Задачи к лабораторному практикуму по физической химии (стр. 1 )

 

 

, ,

,

 

ЗАДАЧИ

К ЛАБОРАТОРНОМУ ПРАКТИКУМУ ПО ФИЗИЧЕСКОЙ ХИМИИ

 

Для студентов 3 курса специальности «ХИМИЯ»

 

 

Москва

Издательство Российского университета дружбы народов

2010

 

Утверждено

РИС Ученого совета

 

, ,

Задачи для лабораторного практикума по физической химии. Для студентов 3 курса специальности «Химия»/

 

Содержаться задачи по темам курса «Физическая химия»

Подготовлены на кафедре физической и коллоидной химии

 

© Издательство Российского университета дружбы народов, 2010 г.

 

Тема 1. Первый закон термодинамики, энтальпия

 

Теплота, работа, внутренняя энергия, энтальпия

 

Задача 1. Определить количество теплоты, необходимое для нагревания 5 г азота от 25°С до 50°С при постоянном объёме.

 

Задача 2. Газ, расширяясь от 0,001 до 0,0016 м3, при постоянном давлении 1,013*105 Па поглощает 126 Дж тепла. Определить работу, изменение внутренней энергии и энтальпии.

 

Задача 3. Определите работу адиабатического обратимого расширения 3 молей аргона от 0,05 до 0,5 м3. Начальная температура аргона 298 К.

 

Задача 4. Рассчитайте изменение внутренней энергии при испарении 20г этилового спирта при нормальной температуре кипения, если его удельная теплота испарения 837,38*103 Дж/кг, а удельный объём пара при этой температуре 607*10-3 м3/кг. Объёмом жидкости пренебречь.

 

Задача 5. Один моль одноатомного идеального газа проведен через обратимый цикл, показанный на рисунке. Заполните пустые места в таблицах, приведенных ниже. (R=0,082 атм/моль град)

 

 

Тепловой эффект химической реакции, теплоты сгорания, теплоты образования. Закон постоянства сумм теплот ( Гесса )

 

Задача 1. Теплоты образования жидкой воды и газообразной двуокиси углерода соответственно равны -285,8 и -393,5 кДж/моль, теплота сгорания метана мри тех же условиях -890,3 кДж/моль. Рассчитать теплоту образования метана из простых веществ при условиях: 1) Р = const, 2) V const, Т = 298 К.

 

Задача 2. Теплота образования этилена С2Н4 (г) равна 52,23 кДж/молъ. Какова теплота сгорания этилена при: 1) Р = const; 2) V = const, если теплоты образования СО2 (г) и Н2О (ж) соответственно равны -393,5 и -285,8 кДж/моль?

 

Задача 3. Вычислить тепловой эффект реакции С2Н4(г) + Н2О(г) = С2Н5ОН(г) если теплоты образования этилена, водяного пара и газообразного этанола соответственно равны: 52,3; -241,8 и -235,3 кДж/моль.

 

Задача 4. На основании следующих данных рассчитать теплоту образования безводного АlСl3 (тв)

2Аl(т)+6НСl(аq) = 2АlСl3(аq)+3Н2(г) ΔН = - 1003,3 кДж (1)

Н2 (г) + Сl2 (г) = 2 НСl ΔН= -184,1 кДж (2)

НСl (г) + аq = НСl (аq) ΔН = -72,45 кДж (3)

АlСl3 (т) + aq = АlСl3 (аq) ΔН = -321,5 кДж (4)

 

Задача 5. Вычислить тепловой эффект химической реакции СО2 (г) + 4Н2 (г) = СН4(г) + + 2Н2О(г) при стандартных условиях по стандартным теплотам образования и теплотам сгорания. Стандартные теплоты взять в справочнике.

 

Задача 6. Вычислить тепловой эффект химической реакции СН4(г)+СО2(г)=2СО(г)+2Н2(г) при стандартных условиях по стандартным теплотам образования.

 

Зависимость теплового эффекта от температуры

 

Задача 1. Для реакций С(граф) + СО2(г) = 2СО(г)

и С(граф) + Н2О(г) = СО(г) + Н2(г)

тепловые эффекты при постоянном давлении и 500К соответственно равны 173,6 и 133,9 кДж. Рассчитать тепловой эффект реакции

СО(г) + Н2О(г) = СО2(г) + Н2(г)

при 1000 К, если мольные теплоемкости равны:

СРСО =28,41 +4,1*10-3 Т - 0,46*105 Т-2 Дж/моль/К

СРН2О = 30,00 + 10,71*10-3 Т - 0,33*105 Т-2 Дж/моль/К

СРСО2 = 44,14 + 9,04*10-3 Т - 8,53*105 Т-2 Дж/моль/К

СРН2 = 27,28+ 3,26*10-3 Т + 0,502*105 Т-2 Дж/молъ/К

 

Задача 2. Вывести зависимость теплового эффекта реакции СН4(г) = С(т) + 2Н2(г) от температуры, а также вычислить тепловой эффект реакции при 1000К, если его значение при стандартных условиях равно 74,85 кДж, а мольные теплоемкости реагентов составляют:

СРС = 11,19 + 10,95*10-3 Т - 4,89*105 Т-2 Дж/моль/К

СРН2 = 27,28 + 3,26*10-3 Т + 0,502*105 Т-2 Дж/моль/К

СРСН4 = 17,45 + 60,46*10-3 Т + 1,12*105 Т-2 Дж/моль/К

 

Задача 3. Вычислить тепловой эффект реакции СО(г) + 2Н2(г) = СН3ОН(ж) при 500 и 1000 К, если при 300 К тепловой эффект реакции равен 90,72 кДж, а значения мольных теплоемкостей следующие:

СРСО = 28,41 + 4,10*10-3 Т - 0,46*105 Т-2 Дж/моль/К

СРН2 = 27,28 + 3,26*10-3 Т + 0,502*105 Т-2 Дж/моль/К

СРСН3ОН(ж) = 81,6 Дж/моль/К

 

Задача 4. Зависимость энтальпии (в кал) двуокиси азота и азотноватого ангидрида (N2О4 ) от температуры выражается следующими уравнениями :

(Нт – Н298)NO2 = 10,62 Т + 1,02*10-3 Т2 + 1,61*105/ Т - 3690

(Нт – Н298)N2O4 = 20,05 Т + 40,75*10-3 Т2 + 3,56*105/ Т - 7594

Найти зависимость теплового эффекта реакции 2NO2 = N2O4 от температуры, если теплоты образования NO2 и N2O4 при 298 К соответственно равны 8030 кал/моль и 3060 кал/моль.

 

Тема 2. Второй закон термодинамики

Энтропия, изменение энтропии в различных процессах

 

Задача 1. Рассчитать мольную энтропию окиси углерода при 200°С и 50,67*105 Н/м2, если энтропия при 25°С и 1,013*105 Н/м2 равна 197,9 Дж/К моль, а зависимость мольной теплоемкости от температуры выражается уравнением

СР = 28,41 +4,10*10-3 Т - 0,46*105 Т-2 Дж/моль/К

 

Задача 2. Найти изменение энтропии при нагревании 1 моль кадмия от 25 до 727°С, если температура плавления 321°С и теплота плавления равна 6109 Дж/моль.

СРтв = 22,22 + 12,3*10-3 Т Дж/моль/К

СРж = 29,83 Дж/моль/К

 

Задача 3. Какому конечному объему отвечает изменение энтропии, равное 19,1 Дж/моль/К, если 1 моль идеального газа, занимающий в данных условиях 0,02 м3, изотермически расширяется.

 

Задача 4. Найти изменение энтропии при изотермическом сжатии 1 моля паров бензола при 80°С от 0,4053*105 до 1,013*105 Па с последующей конденсацией и охлаждением жидкого бензола до 60°С. Нормальная температура кипения бензола 80°С; мольная теплота испарения бензола 30,88 кДж/моль, удельная теплоемкость жидкого бензола 1,799Дж/г/К.

 

Задача 5. Рассчитать изменение энтропии в процессе смешения 5 кг воды при 80°С с 10 кг воды при 20°С. Удельную теплоемкость воды считать постоянной и равной 4,184 Дж/г /К.

 

 

 

Термодинамические потенциалы

 

Задача 1. Вычислить изменение изобарного потенциала для процесса перехода 1 моль жидкого бензола при температуре кипения 80,1°С и давлении Р1 в газообразный при Р2 для трех случаев:

1) Р1 = 1,013*105 н/м2 и Р2 = 9,11*104 н/м2;

2) Р1 = 1,013*105 н/м2 и Р2 = 1,114*105 н/м2;

3) Р1 = 1,013*105 н/м2 и Р2 = 1,013*105 н/м2.

Плотность жидкого бензола 0,8137 г/мл.

 

Задача 2. При 25°С энтропии ромбической и моноклинной серы соответственно равны 31,88 и 32,55 Дж/моль/ К, а теплоты образования равны 0,00 и 0,30 кДж/моль. Рассчитать ΔG и ΔА для процесса Sромб → Sмон при 25°С. Пренебречь приближенно различием плотностей обеих модификаций серы.

Какая из двух модификаций серы является более устойчивой при 25°С? Дайте приближенную оценку температуры перехода, при которой обе модификации серы находятся в равновесии, принимая для ΔС и ΔН значения при 25°С.

 

Задача 3. Энтропия 1 г-атома графита равна 5,74, алмаза 2,38 Дж/К при 25°С. Теплота сгорания алмаза превышает теплоту сгорания графита на 752 Дж. Вычислить изменение изобарного потенциала при изотермном переходе графита в алмаз. Какой вывод можно сделать из найденного результата?

 

Задача 4. Вычислить W, Q, ΔH, ΔU, ΔG, ΔA, ΔS для изотермного сжатия 1 моля идеального газа от Р1 = 5,065*105 до Р2= 1,013*105 н/м2 при 500°С.

 

Задача 5. Теплота плавления льда при 0°С равна 335 Дж/г. Удельная теплоемкость воды равна 4,184 Дж/г/К. Удельная теплоемкость льда равна 2,01 Дж/г/К. Найти ΔH, ΔS, ΔG и приведенную теплоту для процесса превращения 1 моля переохлажденной воды при -5°С в лед.

 

Характеристические функции. Уравнения Гиббса-Гельмгольца

 

Задача 1. Доказать равенства:

 и

Задача 2. Доказать равенства для идеальных газов ( 1 моль )

и