кр=1,139.
Ответ: Кр=1,139

Задание 4 для контрольной работы
4.1- 4.5 Какова связь между константой равновесия и изобарным потенциалом реакции? Найти Кр реакций при стандартной температуре (298°K) по данным таблицы
Номер
задачи
Реакция

·Н°298 реакции кДж/моль

·S°298 реакции КДж/моль

4.1
4.2
4.3
4.4
4.5
N2+3H22NH3
2NO2N2O4
H2CO3 p-pH+р-р+НСО3 р-р
2Н2+O22Н2O (г)
S+O2SO2
-92,45
58,07
7,46
483,04
-292,9
-198,45
-176,14
99,47
-88,76
25,15


4.6- 4.10 Для реакции, соответствующей номеру вашего шифра, выполните следующее задание:
1. Сформулируйте принцип Ле-Шателье. Определите, как влияют изменения давления на положение равновесия реакции. Составьте выражение для константы равновесия (Кр) и вычислите ее значение. Равновесные концентрации реагирующих веществ (С, моль, л) приведены под соответствующими химическими формулами в уравнении реакции.

Номер задачи
С, моль/л
Реакции

4.6
С
3H2 + N2 = 2NH3
3 9 4

4.7
С
H2 + J2 = 2HJ
0,01 0,01 0,14

4.8
С
CO2 + H2 = CO + H2O
0,04 0,64 0,16 0,16

4.9
С
2SO2 + O2 = 2SO3
0,1 0,05 0,9

4.10
С
2NO2 = 2NO + O2
0,06 0,24 0,12


4.11 – 4.25 Найти
·G0 , Кр и Кс приведенной реакции при указанной температуре К. Кр сравните с экспериментальным значением.
Номер задачи
Реакция
T, K
lg Kp эксперимент

4.11
2CO + O2 = 2CO2
1000
20,461

4.12
CO + H2 O = CO2 + H2
1000
0,143

4.13
CO2 + 3H2 = CH3OH + H2O
900
-7,251

4.14
3CO + 2H2O = CH3 OH + H2O
800
-4,972

4.15
H2 + CO = HCOOH
1000
-5,683

4.16
2NO2 = 2NO + O2
1000
1,690

4.17
2HJ = H2 + J2
1000
1,454

4.18
CO + H2O = CO2 + H2
1200
-0,149


4.19
2CO2 = 2CO + O2
1400
-1,994


4.20
CH4 + CO2 = 2CO + 2H2
763
-2,67

4.21
3H2 + N2 = 2NH3
800
- 2,536

4.22
C2H6 = C2 H4 + H2
900
-1,295

4.23
4HCl + O2 = 2H2 O + Cl2
923
- 0,365

4.24
2SO2 = 2O2 + S2
800
- 19,80

4.25
2CO2 = 2CO + O2
2000
- 5,764



Тема 5. Растворы неэлектролитов

Основные вопросы по теме
1.ЗаконРауля.
2.Повышение температуры кипения и понижение температуры
замерзания растворов.
3. Эбулио и криоскопия.
4. Определение молекулярной массы растворенного вещества.
5. Осмос. Осмотическоедавление.

Вопросы для самоконтроля
1.Почему давлениен асыщенного пара растворителя над раствором
всегда меньше, чем над чистым растворителем?
2. Что такое «идеальный раствор»?
3. Сформулируйте и запишите математическое выражение закона
Рауля.
4. В чем причина положительных и отрицательных отклонений от
закона Рауля?
5. Дайте определение бесконечно разбавленным растворам.
6. Опишите способы определения молекулярной массы растворенного
вещества.

Концентрация растворов
Концентрация – одна из важнейших характеристик растворов.
Концентрация показывает, в каком соотношении (массовом или объемном) взяты растворитель и растворенное вещество. Существует несколько способов выражения концентрации растворов. При описании какого-либо свойствараствора используют ту концентрацию, которая дает наиболее простую зависимость между свойством раствора и концентрацией. При решении задач по физической и коллоидной химии часто приходится
переходить от одного способа выражения концентрации к другому.
Определения
Процентная концентрация (массовая концентрация, весовая %) выражается числом граммов растворенного вещества в 100 г раствора (размерность г / 100 г раствора).
Молярная концентрация (молярность) выражается числом молей
(грамм-молекул) растворенного вещества в 1 л раствора (размерность
моль/л).
Нормальная концентрация (нормальность) выражается числом моль- эквивалентов (грамм-эквивалентов) растворенного веществав 1 л раствора (размерность моль-эквивалент/л).
Моляльная концентрация (моляльность) выражается числом молей
(грамм – молей) растворённого веществав 1000 г растворителя (размерность моль / 1000 г растворителя).
Молярная (мольная) доля или молярный процент показывает, какую часть от общего числа молей раствора составляет растворенное вещество (или растворитель).
Если обозначить число молей растворителя через nР , а число молей растворенного вещества nВ , то молярная доля растворенного вещества равна
NB = 13 QUOTE 1415,
а молярная доля растворителя
NP = 13 QUOTE 1415,
Сумма NP + NB = 1.
Молярная доля, увеличеннаяв 100 раз, называется молярным процентом.
Таблица 4
Формулы перехода от одних выражений концентраций растворов к другим
Концетрация
A
N
M
L

Процентная (г/100 г раствора, вес %, масс %)
A =


А











Нормальная N =


Н





Молярная
М =



М


Моляльная
Cm=





L


Принятые обозначения:

· – плотность раствора, г/см3;
М – масса моля растворенного вещества, г;
Э – масса моля- эквивалента растворенного вещества, г.
При решении задач полезно использовать следующие определения:
1. Моль – величина, выраженная в граммах и численно равная атомной (для простых веществ) или молекулярной массе.
2. Моль- эквивалент кислоты = Масса моля кислоты / Число атомов водорода.
3.Моль-эквивалент основания = Масса моля основания/Число гидроксильных групп.
4. Моль-эквивалент соли = Масса моля соли / n · Z,
где n – число ионов металла; Z – заряд иона металла.
Объем 1 моля газа при н.у. ( 1,013·105 Н/м., 760 мм рт. ст., 1 атм., 00С,
273 К) равен 22,4 л = 2,24 · 10-2 м3.

Примеры решения задач

Пример 1
В 100 см3 воды растворили 25 г серной кислоты. Выразить концентрацию полученного раствора:
1) в процентах:
А = 13 QUOTE 1415 13 QUOTE 1415 = 20%
2) молярная концентрация. Необходимо дополнительно знать плотность
раствора. Из Справочника находим
· = 1,14г/см3:
а) по формуле из табл. 4:
M = 13 QUOTE 1415 =13 QUOTE 1415 = 2,33 моль/л
Мв (H2SO4 ) = 2 · 1 + 1 · 32 + 4 · 16 = 98 г;
б) находим массу 1 л раствора:
m =
· · V = 1,14 · 1000 = 1140 г.
В (100+25) г раствора содержится 25 г кислоты, а в 1140 г – х:
13 QUOTE 1415 X =13 QUOTE 1415 13 QUOTE 1415
Найдем число молей кислоты в 1 л раствора:
N = 13 QUOTE 1415 = 2,33 моль.
Следовательно, молярность равна 2,33 моль/л;
3) нормальность:
а) из таблицы:
Н = 13 QUOTE 1415 Э = 13 QUOTE 1415 = 49 г.
Н13 QUOTE 1415 4,66 моль-эквивалент /л;
б) находим массу 1 л раствора:
m = 1,14 · 1000 = 1140 г.
В системе СИ m = 1,14
·103 13 QUOTE 1415
·1
·10-3 м3 = 1,14 кг = 1140 г

Находим массу кислоты в 1140 г раствора
13 QUOTE 1415 =13 QUOTE 1415 X13 QUOTE 1415 =228 г.
Находим количество моль-эквивалентов:
13 QUOTE 1415 = 4,66.
Следовательно, нормальность раствора равна 4,66 моль-эквивалент/л;
4) моляльность:
а) из таблицы:
Cm =13 QUOTE 1415 =13 QUOTE 1415 = 2,5613 QUOTE 1415
б) 25 г кислоты растворено в 100 г Н2О (
· = 1г/ см3) :
х растворено в 1000 г Н2О
13 QUOTE 1415 = 13 QUOTE 1415; х = 13 QUOTE 1415 = 250 г.
Считаем количество молей:
N = 13 QUOTE 1415 = 2,56 моль.
Следовательно, моляльность = 2,56 моль/1000 г Н2О.
Пример 2
Вычислить молярность 48%-ного раствора серной кислоты. Плотность данного раствора равна 1,38 г/см3.
Из таблицы: М = 13 QUOTE 1415 = 13 QUOTE 1415 = 6,76 моль/ литр
Пример 3
Имеется 6,037н раствор соляной кислоты. Плотность раствора –
1,10 г/см3. Выразить концентрацию данного раствора в %.
Из таблицы:
А = 13 QUOTE 1415 = 13 QUOTE 1415 = 20,04% (г/100 г раствора);
ЭHCl = МHCl / 1 = 1 + 35,5 = 36,5 г.

Пример 4
Вычислить моляльность 10 н раствора серной кислоты. Плотность
раствораравна 1,29 г/см3.
Из таблицы:
Cm = 13 QUOTE 1415 = 13 QUOTE 1415 = 13 QUOTE 1415 = 6,25 13 QUOTE 1415 ;
Э = 49 г (см. пример1), М (Н2SO4 ) = 98 г (см. пример 1).
Равновесие «жидкость – пар»
Наиболее простая зависимость выражается законом Рауля-Генри:
парциальное давление насыщенного пара любого компонента раствора
пропорционально его мольной (молярной) доле:
pi = pi(13 QUOTE 1415Ni
Если раствор состоит из двух компонентов и один из них нелетуч (например, растворенное вещество), то давление пара над раствором будет
меньше, чем над чистым растворителем (р0):
Измерение температур кипения и замерзания растворов
Температура кипения раствора связана с концентрацией растворенного вещества соотношением:
Т кип. раствора - Т кип. растворителя = Е Э · Cm13 QUOTE 13 QUOTE 1415 1415
где Е – эбуллиоскопическая постоянная; зависит от природы растворителя и равна изменению температуры кипения 1 моляльного раствора по сравнению с чистым растворителем;
CL – моляльная концентрация (моляльность).
Температура замерзания раствора связана с концентрацией растворённого вещества соотношением:
Т зам. растворителя - Т зам.раствора = Kкр · Сm
где Kкр – криоскопическая постоянная; зависит от природы растворителя и равна изменению температуры замерзания 1 моляльного раствора по сравнению с температурой замерзания чистого растворителя;
Сm – моляльная концентрация (моляльность).
Осмотическое давление (
·) раствора
Связано с концентрацией растворенного вещества соотношением,
аналогичным уравнению Менделеева-Клапейрона для идеального газа:
13 QUOTE 1415,
где СM – молярная концентрация;
R – универсальная газовая постоянная; Т – температура, К.
Поскольку изменение температуры кипения и замерзания растворов
независит от природы растворенного вещества, а только ОТК онцентрации,
то молекулярную массу растворенного вещества можно найти по уравнению:
М = 13 QUOTE 1415 ;
где М – масса моля растворенного вещества;
Е – соответственноЕЭ или Ккр;
m2 – массарастворенноговещества, г;
m1 – массарастворителя, г;

·Т – изменение температуры кипения или замерзания раствора по сравнению с чистым растворителем.

Примеры решения задач

Пример 1
Найти температуру кипения 10%-ного раствора глицерина в воде,
если ЕЭ = 0,52.
Решение
Т кип. раствора
· Т кип/. = ЕЭ
·СL
Пересчитываем концентрацию:

Сm = 13 QUOTE 1415 = 13 QUOTE 1415 = 1,21 13 QUOTE 1415:
М глиц (С3Н5(ОН)3 = 3 · 12 + 5 · 1 + 3 (16 + 1) = 92 г;
Т кип. раствора = Т кип H2O + ЕЭ
·СL
0
Ткип. рствора= 373+ 0,52· 1,21= 373,62 К или 100,62 0С.

Пример 2
Найти температуру замерзания 5%-ного раствора глюкозы в воде,
если Ккр = 1,86.
Тзам.воды - Тзам.раствора = Kкр · Сm;
Т зам.раствора = Тзам13 QUOTE 1415 Kкр · Сm;
Пересчитаем концентрацию:
Сm = 13 QUOTE 1415 = 13 QUOTE 1415 = 0,2913 QUOTE 1415 :

М глюкозы = (С6(Н2О)6) = 6 · 12 + 6 (2 + 16) = 180 г;
ТЗам.раствора = 273 - 1,86 · 0,29 = 273 - 0,54 = 272,46Кили-0,540С.

Пример 3
При растворении 3,24 г серыв 40 г бензола температура замерзания
последнего понизилась на 1,73 0 С. Из скольких атомов состоят молекулы
серы в растворе (Ккр= 5,5)?
Решение М = 13 QUOTE 1415;

М = 13 QUOTE 1415 = 257,5;
n = 13 QUOTE 1415 = 13 QUOTE 1415
· 8
Ответ. Молекула серы в бензоле состоитиз 8 атомов.

Пример 4
Определить молекулярную массу растворенного вещества, если раствор, содержащий 48 г растворённого вещества в литре, при 200C обладает осмотическим давлением 3,1 бар?
Решение

· = 13 QUOTE 1415 RT, тогда М = 13 QUOTE 1415 RT ;
m = 48 г = 4,8 · 10-2 кг, R = 8,31 · 103 Дж/кмоль·град;
Т= 293К.
· = 3,1 бар = 3,1 · 1,013 · 105 Н/м2;
М = 13 QUOTE 1415 = 13 QUOTE 1415 = 3722
·10-4
· 0,372 кг = 372 г
Ответ. Молекулярная масса растворенного вещества равна 372 а.е.м.

Задание 5 к контрольной работе

5.1. Не вычисляя величин осмотического давления, ответить: какой раствор обладает большим осмотическим давлением – содержащим в литре 5 г нафталина С10 Н8 или 5 г антраценаС14 Н10 ?
5.2. Осмотическое давление раствора, содержащегов 1 литре 3,1 г анилина (С6 H5NH2) при 210 С равно 0,81 бар. Определить молекулярную
массу анилина.
5.3. Сколько граммов этанола С2Н5ОН нужно растворитьв 150 см3 воды, чтобы осмотическое давление этого раствора при 200С было равно 2 бар?
5.4. Определить молекулярную массу растворенного вещества, если раствор, содержащий 24 г растворенного веществав 1 литре, при 170 С
обладает осмотическим давлением, равным 9,64 бар?
5.5. Сколько молей неэлектролита должен содержать 1 литр раствора,
чтобы осмотическое давление при 00С равнялось 3 бар?
5.6. Из скольких атомов состоит молекула йода в спирте С2Н5ОН, если температура кипения этилового спирта 78,30C, повышается до 78,590С при растворении йода массой 6,35 г в спирте массой 100 г?
5.7. При растворении 30 г хлороформа СНСl3 в 800 г диэтилового эфира С4Н10О, температура кипения последнего повысилась на 0,6350 С.
Вычислить значение молекулярной массы хлороформа (ЕЭ = 2,02).
5.8. Сколько сахара С12 (Н2О)11 надо растворить в 200 г воды, чтобы понизить температуру замерзания на 20 С (Ккр = 1,86).
5.9.Температура замерзания чистого бензола С6H6 5,50 С, а раствора содержащего 0,4482 г камфары в 61,1 г бензола 5,2540С. Определить молекулярную массу камфары в бензоле (Ккр = 5,1).
5.10. В каком весовом отношении надо смешать воду и глицерин
С3Н5(ОН)3 , чтобы получить смесь, замерзающую при - 100С?
5.11.Какой из растворов будет замерзать при более низкой температуре, 0%-ный раствор глицерина С3Н8О3 или 10%-ный раствор глюкозы С6Н12О6? Дать мотивированный ответ, не производя вычислений.
5.12. Сколько глицеринаС3Н8О3 нужно добавить к 1000 г воды, чтобы раствор не замерзал до-100 С (Ккр = 1,86)?
5.13. Какова концентрация водного раствора глюкозыС6Н12О6, если он
замерзает при – 2 0С (Ккр = 1,86)?
5.14. Имеются 10%-ные водные растворы мочевины, глицерина и фруктозы. В какой последовательности будут закипать эти растворы при
постепенном нагревании их. Дать обоснованный ответ, не производя
вычислений (мочевина – СN2Н4О, глицерин – С3Н8О3, фруктоза – С6Н12О6).
5.15. Сколько граммов глюкозыС6(Н2О)6 нужно добавить к 150 г воды,
чтобы раствор закипел при 1020С (Е Э = 0,52).
5.16. При растворении 12,96 г серы в 160 г бензола С6Н6 температура кипения последнего повысилась на 0,81 0С. Из скольких атомов состоит
молекула серы в растворе (ЕЭ= 2,57)?
5.17. При какой температуре будет кипеть 30%-ный раствор сахара
С12 (Н2О)11 в воде (ЕЭ = 0,52)?
5.18. Определить концентрацию сахара С12(Н2О)11 в растворе, если раствор закипает при 103 0С (Еэ = 0,52).
5.19. Вычислить давление пара 10%-ного раствора анилина С6Н5NH2 в эфире (С2Н5)2О при 200 С. Давление пара чистого эфира равно 5,89·104 Н/м2.
5.20. В 100 г раствора нафталинаС10Н8 в бензоле С6Н6 содержится 30 г нафталина. Вычислить давление пара данного раствора при 400С.
Давление пара бензола равно 2,4·104 Н/м2.
5.21. Сколько граммов глицерина С3Н8О3 надо растворить в 80 г воды при 25 0С, чтобы понизить давление пара на 2,6·102 Н/м2?
5.22. Вычислить давление пара 2%-ного раствора хлористого натрия при 100 0С. Степень диссоциации соли в растворе принять равной единице.
5.23. В 300 г водного раствора содержится 68,4 г сахара С12 Н22 О11 . Вычислить давление пара этого раствора при 30 0С, если давление паров
воды 4,2·104 Н/м2.
5.24. Вычислить давление пара раствора 12,8 г нафталина С10Н8 в 180 г бензолаС6H6 при 200С. Давление паров бензола равно 9,95·104 Н/м2.
5.25. Вычислить давление пара 10%-ного раствора глюкозыС6Н12 О6 при 250С. Давление паров воды при данной температуре равно 3,1·103 Н/м2.



Тема 6. Растворы электролитов

Вопросы для самоконтроля
1. Что называется ионным произведением воды? В каких пределах изменяется концентрация водородных и гидроксильных ионов в разбавленных водных растворах? Определите концентрацию ионов гидроксила, если концентрация ионов водорода равна 1,27·10-5 моль/л.
2. Изменится ли ионное произведение воды при повышении температуры? при приливании к раствору щелочи? кислоты?
3. Изменится ли и как рН раствора при повышении температуры? при приливании к раствору щелочи или кислоты?
4. Сравните величины степени диссоциации и константы диссоциации слабого электролита. Какая более полно оценивает его способность к диссоциации?
5. Как находят степень и константу диссоциации криоскопическим методом?
6. Концентрация водородных ионов в водном растворе равна 5,3Ч10-5 г-ион/л. Вычислите величину рН, концентрацию гидроксильных ионов и определите реакцию среды.
7. Используя понятие об активности, найти рН в 0,1 н растворе соляной кислоты; коэффициент активности равен 0,796.
8. Дайте определение кислот и оснований на основе теории электролитической диссоциации и на основе протилитической теории. Укажите на основе этих теорий кислоты и основания в процессах:
CH3COOH + Н2O = H3O++ СН3СОО-
NH3 + Н2O = NH4++ОН-

Пример 1. Вычислить ионную силу 0,4 М раствора сульфата натрия Na2SO4.
Решение. 13 EMBED Equation.DSMT4 1415
Произведение концентрации ионов водорода и гидроксила в любом растворе при данной температуре (22°C) остается постоянным и равным 10-14 г-ион/л. Это произведение называется ионным произведением воды:
13 EMBED Equation.DSMT4 1415
В нейтральной среде 13 EMBED Equation.DSMT4 1415.
В кислой среде 13 EMBED Equation.DSMT4 1415.
В щелочной среде 13 EMBED Equation.DSMT4 1415.
Для количественной характеристики среды обычно приводят не концентрацию водородных ионов, а применяют условный показатель, обозначенный через рН и называемый водородным показателем. Он представляет собой отрицательный десятичный логарифм концентрации (или активности) водородных ионов: 13 EMBED Equation.DSMT4 1415 или 13 EMBED Equation.DSMT4 1415.
Тогда рН различных растворов будет иметь следующие значения: кислый - рН < 7; щелочной - рН > 7; нейтральный - рН=7.
Пример 2. [ОН-] =10-5 г-ион/л. Вычислить [Н+], рН и рОН.
Решение. [Н+]·[ОН] = 10-14, отсюда 13 EMBED Equation.DSMT4 1415
13 EMBED Equation.DSMT4 1415 (рН > 7 - среда щелочная)
13 EMBED Equation.DSMT4 1415
Ответ: [Н] = 10-5 г-ион/л; рН =9; рОН=5.

Пример 3. Вычислить рН 0,05 н раствора сильной одноосновной кислоты.
Решение. Так как кислота диссоциирована полностью и её концентрация невелика, поэтому в этом растворе активная концентрация будет равна имеющейся концентрации. Отсюда [H+] = 0,05 моль/л, тогда
рН =lg[H+] = -lg 0,05 = - lg 5·10-2 =-(lg 5+lg 10-2) = -0,70+2 = 1,3
Ответ: рН = 1,3
Пример 4. Вычислить рН буферного раствора, состоящего из 10 мл 0,1 М раствора CH3COONa. Константа электролитической диссоциации уксусной кислоты равна 1,85·10-5.
Решение. рН буферной смеси, состоящей из слабой кислоты и ее щелочной соли, рассчитываем по формуле: 13 EMBED Equation.DSMT4 1415,
тогда рН = -lg l,85·10-5 + lg (90·0,1) - lg (10·0,1) = - (lg 1,85 + lg 10-5) +lg 9 - lg 1 = - 0,27 + 5 + 0,95 - 0 = 5,68
Ответ: рН (буферной смеси) = 5,68 (слабо кислая среда).

Задание 6 для контрольной работы
6.1. Вычислить осмотическое давление 0,1 М раствора хлорида калия при 20°C, изотонический коэффициент которого равен 1,92.
6.2. Определить осмотическое давление 0,01 М раствора бинарного электролита при 20°C, степень электролитической диссоциации которого равна 32%.
6.3. При какой температуре будет замерзать 1%-й водный раствор хлористого натрия, изотонический коэффициент которого равен 1,93?
6.4. Определить степень электролитической диссоциации 0,1 М раствора уксусной кислоты при 18°C, понижение температуры замерзания которого 0,189°C.
6.5. Что называют ионным произведением воды? В каких пределах измеряют концентрацию водородных и гидроксильных ионов в разбавленных водных растворах?
6.6. Концентрация водородных ионов в водном растворе равна 5,3·10-3 г-ион/л. Вычислить величину рН, концентрацию гидроксильных ионов и определить реакцию среды.
6.7. Что такое рН? Определить величину рН 0,1 н раствора соляной кислоты.
6.8. В каких пределах изменяется величина рН в разбавленных водных растворах? Привести значение рН в нейтральной, кислой и щелочной средах.
6.9. Концентрация водородных ионов в растворе равна 2,4·10-5 г-ион/л. Вычислить величину рН, концентрацию гидроксильных ионов и определить реакцию среды.
6.10. Величина рН водного раствора равна 4,75. Определить концентрацию водородных и гидроксильных ионов и реакцию среды.
6.11. Какие растворы называют буферными? В чем сущность буферного действия?
6.12. Что называется буферной емкостью? От чего зависит буферная емкость?
6.13. Вычислить рН буферного раствора, состоящего из равных объемов СН3СООН и CH3COONa одинаковой концентрации. Константа электролитической диссоциации уксусной кислоты при 25°C равна 7,6·10-5.
6.14. В каком соотношении надо взять растворы СН3СООН и CH3COONa одинаковой концентрации, чтобы получить буферный раствор с величиной рН, равной 4,75? Константа электролитической диссоциации уксусной кислоты при 25°C равна 1,85·10-5.
6.15. Вычислить рН ацетатной буферной смеси, состоящей из 2 и 1 н СН3СООН и 8 мл 1 н CH3COONa. Константа электролитической диссоциации уксусной кислоты при 25°C равна 1,85·10-5.
6.16. Вычислить рН фосфатной смеси, состоящей из 6 мл КН2РО4 (в качестве кислоты) и 4 мл К2НРO4 (в качестве соли) одинаковой концентрации. Константа электролитической диссоциации Н2РO4- при 25°C равна 1,54·10-7.
6.17. Определить концентрации ионов гидроксила в растворе вещества, если при 35°C рКв = 13,72, а рН = 7,34.
6.18. Во сколько раз концентрация водородных ионов в растворе с рН = 7,36 больше, чем в растворе, имеющем рН = 7,53?
6.19. Чему равна буферная емкость буферного раствора, если на титрование 5 мл его пошло 4 мл 0,1 н HCl? Сдвиг рН = 3.
6.20. К 100 мл буферного раствора для изменения рН от 7,36 до 7,0 надо добавить 3,6 мл 0,5 н соляной кислоты. Вычислить буферную емкость по кислоте.
6.21– 6.25. Сделайте расчеты величин рН по данным в таблице концентрациям или величин концентраций вещества по данным в таблице величинам рН. Расчеты сделайте для всех столбцов таблицы, относящихся к вашему варианту. Коэффициент активности в растворах сильных электролитов = 1.
№ задачи
Вещество
С,
СH+
Сон-
pH
pOH

6.21
НС1
NaOH
10-2


10,5


6.22
HN03 NH4OH
10-4

10-3



6.23
СНзСООН КОН
5
·10-2
10-9




6.24
СНзСООН NaOH
9,5
·1O-2


12


6.25
HN02 KOH
1,5
·10-3
10-5





Тема 7. ЭЛЕКТРОХИМИЯ

Основные вопросы по теме
Возникновение электродного потенциала на границе металл-
электролит.
2. Уравнение Нернста.
3. Стандартный электродный потенциал.
4. Электроды первого и второго рода.
5. Уравнение Нернста для этих электродов.
6. Водородный электрод.
7. Гальванические цепи.
8. ЭДС гальванического элемента.

Вопросы для cамоконтроля
Как возникает и от чего зависит электродный потенциал на границе
металл – раствор?
2. Какие виды электродов вам известны?
3. Что такое «электроды сравнения»?
4. Как выглядит уравнение Нернста применительно к каждому виду
электродов?
5. Что такое ЭДС?
6. Как экспериментально определяют ЭДС?
7. Чем отличается гальванический элемент от аккумулятора?
8. Где используются гальванические элементы и аккумуляторы?

Электродный потенциал металла, погруженного в раствор его соли,
вычисляется по уравнению Нернста:

если раствор разбавлен, то
13 QUOTE 1415
·С Ме+
Для 25 0С принимает вид
13 QUOTE 1415
где n – число электронов в элементарной реакции (например, Zn0 - 2
·Zn2+ n=2);
e0 – стандартный электродный потенциал, определяемый при условии
aМе+ = 1, Т = 298К, р= 1,013·105 Н/м2 (1 атм) (см. табл. 6);
С Me+ – концентрация, 13 QUOTE 1415.
ЭДС – разность равновесных электродных потенциалов
Е = e1 – e2 (в).
При вычислении ЭДС из большего потенциала вычитается меньший, так как по определению ЭДС – величина положительная.
На электроде с большим потенциалом идет процесс восстановления:
Ме+n + n ·
·Ме0.
На электроде с меньшим потенциалом идет процесс окисления:
Ме0 – n ·
·Ме+n .

Примеры решения задач

Пример 1
Вычислить электродвижущую силу гальванического элемента, составленного из Ag/Ag+ (CM = 0,01 моль/л) и Cd/Cd2+ (СM = 0,05 моль/л).
Напишите протекающую реакцию. Стандартные потенциалы взять из таблицы.
Решение
13 QUOTE 1415= +0,799 + 0,058
·l g 0,01 = 0,799 + 0,058
·(
·2) = 0,683(в) ,
CAg + = CM = 0,0113 QUOTE 1415 .
13 QUOTE 1415=
· 0,402 + 0,029
· lg 0,1
· 0,402 + 0,029
·(
·1) =
· 0,431(в),

CCd2+ = 2
· CM = 0,113 QUOTE 1415 (см. тему 5).
Вычисляем ЭДС:

E = 13 QUOTE 1415
· 13 QUOTE 1415 = 0,683 ( - 0,431) = 1,114 в.
На серебряном электроде идет процесс восстановления:
Ag+ +
·= Ag0
На кадмиевом электроде идет процесс окисления:
Cd0 – 2
·= Cd2+.
Суммируем оба процесса с учетом коэффициентов:
2Ag+ + 2
·+ Cd0 – 2
· = 2Ag0 + Cd+2 ;
окончательно
2Ag+ + Cd0 = 2Ag0 + Cd+2 .


Задание 7 к контрольной работе

Вычислить электродвижущую силу окислительно-восстановительного элемента, составленного из двух полуэлементов А и В. Напишите протекающую в нем реакцию. Стандартные потенциалы взять из табл. 6.

№ п/п
Полуэлемент А
Концентрация С моль/л
Полуэлемент В
Концентрация С моль/л

7.1
Ag/AgNO3
0,10
Zn/ZnSO4
0,20

7.2
Ag/AgNO3
0,20
Zn/ZnSO4
0,30

7.3
Ag/AgNO3
0,30
Zn/ZnCl2
0,10

7.4
Ag/AgNO3
0,50
Zn/Zn(NO3)2
0,20

7.5
Cd/Cd(NO3)2
0,20
Zn/Zn(NO3)2
0,30

7.6
Cd/Cd(NO3 )2
0,70
Zn/Zn(NO3)2
0,10

7.7
Cd/Cd(NO 3)2
0,80
Zn/ZnSO4
0,50

7.8
Cd/Cd SO4
0,05
Ni/NiSO4
0,70

7.9
Cd/Cd SO4
0,20
Ni/NiSO4
0,30

7.10
Cd/Cd SO4
0,02
Ni/NiSO4
0,05

7.11
Cu/CuSO4
0,50
Cd/Cd (NO )3
0,05

7.12
Cu/CuSO4
0/01
Cd/Cd (NO )3
0,20

7.13
Cu/CuCl2
2,00
Cd/Cd SO4
0,30

7.14
Cu/CuCl2
0,20
Pb/Pb (NO3)2
0,03

7.15
Cu/CuCl2
0,06
Pb/Pb (NO3)2
0,20

7.16
Cu/CuCl2
0,02
Pb/Pb (NO3)2
0,30

7.17
Fe/FeSO4
0,2
Ni/NiSO4
0,02

7.18
Fe/FeSO4
0,02
Cu/CuSO4
0,3

7.19
Ni/NiSO4
0,10
Co/Co (NO )3
0,05

7.20
Ni/NiSO4
0,20
Cu/Cu (NO )3
0,01

7.21
Zn/ZnSO4
0,01
Ag/AgNO3
0,01

7.22
Zn/ZnSO4
0,02
Ag/AgNO3
0,02

7.23
Zn/ZnCl2
0,05
Ag/AgNO3
0,30

7.24
Zn/ZnCl2
0,01
Ni/NiSO4
0,50

7.25
Zn/ZnCl2
0/03
Ni/Ni (NO )3
0,10






Таблица 6
Стандартные электродные потенциалы при 250С
Электрод
Электродный процесс
Стандартный потенциал (в)

Ag/Ag
Ag+ +
·13 QUOTE 1415 Ag0
+ 0,799

Cd/Cd2+
Cd2+ + 2
· Cd0
- 0,402

Co/Co2+
Co2+ + 2
· Co0
- 0,270

Cu/Cu2+
Cu2+ + 2
· Cu0
+ 0,340

Ni/Ni2+
Ni2+ + 2
· Ni0
- 0,240

Pb/Pb2+
Pb2+ + 2
· Pb0
- 0,126

Zn/Zn2+
Zn2+ + 2
· Zn0
- 0,760



Приемы нашей кулинарной техники, имеющей место
на кухне, являются ни чем иным как практическим
применением коллоидной химии.
Бехгольд

КОЛЛОИДНАЯ ХИМИЯ

Предмет коллоидной химии. Понятие о дисперсных системах и их классификация. Особенности коллоидных систем, методы их получения и очистки. Высокомолекулярные соединения (ВМС), сходство и различия растворов ВМС и дисперсных систем.
Коллоидная химия - это физикохимия гетерогенных систем, содержащих чаще всего 2 фазы. Одна фаза представляет собой высокодисперсные мельчайшие частицы вещества (агрегат из обычных молекул), или макромолекулы ВМС, и называется дисперсной фазой. Другая фаза, в которой распределены агрегаты дисперсных частиц или молекул, называется дисперсионной средой. Условием образования таких коллоидных систем (коллоидного состояния вещества) является нерастворимость одной фазы в другой.
Дисперсная фаза, состоящая из множества мельчайших частиц, имеет очень большую удельную поверхность раздела с дисперсионной средой.
Особые свойства поверхности раздела обусловливают специфические особенности дисперсных систем, что и является причиной выделения данной области знания в отдельную науку - коллоидную химию.
Основные отличительные особенности коллоидных систем от истинных растворов следующие:
способность к рассеиванию света;
медленная диффузия частиц дисперсной фазы в дисперсионной среде;
способность к диализу;
4) агрегативная неустойчивость дисперсной фазы, проявленная в виде выделения частиц из дисперсионной среды при добавлении к системе электролитов или под влиянием других внешних воздействий.
Гетерогенные высокодисперсные (ультрамикрогетерогенные) коллоидные системы характеризуются размерами частиц дисперсной фазы в интервале 10-5 - 10-7 см. Ниже этого интервала происходит переход от агрегатов к отдельным молекулам, т.е. к истинным растворам. При диаметре частиц более 10-5 см грубодисперсные системы называются микрогетерогенными. Это порошки, суспензии, эмульсии, пены и др. Микрогетерогенные системы в соответствии с проявляемыми ими свойствами также относятся к коллоидным, хотя подвижность таких крупных частиц в дисперсионной среде резко снижена.
Отметим, что для названия систем, степень дисперсности частиц у которых лежит в ультрамикрогетерогенной коллоидной области, используется общий термин - золь.
Если в жидкости распределена твердая фаза, то система (Т/Ж) называется суспензией или коллоидным раствором (в зависимости от интервала размера частиц). Если фаза и среда - жидкости, то система (Ж/Ж) называется эмульсией, а в случае газообразной дисперсионной среды система (Ж/Г, Т/Г) носит название аэрозоль.
Системы, в которых энергетическое взаимодействие между дисперсной фазой и дисперсионной проявляется слабо (например, частицы металлов или галогенидов серебра в воде), называются лиофобными (или в водной среде - гидрофобными, т.е. не любящими воду).
Если же в дисперсной системе интенсивность молекулярных взаимодействий на границе раздела фаз является сильно выраженной (например, в растворах ВМС, белков), то такие системы называются лиофильными (или в водной дисперсионной среде - гидрофильными, т.е. любящими воду). Коллоидными свойствами могут обладать системы как с неорганогенными, так и с органогенными фазовыми компонентами.

Тема 8. ПОВЕРХНОСТНЫЕ ЯВЛЕНИЯ В ДИСПЕРСНЫХ СИСТЕМАХ
Вопросы для самопроверки
Понятие об адсорбции. Природа адсорбционных сил.
Связь между адсорбцией и поверхностной энергией. Уравнение Гиббса (вывод уравнения).
Поверхостно-активные вещества и их слои на поверхности полярных (воды) и неполярных (бензола) жидкостей.
4. Изотерма адсорбции Фрейндлиха и Лэнгмюра (вывод уравнения).
5.Ионообменная адсорбция.
6. Роль обменной адсорбции в жизни растений и почвы.
7. Молекулярная адсорбция из растворов. Причины различной адсорбционной способности молекул.
8. Ионная и ионообменная адсорбция. Причины различной адсорбционной способности ионов.
9. Хроматографический анализ, разработанный Цветом. Принцип метода.
10. Различные виды хроматографического анализа. Методика их проведения.

Задание 8 к контрольной работе

8.1. Что называется адсорбцией? Чем она обусловлена и какими уравнениями описывается?
8.2. В чем состоят особенности строения молекул ПАВ и ПИВ и их адсорбция?
8.3. Чем отличается физическая адсорбция от хемосорбции?
8.4. Перечислите особенности ионной адсорбции. Как она зависит от размеров и зарядов ионов?
8.5. Какие методы получения дисперсных систем вы знаете?
10.6. Какие оптические методы используют для определения размеров частиц дисперсной фазы?
8.7. Какие явления называются электрокинетическими? Перечислите их, пояснив сущность протекающих процессов.
8.8. Изобразить процесс деминерализации воды с помощью ионитов.
8.9. Вычислить по уравнению Лэнгмюра
· при 292°K для следующих концентраций растворов изоамилового спирта (моль/л): 0,1; 0,2; 0,3; 0,4; 0,5.
·max = 8,7·10-9 моль/см2, К = 42.
8.10. Описать адсорбцию на жидкой поверхности и привести соответствующее уравнение.
8.11. Написать уравнение изотермы адсорбции Лэнгмюра и Фрейдлиха. Объяснить значение входящих в них величин. Дать графическое изображение зависимости адсорбции от концентрации при постоянной температуре.
8.12. В чем сущность обменной адсорбции? Что такое катиониты и аниониты? Написать уравнение ионного обмена с использованием катионитов и анионитов.
8.13. Дать определение поверхностной энергии и поверхностного натяжения.
8.14. Описать адсорбцию на жидкой поверхности и привести соответствующее уравнение.
8.15. Какие вещества называют поверхностно-активными и поверхностно-неактивными? Привести примеры.
8.16. В чем заключается правило Дюкло-Траубе? Проиллюстрировать его примерами.
8.17. Применение суспензий в пищевой промышленности.
10.18. Какие системы называются эмульсиями? Как они классифицируются и где применяются?
8.19. Какие вы знаете факторы устойчивости пены? Как можно предотвратить образование пены в технологическом процессе?
8.20. Какими методами можно разрушать аэрозоли?
8.21. Что такое «порошок»? Как получают и как классифицируют?
8.22. Какую адсорбцию называют специфической (избирательной)? В чем заключается правило Панета-Фаянса? Привести примеры лиотропных рядов ионов.
8.23. В чем сущность хроматографии? Каково ее практическое значение?
8.24. Чем отличается эластичный студень от хрупкого геля? Что такое
«тиксотропия»?
8.25. Почему гидрофобные вещества (уголь, графит) лучше адсорбируют поверхностно-активные вещества из водных растворов, а гидрофильные (фолинагель) - из углеводородных?

Тема 9. ДИСПЕРСНЫЕ СИСТЕМЫ


Примеры решения задач

Пример 1
Коллоидный раствор получен в результате реакции обмена при
смешении равных объемов растворов:
а) 0,001 н Pb(NO3)2 и 0,0005 н HJ;
б) 0,01 н Pb(NO3)2 и 0,02 н HJ.
Определить, какой из двух электролитов (K2SO4 или CaCl2) будет иметь меньший порог коагуляции.
Решение:
1. Пишем уравнение реакции:
Pb(NO3)2 +2HJ = PbJ2 +2HNO3 .
При заданных концентрациях будет избыток Pb(NO )3 . В результате реакции в растворе останутся следующие ионы: Pb2+, H+ , NO3-.
Твердые частицы PbJ2 будут составлять ядро мицеллы золя. Поскольку неизвестно, сколько молекул PbJ2 составят ядро, то ставят
коэффициент m. Таким образом, ядро – m PbJ2 .
В соответствии с правилом избирательной адсорбции ионов Пескова-Фаянса на поверхности ядра будут адсорбироваться ионы Pb2+. Сколько – неизвестно, поэтому ставят коэффициент n.
Поэтому адсорбционный слой состоит из n Pb+2 . В результате адсорбции ядро приобретает положительный заряд (равный +2n). За счет
электрического взаимодействияк положительно заряженному ядру будут
притягиваться отрицательно заряженныеионы, т.е. NO3
·; образуется слой
противоионов. Известно (см. учебник), что полной компенсации заряда ядра в слое противоионов не происходит. Поэтому ставят коэффициент 2(n-x).
Впереди коэффициент 2, так как для нейтрализации одного иона Pb2+ необходимо два иона NO3
·.
Слой противоионов 2 (n-x) NO3
·.
Сумма зарядов адсорбционного слоя и слоя противоионов будет составлять заряд гранулы:
(+2)· n + (-1) · (2) · (n - x) = +2n - 2n + 2x = +2x.
Окончательная нейтрализация заряда адсорбционного слоя ионов
происходит в диффузионном слое ионов. Поскольку заряд гранулы +2х, то
для нейтрализации понадобится 2·х отрицательно заряженных ионов NO3
·.
В итоге диффузионный слой 2x NO3-. Составляем формулу мицеллы золя:
13 QUOTE 1415+2x
· 2x NO3

ядро аддсоб. слой слой протовоионов диф. слой

13 QUOTE 1415+2 - гранула

ядро аддсоб. слой слой протовоионов

В соответствии с правилом Шульце-Гарди:
1) коагулирующий ион должен иметь заряд, противоположный заряду гранулы;
2) чем выше заряд иона, тем выше его коагулирующая способность.
Коагулировать этот золь будут отрицательно заряженные ионы.
Выше заряд у ионов SO2
·. Поэтому меньший порог коагуляции будет иметь K2SO4 .
2. В результате реакции при заданных концентрациях, в растворе
останутся ионы: H+, J-, NO3- .
Ядро – mPbJ2 .
В соответствии с правилом Пескова-Фаянса будут адсорбироваться ионы J-.
Адсорбционный слой - n J- .
Слой противоионов (n -x)H+.
Заряд гранулы (-1) · n + (+1)(n - x) = -x.
Диффузионный слой х · Н+.
Составим схему строения мицеллы золя:
{ mPbJ2 nJ- (n
·x)H+}-2 xH+
В соответствии с правилом Шульце – Гарди этот золь будут коагулировать положительно заряженныеионы. Выше заряд у иона Са2+. Поэтому меньше порог коагуляции будет иметь СаСl2.

Задание 9 к контрольным работам
Коллоидный раствор получен в результате реакции обмена при
смешении равных объемов растворов А и В разных концентраций. Напишите и объясните формулу мицеллы золя и схему ее строения. Определите,
какой из двух электролитов будет иметь меньший порог коагуляции.
№ п/п
Раствор А
Раствор В
Электролиты

9.1
0,003 н AgNO3
0,002 н HJ
AlCl3, K3PO4

9.2
0,01 н AgNO3
0,002 н HJ
MgCl2, K2SO4

9.3
0,003н AgNO3
0,01 н H2S
Ca(NO3)2, Na2SO4

9.4
0,005 н AgNO3
0,001 н KJ
Ba(NO3)2 , K2SO4

9.5
0,008 н AgNO3
0,004 н HBr
Na2SO4, AlCl3

9.6
0,004 н AgNO3
0,008 н HBr
Ba(NO3)2, K2SO4

9.7
0,0007 н AgNO3
0,0001 н KBr
Ca(NO3)2, K2SO4

9.8
0,0001 н AgNO3
0,0008 н KJ
AlCl3, K2SO4

9.9
0,001 н AuOH
0,003 н HBr
MgCl2, K2SO4

9.10
0,09 н Ba(OH)2
0,05 н H2SO4
K2SO4, BaCl2

9.11
0,002 н H2S
0,0001 н Bi(OH)3
Ba(NO3)2, K2SO4

9.12
0,001 н H3PO4
0,002 н Bi(OH)3
K2SO4, BaCl2

9.13
0,005 н H2SO4
0,003 н Ba(OH)2
AlCl3, KCl

9.14
0,005 н H3AsO3
0,003 н H2S
BaCl2, K2SO4

9.15
0,003 н H3AsO3
0,005 н H2S
BaCl2, K2SO4

9.16
0,005 н Fe(NO3)2
0,008 н KOH
MgCl2, K2SO4

9.17
0,002 н Pb(NO3)2
0,001н H2S
MgCl2, CuCl2

9.18
0,005 н CdCl2
0,001н H2S
AlCl3, K3PO4

9.19
0,01 н Cd(NO3)2
0,03 н H2S
Al(NO3)3, Na2SO4

9.20
0,003 н FeCl3
0,001 н NaOH
Al(NO3)3, NiSO4

9.21
0,005 н Fe(NO3)2
0,008 н KOH
MgCl2, K2SO4

922
0,002 н Pb(NO3)2
0,001 н H2S
MgCl2, CuCl2

9.23
0,001н Pb(NO3)2
0,0005 н H2S
Cu(NO3)2, Na2SO4

9.24
0,002 н Pb(NO3)2
0,001 н KJ
MgCl2, Na2SO4

9.25
0,001 н Pb(NO3)2
0,003 н KJ
BaCl2, Na2SO4


ТЕМА 10 МИКРОГЕТЕРОГЕННЫЕ СИСТЕМЫ. ВЫСОКОМОЛЕКУЛЯРНЫЕ СОЕДИНЕНИЯ

Основные вопросы по теме
1.Эмульсии и пены; получение и разрушение.
2. Набухание и виды набухания. Степень набухания.
3. Гели (студни).
4. Влияние концентрации, температуры и посторонних электролитов
на застудневание.
5. Синерезис и тиксотропия.
6. Аэрозоли; получение и разрушение.
7. Применение аэрозолей.

Вопросы для самоконтроля
1.Что такое «эмульсии» и «пены»?
2. Как получают и разрушают эмульсии и пены?
3. Что такое «полимер»?
4. Какие виды полимеров вам известны?
5. Каковы виды растворов ВМС (высокомолекулярных соединений)?
6. В чем принципиальное отличие коллоидного раствора от раствора
ВМС?
7. Что такое «набухание»?
8. Что такое «гель», «студень»?
9. Что такое «синерезис»?
10.Что такое «тиксотропия»?

Набухание и растворение высокомолекулярных веществ
Растворению высокополимера предшествует его набухание. Набухание заключается в следующем: прежде чем перейти в раствор, полимер поглощает значительное количество низкомолекулярной жидкости – растворителя, увеличиваясь в объеме и весе.
Молекулы растворителя проникают в погруженный полимер. Это
возможно потому, что цепочечные молекулы полимеров гибкие: их звенья, изгибаясь, создают неплотную упаковку макромолекул. Молекулы растворителя проникают в полимер, заполняют свободное пространство
между макромолекулами полимера. Когда макромолекулы набухшего полимера достаточно отодвинуты друг от друга, они начинают отрываться и
переходить в раствор.
Набухание не всегда заканчивается растворением.
Неограниченное набухание – это набухание, заканчивающееся растворением.
В этом случае связь между макромолекулами полимера слабая, межмолекулярная. Она примерно в 100 раз более слабая, чем химическая.
Энергии теплового движения молекул растворителя достаточно, чтобы отделить друг от друга молекулы полимера.
Ограниченное набухание – это набухание, которое не переходит в
растворение. Такие полимеры называют «сшитыми» (например, резина; в
ней макромолекулы каучука соединены между собой через молекулы серы). Химическая связь гораздо прочнее межмолекулярной и энергии теплового движения недостаточно для отделения макромолекул друг от друга.
Также ограниченно набухают полимеры, имеющие в своем составе
большое количество полярных группировок. Между макромолекулами образуется большое количество достаточно прочных водородных связей (водородная связь по прочности занимает промежуточное положение между
химической и межмолекулярной связью). К таким природным полимерам
относятся белки.
Ограниченно набухают полимеры, имеющие химические связи –
«мостики», между макромолекулами.
Если обозначить массу полимера до набухания m0, а массу полимера после набухания m, то отношение
·=13 QUOTE 1415 можно назвать степенью набухания.
Выраженная таким образом степень набухания численно равна количеству жидкости, поглощенной одним килограммом полимера. Можно
также выразить степень набухания в процентах:

·=13 QUOTE 1415 13 QUOTE 1415
Примеры решения задач

Пример 1
Определить степень набухания, если масса сухой древесины 20, а
набухшей – 35 кг.
Степень набухания определяется по формуле

·=13 QUOTE 1415 13 QUOTE 1415
где m0 – масса сухого полимера;
m – масса набухшего полимера.
Решение
m0 = 20 кг, m = 35 кг,
· = 13 QUOTE 1415
·100% = 75% .
Пример 2
Определить, сколько растворителя поглотит 5 кг каучука при степени набухания 250%.


Решение. Количество поглощенного растворителя равно m - m0

·=13 QUOTE 1415 13 QUOTE 1415
решаем относительно m – m0:
m –m0 = 13 QUOTE 1415 = 13 QUOTE 1415 = 12,5 кг

Задание 10 к контрольной1 работе

Определить, сколько растворителя поглотит указанное количество
высокомолекулярного соединения при заданной степени набухания.
№ п/п
Высокомолекулярное вещество
Растворитель
Степеньнабухания
·, %

10.1
0,1 кг желатина
Вода
120

10.2
0,4 кг полистирола
Бензол
30

10.3
0,2 кг резины
Бензол
150

10.4
0,5 кг метилметакрилата
Хлороформ
50

10.5
0,3 кг каучука
Бензол
180

10.6
1,2 кг пшеницы
Вода
180

10.7
1,1 кг лапши
Вода
170

10.8
1,0 кг чечевицы
Вода
90

10.9
0,9 кг фасоли
Вода
140

10.10
0,8 кг сои
Вода
130

10.11
0,7 кг бобов
Вода
210

10.12
0,6 кг гороха
Вода
110


Вычислить степень набухания, если известна масса сухого полимера m0 и набухшего m.
№ п/п
m0, кг
m, кг
Высокомолекулярноевещество

10.13
0,65
1,80
Каучук

10.14
0,05
0,12
Каучук

10.15
0,60
1,70
Резина

10.16
0,10
0,30
Резина

10.17
0,20
0,35
Полистирол

10-.18
0,25
0,40
Полиметилакрилат

10.19
0,30
0,50
Горох

10.20
0,15
0,45
Желатин

10.21
0,45
0,95
Бобы

10.22
0,35
0,80
Фасоль

10.23
0,55
1,30
Лапша

10.24
0,50
1,20
Желатин

10.25
0,40
0,80
Соя


ПРИЛОЖЕНИЕ
Международная система единиц (СИ) (в сокращении)
Величина
Единица измерения
Сокращенное обозначение
Переводной коэффициент

Длина
Метр
м
1 см = 10-2 м

Площадь
Квадратный метр
м2
1 см2 = 10-4 м2

Объем
Кубический метр
м3
1 л = 10-3м3

Время
Секунда
сек
-

Скорость
Метр в секунду

113 QUOTE 1415

Масса
Килограмм
кг
1 г = 10-3 кг

Химическая масса
Киломоль
Килограмм-эквивалент
кмоль
кг-экв
1 моль = 10-3 кмоль
1 кг-экв = 10-3 г-экв

Плотность
Килограмм на куб. метр

113 QUOTE 1415

Работа, энергия
Джоуль
дж
1л атм = 1,013·103 дж
1 эрг = 10-7 дж
1кгм = 9,81дж



Давление

Ньютон на кв. метр

13 QUOTE 1415 = Па
1 кГ = 9,8 н
1атм = 1,013
·10513 QUOTE 1415=1013гПа
1мм.рт.ст.= 1,333
·102 13 QUOTE 1415
1ат = 9,8
·104 13 QUOTE 1415

Сила
Ньютон
н
1 дина = 10-3 н

Теплота, внутренняя энергия
Джоуль
дж
1 кал = 4,19 дж
1ккал = 4,19·103дж

Молярная теплота (сгорания, образования)
Джоуль на киломоль

113 QUOTE 1415 = 4,19 103 13 QUOTE 1415
113 QUOTE 1415 = 4,19 (10613 QUOTE 1415


Молярная теплоемкость
Джоуль на киломоль -градус


113 QUOTE 1415 = 4,19(10313 QUOTE 1415

Электрическое напряжение
Вольт
в


Электрическое сопротивление
Ом
ом


Количество элекричества
Кулон
к


Удельная электропроводность
Ом-1м-1

113 QUOTE 1415 = 10213 QUOTE 1415


Эквивалентная электропроводность
Сименс на метр



Подвижность ионов




Молярность


113 QUOTE 1415 = 13 QUOTE 1415

Нормальность


113 QUOTE 1415 = 13 QUOTE 1415

Разбавление




Поверхностное
натяжение
Ньютон на метр
13 QUOTE 1415 = 13 QUOTE 1415
113 QUOTE 1415 =13 QUOTE 1415 = 10-3 13 QUOTE 1415

Вязкость


1 пуаз = 0,1 13 QUOTE 1415


Некоторые физические постоянные

Величина
Сокращенное обозначение единицы измерения
Переводной коэффициент

Универсальная газовая постоянная

0,08213 QUOTE 1415
1,9813 QUOTE 1415
8,3
·10713 QUOTE 1415 8,3
·10313 QUOTE 1415
8,313 QUOTE 1415

ЧислоАвогадро

6,02·1023 моль-1 = 6,02·1026кмоль-1

ЧислоФарадея

9,65
·104 13 QUOTE 1415 = 9,65
·10713 QUOTE 1415

Объем одного кмоль идеального газа

22,313 QUOTE 1415 = 22,413 QUOTE 1415



Библиографический список

( Основная литература

Хмельницкий Р.А. Физическая и коллоидная химия.- М.: Высш. шк., 1988.
Болдырев А.И. Физическая и коллоидная химия. - М.: Высш. шк., 1983.
Кругляков П.М. Физическая и коллоидная химия: учеб пособие / П.М.Кругляков, Т.Н.Носкова: 2-е изд., испр. М., 2007
Сумм Б.Д. Основы коллоидной химии: учеб пособие / Б.Д.Сумм: 2-е изд., стер. М., 2007

( Дополнительная литература
Галинкер И.С. и др. Физическая и коллоидная химия. - М.: Высш. шк., 1972.
Денисов В.В. и др. Химия. - М.: ИКЦ «Март» Ростов н/Д:, 2003.
Ершов Ю.А. Общая химия. - М.: Высш. шк., 2000.
Практикум по физической и коллоидной химии /М.С.Чемерис.-Новосибирск, 1999.



















Примерные затраты учебного времени при самостоятельной работе по темам и на выполнение контрольной работы в часах:

Введение 1


Часть 1. Физическая химия

Агрегативные состояния вещества 2
Химическая термодинамика и термохимия 6
Химическая кинетика и катализ 5
Химическое равновесие 4
Растворы неэлектролитов 3
Растворы электролитов 6
Электропроводность растворов 6
Электрохимия 7
Поверхностные явления 5

Часть 2. Коллоидная химия

Коллоидные системы и их получение 3
Молекулярно-кинетические свойства коллоидных систем. Очистка коллоидов 2
Оптические свойства коллоидных систем 2
Электрические свойства коллоидных систем 3
Устойчивость и коагуляция коллоидных систем 4
Микрогетерогенные системы. Полуколлоиды. 2
Растворы высокомолекулярных соединений 4
Гели и студни 3





















Чемерис Марина Сергеевна



ФИЗИЧЕСКАЯ И КОЛЛОИДНАЯ ХИМИЯ

Методическое пособие и задания для контрольных работ




Редактор Н.К. Крупина
Компьютерная верстка М.С. Чемерис











Root EntryEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation Native

Приложенные файлы

  • doc 4464332
    Размер файла: 3 MB Загрузок: 0

Добавить комментарий