Лабораторный практикум по физической химии (стр. 15 )

5.2.9

где р - общее давление в системе. Если ввести обозначение

и

то величина ni из уравнения (5.2.2):

ni = ni0 + nic, 5.2.10

Полное количество реагентов в системе можно представить в виде:

5.2.11

Тогда константа равновесия химической реакции может быть выражена через химическую переменную:

5.2.12

Нужно отметить, что при заданных исходных количествах реагентов для реакции можно определить область допустимых значений химической переменной. Действительно. Предельные значения c, ограничивающие эту область, соответствуют случаю протекания реакции до конца, то есть до полного расходования одного из исходных реагентов, что соответствует условию ni=0. Тогда из определения химическая переменная примет значение:

5.2.13

Для исходных веществ (ni < 0) предельное значение c положительно и эквивалентно полному протеканию прямой реакции. Предельное значение химической переменной в этом случае можно найти по недостатку одного из исходных реагентов как минимальное значение среди всех положительных отношений (5.2.13) по формуле:

5.2.14

Для обратной реакции предельное значение химической переменной можно определить из формулы:

5.2.15

Пример

Для реакции А+2В=С, начальные количества молей веществ А и В равны 1 моль, а для вещества С – 0.5 моль. Тогда согласно (5.2.14): cmax (A)= (-1 / -1) =1, cmax (В)=(-1/-2) =1/2. Из этих двух значений выбираем минимальное, т. е. cmax = ½ , аналогично используя (5.2.15) получаем значение для cmin= - 0.5/1 = - ½.

Цель работы: Найти зависимость равновесного значения химической переменной от температуры для реакции, указанной преподавателем (см. приложение 1).

Порядок выполнения работы

1. Определить по формулам (5.2.14) и (5.2.15) значения c min и cmax.

2. Выразить при помощи соотношения (5.2.12) константу равновесия для данной реакции через химическую переменную.

3. Рассчитать значения Kp и lnKp для десяти приблизительно равностоящих значений c из интервала [ c min, c max]. Из расчета исключить граничные значения. Записать в таблицу 1.

4. Определить по формуле (5.2.10) равновесное содержание всех реагентов в системе для тех же значений х, при которых произведен расчет в п.3. записать в таблицу 1.

Таблица 1

c	Kp	lnKp	ni…nm	1/T	T

5. По данным справочника термодинамических величин рассчитать DG0 и lnKp по формулам 5.2.7. и 5.2.8. для температур 300, 700, 1100 и 1500К.

6. Найти интервал температур для рассчитанных в п.3 lnKp для выбранных c в интервале c mах и c min.

7. Рассчитать для этого интервал тамператур по данным справочника DG0 и lnKp (не менее 4 температур). Занести в таблицу 2 и построить график lnKp от 1/Т. Должна получиться линия близкая к прямой.

Таблица2

T,K	DG0… DG0m	DG0=Sni Gi0,	lnKp	1/T

8. Найти при помощи построенного по данным табл.2 графика lnKp = f (1/T), температуру, соответствующую рассчитанным в п.3 значениям lnKp при заданных значениях c. Данные занести в табл.1.

9. Построить график зависимости химической переменной реакции c от температуры Т по данным табл.1.

10. Сделать вывод и записать в тетрадь.

Контрольные вопросы

Перед выполнением работы

1. Из каких термодинамических данных можно рассчитать константу равновесия Kp химической реакции?

2. Определите понятие химической переменной.

3. Какова связь между равновесным значением химической переменной при данном давлении Р и константой равновесия Кр для реакции указанной преподавателем?

4. Что считается стандартным состоянием газа?

К защите работ.

1. Определите условие химического равновесия закрытой системы при постоянстве в ней температуры и давления.

2. Объясните методику расчета области допустимых значений химической переменной для реакции.

3. Поясните, в каких случаях химическая переменная имеет положительные, а в каких – отрицательные значения.

4. Выведите для константы равновесия химической реакции выражение, используя парциальные давления участников реакции.

5. Напишите выражение для константы равновесия химической реакции через химическую переменную.

6. МОЛЕКУЛЯРНАЯ СПЕКТРОСКОПИЯ

Введение

Спектром называется распределение энергии электромагнитного излучения по длинам волн.

Спектры испускания. Если молекулы изучаемого вещества возбуждены от какого-либо источника энергии, то при переходе таких молекул из возбуждённого в невозбуждённое (основное) состояние они излучают электромагнитные волны. Электромагнитное излучение (свет) поступает в спектрометр и с помощью разрешающей системы прибора (призма, дифракционная решетка и др.) происходит разложение излучения в спектр. Спектр регистрируется либо на фотопластинке (в виде линий или полос), либо фотоэлектрически (с помощью фотоэлементов, фотоумножителей и т. д.).

Спектры поглощения. Если излучение какого-либо источника проходит через слой изучаемого вещества, то определённые участки спектра в излучении источника могут взаимодействовать с молекулами вещества. Энергия этих участков спектра будет затрачиваться на перевод молекул из невозбуждённого в возбуждённое состояние, поэтому после прохождения слоя вещества энергия излучения в этих участках спектра уменьшится. После разложения излучения в спектр (в спектрометре) регистрирующая система выделит участки поглощения в виде линий или полос, либо будет записана кривая распределения энергии в электромагнитном излучении.

Энергии в спектроскопии характеризуются частотой – ν [Гц], длиной волны – λ [м] или волновым числом – w [м -1].=1/λ. В ИК спектроскопии волновое число обычно измеряется в см -1. Область электромагнитных излучений с длиной волны от 1000 Å до 2000 Å называется далекой или вакуумной ультрафиолетовой областью,

2000 Å – 4000 Å - ультрафиолетовая область,

4000 Å – 8000 Å - видимая область (воспринимаемая глазом человека),

8000 Å (0,8 мкм) – 500000 Å (50мк) - инфракрасная область,

50 мкм –100 мкм - микроволновая область.

Изучение молекулярных спектров поглощения и испускания представляет собой важнейший метод определения структуры молекул и их энергетических состояний.

Спектры молекул, как и спектры атомов, обусловлены существованием дискретных состояний с различными энергиями. Энергия каждого состояния определяется характером распределения электронов и движением атомных ядер в молекуле. Влияние движения ядер на спектр молекулы позволяет во многих случаях получить величины, описывающие вращательное движение молекул и внутримолекулярные колебания.

Атомные ядра в молекуле заряжены положительно, по закону Кулона они отталкиваются, поэтому удерживающие их силы возникают в результате движения электронов. Как и в случае атомов, движение электронов в молекуле квантовано. Электроны молекул могут находиться лишь в некоторых дискретных состояниях с определёнными значениями энергии. Разности энергий между различными электронными состояниями молекулы имеют тот же порядок величины, как и в случае атомов (до 20 эВ). Вращение молекул и колебания их ядер около положений равновесия проявляется в инфракрасной области спектра. Переходы между различными электронными состояниями проявляются в видимой и ультрафиолетовой области спектра, т. к. интервалы между электронными уровнями энергии гораздо больше, чем между вращательными и колебательными уровнями.

Вращательно-колебательные спектры позволяют определить:

1. Межатомные расстояния в молекуле.

2. Моменты инерции молекулы.

3. Частоты основных колебаний молекулы.

4. Ряд констант, характеризующих вращательное и колебательное движения молекулы.

Спектры, обусловленные электронными переходами, дают возможность рассчитать те же величины, как для основного, так и для возбуждённого электронного состояния. Указанные величины (называемые молекулярными постоянными) используются при детальном изучении кинетики элементарных химических реакций (например, реакций с участием радикалов и атомов), а также при расчётах термодинамических величин методами статистической термодинамики.

За небольшим исключением интерпретация спектров многоатомных молекул (особенно электронных переходов) очень сложна. Наиболее разработана теория, описывающая закономерности, наблюдающиеся в спектрах двухатомных молекул.

КОЛЕБАТЕЛЬНО-ВРАЩАТЕЛЬНЫЕ СПЕКТРЫ ДВУХАТОМНЫХ МОЛЕКУЛ

Одним из важнейших методов нахождения молекулярных постоянных является метод инфракрасной спектроскопии. Наиболее полно разработана теория ИК спектров двухатомных молекул. Поэтому темой данной работы является изучение ИК-спектра двухатомных молекул. В отличие от атомов, в которых возможны лишь энергетические переходы между электронными уровнями, в молекуле имеются три типа энергетических переходов: электронные, колебательные и вращательные, так как молекула может вращаться как целое, а составляющие её атомы совершают колебания относительно положений равновесия. Именно это обстоятельство и обуславливает большую сложность молекулярных спектров по сравнению со спектрами свободных атомов.