Министерство образования Иркутской области

Областное государственное образовательное учреждение

начального профессионального образования

Профессиональный лицей № 25 г. Саянска

ФИЗИЧЕСКАЯ ХИМИЯ

Учебное пособие для самостоятельной работы студентов

г. Саянск

2008 г.

Химическая технология органических веществ и высокомолекулярных соединений.

Учебное пособие для самостоятельной работы студентов.

Саянск: Проф. лицей № 25 (ОГОУ НПО ПЛ № 25).-2008-48с.

Учебное пособие содержит теоретическую часть, примеры расчтов, вопросы и задачи по молекулярно-кинетической теории, основам химической термодинамики, химической кинетики, химическому равновесию, растворам, электрохимии, и предназначено для студентов 3,4 курсов по специальности «Химическая технология органических веществ и высокомолекулярных соединений».

Рецензент: канд.хим.наук Чиркина Е.А.

Составитель: преподаватель спец.дисциплин Шубина А.А.

Учебное пособие рассмотрено и утверждено на заседании методической комиссии ©Профессиональный лицей № 25, ©«Химическая технология органических веществ и высокомолекулярных соединений».

Содержание Введение……………………………………………………………………..…………….… 1. Молекулярно-кинетическая теория ……………………………………………………… 1.1. Газовые законы ………………………………………………………….……… 1.2. Смеси газов. Парциальное давление ………………………………………….. 2. Основы химической термодинамики …………………………………………………..… 2.1. Закон Гесса ….…………………………………………………………………… 3. Химическая кинетика ……………………………………………………………………… 3.1. Скорость химической реакции…………………………………………………… 3.2.Смещение равновесий и расчт состава равновесных систем при изменении внешних условий……………………………………………………………………………… 4. Химическое равновесие…………………………………………………………………… 4.1. Свободная энергия Гиббса……………………………………………………..… 4.2. Химическое равновесие………………………………………………………..… 4.3. Константа равновесия……………………………………………………………. 5. Растворы……………………………………………………………………………………… 5.1.Осмотическое давление разбавленных растворов неэлектролитов…………… 5.2.Давление пара растворителя над разбавленными растворами неэлектролитов. 5.3.Температура кипения и кристаллизации разбавленных растворов неэлектролитов………………………………………………………………….. 5.4.Свойства разбавленных растворов электролитов……………………………… 6. Электрохимия ………………………………………………………………………………. 6.1.Гальванические элементы ……………………………………………………….. 6.2.Электролиз. Законы Фарадея ………………………………………………….… Список литературы…………………………………………………………………………… Приложения …………………………………………………………………………………… Введение Настоящее пособие предназначено для студентов 3, 4 курсов по специальности 240 401 «Химическая технология органических веществ, и составлено в соответствии государственным образовательным стандартом и программой по «Физической и коллоидной химии».

Необходимость создания данного методического пособия возникла в связи с сложившимися проблемами для студентов в поиске научной и учебной литературы.

При разработке пособия использована современная научная литература. Задача пособия – оказать помощь студентов в подготовке к экзамену по «Физической и коллоидной химии», а также при подготовке дипломного проектирования. (В приложении даны примерные экзаменационные вопросы.) Как работать с методическим пособием?

Пособие содержит разделы: молекулярно-кинетическая теория, основы химической термодинамики, химическая кинетика, химическое равновесие, растворы, электрохимия, Приступая к очередному разделу, целесообразно внимательно ознакомиться с теоретическим обоснованием, рассмотреть примеры, данные в теории, ответить на вопросы для самопроверки и только после этого приступить к решению задач приведнных в конце раздела.

Каждый раздел включает несколько тем. Темы в методическом пособии совпадают с названиями тем курса «Физической и коллоидной химии».

В задачах не приводятся табличные данные, они помещены в приложении.

1. Молекулярно-кинетическая теория 1.1. Газовые законы Закон Бойля-Мариотта. При постоянной температуре для банной массы газа произведение давления газа на его объм V есть величина постоянная:

Закон Гей-Люссака. При постоянном давлении объм газа данной массы прямо пропорционален его абсолютной температуре:

Закон Шарля. При постоянном объме давление газа данной массы прямо пропорционально его абсолютной температуре:

Соотношение всех трх параметров – давления, объма и температуры – для данной массы газа выражается уравнением Клапейрона Этим выражением пользуются в основном для приведения объмов газов от одних условий к другим.

В вышеприведнных соотношениях объем, и давление можно выражать в различных единицах. Так, объм может выражаться в кубических метрах (м3), литрах (л), миллилитрах (мл). 1 физическая атмосфера (атм), или 760мм рт.ст., соответствует 101325 или 1, паскаль (Па); 1мм рт.ст. соответствует 133,322 Па. Для расчетов, на требующих большой точности, достаточно пользоваться величиной 101,3 кПа.

Пример. Объм газа при 230С и давлении 103,3 кПа равен 250л. Найти объм газа при:

а) нормальных условиях; б)стандартных условиях.

Решение. Обозначим t1 =230С, Т1=296К; 1=103,3 кПа, V1=250л.

а) Нормальные условия: tн =00С, Тн=273К; н=101,3 кПа.

По уравнению Клапейрона, б) Стандартные условия: t0 =250С, Т0=298 К; 0=101,3 кПа.

По уравнению Клапейрона, Задачу можно решать, не пользуясь уравнением Клапейрона. Представим себе, что идт повышение температуры от Т1 = 296 К доТ0 = 298 К, а затем понижение давления от 1= 103,3 кПа до 0 = 101,3 кПа. Первое изменение приведт к увеличению объма газа в соответствии с законом Гей-Люссака во столько раз, во сколько 298 К больше 296 К, т.е. в 298/296 раз. Второе изменение приведт к увеличению объма газа в соответствии с законом Бойля-Мариотта во столько раз, во сколько 103,3 кПа больше 101,3 кПа, т.е. в 103,3/101, раза. Искомый объм газа

ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ

Назовите переходы из одного агрегатного состояния в другое.

Опишите явления, сопровождающие эти переходы.

Схематично на графике представьте изменение температуры во времени при нагревании некоторого количества вещества в области температур, где имеется плавление и кипение вещества.

Что такое плазма? Каковы особенности ее физических свойств?

Что такое уравнение состояния? Каким уравнением описывается состояние Какие физические законы объединены в уравнении Менделеева–Клапейрона?

Чем отличаются реальные газы от идеальных газов? Какими уравнениями состояния описываются реальные газы?

Какой физический смысл имеет газовая постоянная? Каковы ее возможные В чем сущность молекулярно-кинетической теории газов?

Что такое средняя квадратичная скорость движения молекул? Как она связана с Как различается средняя скорость движения молекул различных газов при повышении молекулярной массы, если эти газы находятся при одной температуре?

Что такое длина свободного пробега молекулы? Какое она имеет значение для расчета скоростей химических реакций?

Поясните смысл таких характеристик жидкости как поверхностное натяжение, вязкость, давление насыщенного пара. От каких собственных характеристик Как измеряют поверхностное натяжение и вязкость?

Перечислите известные вам типы кристаллических решеток.

ЗАДАЧИ

1) 100 мл газа, измеренных при нормальных условиях, приведите к стандартным условиям.

2) 100 л газа, измеренных при стандартных условиях, приведите к нормальным условиям.

3) Даны 480 л газа при 170С и 104 кПа. Приведите объм газа к нормальным условиям:

00С и 101,3 кПа.

4) Даны 600 м3 газа при 70С и 100 кПа. Вычислите объм газа при-130С и 80 кПа.

5) Приведите к 00С и 101,3 кПа следующие объмы газов, измеренные при указанных условиях: а) 375 мл при -230С и 97,3 кПа; б) 900 л при 370С и 104 кПа; в)320 м3 при -30С и 103, 3 кПа; г) 1080 л при 1270С и 10,13 к Па.

6) 1 м3 газа находится при -230С. При какой температуре объм газа станет равным 10л, если давление останется неизменным?

7) Даны 40 мл газа при 70С и 96 кПа. При каком давлении объм газа достигнет 60 мл, если температура возросла до 170С?

8) В закрытом баллоне находится газ при температуре -30С под некоторым давлением.

До какой температуры должен быть нагрет газ, чтобы давление внутри баллона возросло на 20%?

9) Даны 0,5м3 газа при 370С и 405,2 кПа. При каком давлении объм газа при 00С станет равным 1м3?

1.2. Смеси газов. Парциальные давления Газы часто представляют собой смеси индивидуальных газообразных веществ. Так, воздух является смесью азота, кислорода, аргона, углекислого газа и др. То давление, которое производит одна из составных частей газовой смеси, называют парциальным давлением данной составной частью. Общее давление смеси газов, не вступающих друг с другом в химическое взаимодействие, равно сумме парциальных е составных частей:

Где p – общее давление газовой смеси, а p1, p2,…, pn – парциальные давления составных частей.

Пример 1. В сухом воздухе содержится 78,00 об.% азота, 20,95 об.% кислорода, 0, об.% аргона, 0,03 об.% углекислого газа. Рассчитайте парциальные давления газов, если общее давление равно 101,3 кПа.

Решение. Парциальные давления пропорциональны объемным процентам.

Парциальное давление азота составит 0,7809 101,3 = 79,1 кПа.; парциальное давление кислорода– 0,2095 101,3 = 21,2 кПа; аргона – 0,94 кПа; углекислого газа – 30,4 кПа.

Состав газовой смеси может быть выражен различно, а именно:

а) Числом молей или миллимолей всей газовой смеси или е составной части, содержащимся в единице объма газовой смеси (в 1м3, в 1л или в 1мл);

б) В процентах по объму – число процентов по объму показывает число объмов составной части, содержащееся в 100 объмах смеси;

в) В процентах по массе – число процентов по массе показывает число единиц массы составной части, содержащееся в 100 единицах массы газовой смеси;

г) Массой составной части, содержащейся в единице объма газовой смеси (в 1 м3, в 1 л или в 1 мл).

Пример 2. Смешаны при 250С 5 л метана, 10 л водорода и 25 л кислорода. Выразите концентрации составных частей газовой смеси в различных единицах, приняв общее давление смеси 101, 3 кПа.

Решение 1.В молях на литр миллимолях на литр. Общий объм газовой смеси составляет 40л. 1л газовой смеси содержит 5:40 = 0,125л метана. 1 моль газа при 250С занимает объм 24,5л; следовательно, концентрация метана сСН4 в моль/л составит Концентрации водорода с Н 2 и кислорода сО2 вычисляют аналогично:

Решение 2.В процентах по объму. Смесь содержит Решение 3. В граммах на литр. Молярные массы СН4, Н2 и О2 соответственно равны 16,04; 2,016 и 32г/моль. 1 л газовой смеси содержит метана л, моль / л 16, 40 24, 40 24, Решение 4. В процентах по массе. Общая масса газовой смеси m составляет Следовательно, в процентах по массе смесь содержит Весьма важным в практике является случай, когда тот или иной газ собран над запирающей его жидкостью, имеющей давления пара, которым нельзя пренебречь. В этом случае получается смесь и паров запирающей жидкости. Следует иметь в виду, что парциальное давление собственного газа представляет собой разность общего давления газовой смеси и парциального давления пара запирающей жидкости. Так, если газ собран над водой при 270С и 102 кПа, а давление пара при 270С составляет 3,6 кПа, то парциальное давление газа равно 102 – 3,6=98,4 кПа. Этой величиной и пользуются при расчтах для приведения газа к нормальным условиям.

ЗАДАЧИ

1) Смешаны 10л СО2 и 15л СО. Выразите состав газовой смеси в процентах по объму.

2) Смешаны 4г СН4 и 24г О2. Выразите состав газовой смеси в процентах по объму.

3) Смешаны при нормальных условиях 56л СН4 и 112л О2. Выразите состав газовой смеси в процентах по массе.

4) Вычислите парциальные давления азота и кислорода в воздухе, приняв давление воздуха 101,3 кПа (воздух содержит 21% О2 и 78% N2 по объму).

5) Вычислите процентное содержание кислорода и азота в воздухе по массе. Масса 1л воздуха (00С, 101,3 кПа) составляет 1,293г.

6) В закрытом сосуде вместимостью 5,6л находится при 00С смесь, состоящая из 2,2г оксида углерода (IV), 4г кислорода и 1,2г метана. Вычислите: а) общее давление газовой смеси; б) парциальное давление каждого из газов; в) процентный состав смеси по объму.

7) 150мл водорода собранны над водой при 270С и 98,64 кПа. Давление пара воды при 270С составляет 3,56 кПа. Вычислите объм сухого газа при нормальных условиях.

Вычислите массу водорода в миллиграммах.

8) Вычислите массу 70мл кислорода, собранного над водой при 70С и 102,3 кПа.

Давление пара воды при той же температуре равно 1 кПа.

9) Какой объм займут 0,12г кислорода, если собрать газ над водой 14 0С и 102,4 кПа.

Давление пара воды при той же температуре составляет 1,6 кПа.

10) Вычислите массу 76мл азота, собранного над водой при 290С и 104 кПа. Давление пара воды при той же температуре составляет 4 кПа.

11) Сколько молей содержат объмы газов, измеренные при нормальных условиях: а) 56л NH3; б) 2,8л СО2; в) 1,12л Н2; г) 700мл N2?

12) Сколько молей содержат: а) 16л СН4 при 270С и 50,66 кПа; б)1 м3 HCI при 70С и 10, кПа; в)240мл CI2 при -30С и 760 кПа; г) 1л Н2 при -230С и 5,06 кПа?

13) Сколько молей кислорода и азота содержится в 1л воздуха при 220С и 100 кПа?

14) Сколько молей кислорода и азота содержится в аудитории размером 6х8х5м при 220С 15) В баллоне вместимостью 56 л содержится смесь, состоящая из 4 моль СН 4, 3 моль Н2 и 0,5моль СО. Вычислите: а) общее давление смеси газов (в кПа); б) процентный состав е по массе; в) процентный состав по объму; г) парциальное давление каждого газа (в паскалях).

16) В камеру вместимостью 1м3 заключили 15 моль N2, 25 моль СО2 и 10 моль О2.

Вычислите: а) общее давление смеси газов при 270С; б) процентный состав смеси по массе; в) процентный состав смеси по объму; г) парциальное давление каждого из газов при заданной температуре.

17) В каком объме воздуха (00С, 101,3 кПа) содержится 10 молей кислорода?

18) В каком объме воздуха (00С, 101,3 кПа) содержится 1 мг аргона? Воздух содержит 0,93% аргона по объму.

1. А.Г.Стомберг, Д.П.Семченко. Физическая химия. М.: «Высшая школа»- 2003-527с.

2. В.А.Киреев. Курс физической химии. М.: Химия- 1975-776с.

3. А.Б.Лукьянов. Физическая и коллоидная химия. М.:Химия-1980-224с.

4. Р.А.Хмельницкий. Физическая и коллоидная химия. М.: Высшая школа-1988-324с.

5. В.И.Голиков, И.А.Кузнецов. Основы физической химии. Издательство московского университета. 1993-567с.

6. Я.Лабовиц, Ж.Аренс. Задачи по физической химии с решениями. М.: Мир-1972с.

7. В.М.Глазов. Основы физической химии. М.: Высшая школа-1981-456с.

8. З.Е.Гольбрайх, Е.И.Маслов. Сборник задач и упражнений по химии. М.: Высшая школа. 1997-384с.

9. В.П.Васильев. Аналитическая химия сборник вопросов, упражнений и задач. М.:

Дрофа.- 2004-416с.

10. В.Ф.Кирилова, Чиркина Е.А. Физико-хмические методы анализа. Учебное пособие.- Ангарск: АГТА, 2006-74с.

Соотношение между различными единицами энергии Константы диссоциации слабых электролитов при 250С Термодинамические характеристики некоторых веществ (стандартные условия) C6H12O Электрод Электродный процесс 1. Общая характеристика агрегатных состояний.

2. Диаграмма состояния на примере серы.

3. Основные законы идеальных газов.

4. Правило Гиббса. Классификация систем.

5. Уравнение Менделеева-Клапейрона, универсальная газовая постоянная.

6. Виды кристаллических решеток 7. Реальные газы. Причины их отклонений от идеальных газов.

8. Правило Вант-Гоффа.

9. Парциальное давление. Закон Дальтона.

10. Жидкое состояние вещества 11. Вязкость. Текучесть жидкостей.

12. Определение ЭДС.

13. Фазовые равновесия. Основные понятия.

14. Законы Кирхгоффа.

15. Электрохимия. Общая характеристика.

16. Закон Гесса. Следствия из закона.

17. Электродный потенциал. Формула Нернста.

18. Закон сохранения энергии 19. Законы Фарадея. Выход по току.

20. Энтальпия.

21. Коррозия металлов. Методы защиты от коррозии.

22. Плазменное состояние вещества.

23. Тепломкость, е виды, зависимость от различных факторов.

24. Гальванические элементы, их типы.

25. Химическая кинетика. Скорость химических реакций.

26. Закон действия масс, Константа скорости реакции.

27. Характеристика аморфных и кристаллических тел.

28. Химическое равновесие. Константа равновесия.

29. Термохимия. Тепловой эффект реакции, термохимические уравнения.

30. Смещение равновесий. Принцип Ле-Шателье.

31. Термодинамика, основные понятия и определения.

Список литературы рекомендуемой для выполнения работы 1. А.Г.Стомберг, Д.П.Семченко. Физическая химия. М.: «Высшая школа»- 2003-527с.

2. В.А.Киреев. Курс физической химии. М.: Химия- 1975-776с.

3. А.Б.Лукьянов. Физическая и коллоидная химия. М.:Химия-1980-224с.

4. Р.А.Хмельницкий. Физическая и коллоидная химия. М.: Высшая школа-1988-324с.

5. В.И.Голиков, И.А.Кузнецов. Основы физической химии. Издательство московского университета. 1993-567с.

6. Я.Лабовиц, Ж.Аренс. Задачи по физической химии с решениями. М.: Мир-1972-667с.

7. В.М.Глазов. Основы физической химии. М.: Высшая школа-1981-456с.