Реферат Курсовая Конспект
ФИЗИЧЕСКАЯ И КОЛЛОИДНАЯ ХИМИЯ - раздел Химия, Министерство Образования И Науки Рф ...
|
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ
ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ
ИРКУТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
ФИЗИЧЕСКАЯ И КОЛЛОИДНАЯ ХИМИЯ
Методические указания для выполнения самостоятельной работы
Направления подготовки:
Производство продуктов питания
Из растительного сырья
Иркутск 2007
Ниже приводится краткий консультативный материал в качестве помощника усвоения указанных тем
Зависимость теплоемкости от температуры
Для расчета температурной зависимости теплоемкости неорганических веществ удобно использовать температурный ряд:
,
где эмпирические коэффициенты, приведены в специальной справочной литературе.
Температурная зависимость теплоемкости органических веществ рассчитывается по уравнению:
РЕШЕНИЕ ТИПОВЫХ ЗАДАЧ
Занятие 1.
Задача 1. Рассчитать стандартную энтальпию реакции
СН4 + СО2 = 2СО + 2Н2
по теплотам сгорания веществ.
Решение. Для расчета стандартной энтальпии применим следствие закона Гесса, согласно которому , где − теплота сгорания i-го вещества, кДж/моль; − стехиометрические коэффициенты i-го вещества; − стандартная энтальпия реакции. Значения теплот сгорания приведены в справочной литературе [5]. В представленной реакции метан взаимодействует с углекислым газом, который является высшим окислом углерода. Поэтому = 0. Теплоты сгорания остальных веществ, участвующих в реакции:
= -894,0; = -206,0 и = -286 кДж/моль.
Отсюда = −894 – (−206∙2 (− 286∙2)) = 90 кДж/моль.
Задача 2.Дано:2СО + 2Н2 = СН4 + СО2. Вывести уравнение зависимости для химической реакции. Определить диапазон температур, при которых уравнение справедливо.
Решение. Составим таблицу, в которую запишем справочные данные участников реакции.
Исходные данные для расчета Таблица 1
Вещество | ν, моль | , кДж/моль | S, Дж/моль∙К | СР, Дж/моль∙К | Темпера-турный диапазон | |||
а0 | а1∙103 | а2∙106 | а-2∙10-5 | |||||
СН4 | -74,85 | 186,19 | 17,45 | 60,46 | 1,12 | - | 298-1000 | |
СО2 | -393,81 | 216,60 | 28,41 | 4,10 | - | -0,46 | 298-2500 | |
СО | -110,50 | 197,40 | 44,14 | 9,04 | - | -8,63 | 298-2500 | |
Н2 | 130,6 | 27,28 | 3,26 | - | 0,502 | 298-3000 | ||
Δ | -2 | -247,4 | -253,21 | -96,98 | 39,96 | 1,12 | 15,8 | 298-1000 |
1. Вычислим изменения энтальпии, энтропии и теплоемкости реакции по схеме: (где Хi – любой из энергетических параметров, представленных в таблице; индексы «кон.» и «нач.» указывают на состояние системы в начале и конце пути процесса).
2. Температурный интервал, при котором эта реакция идет без разложения газов, участвующих в процессе, находим из таблицы: нижний температурный предел для всех газов одинаковый и составляет 298 К, верхний предел наименьший у метана (составляет 1000 К). При более высоких температурах этот газ будет разлагаться. Поэтому наиболее приемлемый температурный интервал для данной реакции 298-1000 К. 3. Также из таблицы видно, что стандартная энтальпия реакции < 0. Следовательно, рассматриваемый процесс экзотермический. 4. Изменение теплоемкости реакции описывается уравнением:
ΔСР = -96,98 + 39,96∙10-3Т + 1,12∙10-6Т2 +15,80∙105Т-2
Согласно Кирхгофу:
= ΔСР =-96,98 + 39,96∙10-3Т + 1,12∙10-6Т2 +15,80∙105Т-2
где - температурный коэффициент теплового эффекта реакции. При помощи интегрирования полученного уравнения Кирхгофа в пределах от 298 до Т К выведем температурную зависимость теплового эффекта реакции
После интегрирования получим следующее выражение:
Так как верхний предел интеграла не определен, рассчитаем константу интегрирования. Для этого выполним следующие вычисления (с учетом вычисленной стандартной энтальпии реакции :
−247,4∙103 + 96,98∙298 – 19,98∙10-3∙2982 – 0,373∙10-6∙2983 + = −214982,12 – константа интегрирования. Таким образом, уравнение температурной зависимости энтальпии реакции будет следующим:
96,98∙T + 19,98∙10-3∙T2 + 0,373∙10-6∙T3 −− 214982,12(2)
Занятие 2.
Задача 1.. Построить график зависимости для химической реакции.
Решение. В программе Excel по полученному уравнению (2) найдем ряд по заданным температурам и построим график. Из графика видно, что при повышении температуры количество выделившейся теплоты процесса увеличивается.
Задача. 2. Рассчитать теплоту, выделяющуюся (или поглощающуюся) в реакции при температуре 400К, если во взаимодействие вступает 100 г исходного вещества (на выбор).
Решение. Используем уравнение (2). Рассчитаем количество теплоты, выделяющейся при 400 К, если в реакцию вступает 2 моль (см. реакцию) например, СО. Расчет показал, что при данной температуре выделяется −281,503 кДж/моль, при этом на 1 моль приходится: −281,503/2 = −140,75 кДж/моль. В 100 г. СО будет: 100/28 ≈ 2,57 моль. 2,57∙(−140,75) = −361,76 кДж.
Задача 3. Рассчитать теплоту, выделяющуюся (или поглощающуюся) в реакции при температуре 500К, если образуется 100 г продукта реакции (на выбор).
Решение. Продуктами реакции являются метан и углекислый газ в количестве по 1 моль. Расчет показал, что при Т = 500 К выделяется −288,59 кДж/моль количества теплоты. В 100 г, например СО2, будет 100/44 = 2,273 моль газа. Следовательно, общее количество теплоты, выделяющееся при образовании 100 г. газа будет: 2,273∙(−288,59) =−655,89 кДж.
Занятие 3.
Задача. 1. Найти суммарное значение энтропии при нагревании и плавлении 5 кг Mn, взятого при стандартных условиях.
Решение. Исходные данные для расчета возьмем из задачи 1 Практическое занятие 1. Для расчета воспользуемся формулами:
1. Изменение энтропии нагревания Mn:
2. Изменение энтропии полиморфного превращения Mnα→ Mnβ :
3. Изменение энтропии нагревания Mn:
4. Изменение энтропии плавления Mn:
5. Суммарное изменение энтропии 1 моль Mn:
Подставим исходные данные в формулы (пп.: 1-4):
23,85∙ln + 14,14 (991–298)+ = 37,331; = 2,03;
=35,11∙ln + 2,77 (1517 – 991) = 16,406
= 8,84; = 37,331 + 2,03 + 16,406 + 8,84 = 64,607 Дж/моль∙К
Определяем изменение энтропии при нагревании и плавлении 5 кг Mn: В 5 кг Mn количество моль: моль. Следовательно, суммарное изменение энтропии заданной массы: =90 ∙ 64,607 = 5814,63 Дж/моль∙К.
Занятие 4.
Задача 1.Найти уравнение зависимости ΔS = f(Т) гомогенной химической реакции 2СО + 2Н2 = СН4 + СО2. Построить график в установленном диапазоне температур.
Решение.Для решения задачи воспользуемся уравнением химической реакции из практического занятия 3: СН4 + СО2 = 2СО + 2Н2. Исходные данные для расчета представлены в табл.1(практическое занятие 2).
1. Из табл.1 видно, что энтропия реакции в стандартных условиях уменьшается: ΔS= -253,21 Дж/моль∙К.
2. Температурную зависимость энтропии данной реакции определяем по следующему уравнению: или
Исходное уравнение преобразуем в уравнение, удобное для интегрирования?
Интегрируем полученное уравнение:
Рассчитываем постоянную интегрирования
= −253,21+ 96,98∙ – 39,96 − 0,56 ∙2982 + = 296,23
Уравнение температурной зависимости энтропии:
= 296,23 − 96,98∙+ 39,96+ 0,56∙Т2 −
3. В программе Excel по данному уравнению находим ряд по заданным температурам и строим график температурной зависимости энтропии. Из графика видно, что при повышении температуры энтропия уменьшается
Занятие 5
Задача1. Вывести температурную зависимость энергии Гиббса, используя уравнения температурной зависимости ΔH = f(T) и ΔS = f(T) для химической реакции 2СО + 2Н2 = СН4 + СО2.
Решение. Уравнение температурной зависимости ΔG = f(T) можно получить, подставляя ΔH = f(T) и ΔS = f(T) в следующее выражение:
= 96,98∙T + 19,98∙10-3∙T2 + 0,373∙10-6∙T3 − − 214982,12 – T(296,23 − 96,98∙ + 39,96 + 0,56 ∙Т2 − ).
Далее открываем скобки и приводим подобные:
96,98∙T + 19,98∙10-3∙T2 + 0,373∙10-6∙T3 − − 214982,12 – 296,23∙Т + 96,98∙Т∙ − 39,96 − 0,56 ∙Т3 + ).
Занятие 7
Задача 1. Расчет константы равновесия гомогенной химической реакции 2СО + 2Н2 = СН4 + СО2 в изобарных и изохорных условиях. Вывод уравнения температурной зависимости константы равновесия. Для решения задачи воспользуемся уравнением температурной зависимости энтальпии из задачи 1 практического занятия 3.
96,98∙T + 19,98∙10-3∙T2 + 0,373∙10-6∙T3 − − 214982,12 (1)
Решение. Уравнение температурной зависимости константы равновесия получим, интегрируя уравнение изобары Вант-Гоффа:
(2)
Разделим переменные в уравнении (2) и подставим (1) в (2):
)dT (3)
Для расчета постоянной интегрирования уравнения (3) нам понадобится значение константы равновесия при стандартных условиях. Рассчитаем КР по уравнению стандартного химического сродства: .
Далее, упростим уравнение (3). Разделим коэффициенты на 8,314, сократим подобные члены и заменим интеграл суммы на сумму интегралов с одинаковыми пределами:
+2,4032∙10-3 4,486∙10-8 (4)
− −25857,84
Интегрируем (4):
11,665(lnT – ln298) +2,4032∙10-3(T – 298) + (5)
+ (T2 – 2982) +
Рассчитаем постоянную интегрирования (с учетом
= 47,27
Окончательный вид уравнения температурной зависимости константы равновесия в изобарных условиях
+
В программе Excel по данному уравнению находим ряд по заданным температурам и строим график температурной зависимости константы равновесия. Из графика видно, что при повышении температуры снижается и при температуре больше 900 К ее значение будет меньше нуля. Из этого следует, что при температуре выше 900 К реакция невозможна в прямом направлении. Таким образом, температурный интервал возможного процесса ограничивается 298 – 900 К. В изохорных условиях константу равновесия при стандартных условиях можно рассчитать по следующему выражению: (где константа равновесия в изохорных условиях; изменение числа молей газообразных участников реакции). Численное значение определим из уравнения стандартного химического сродства = −2 (из табл.1). Следовательно, будет равно:
(7)
и при стандартных условиях:
По уравнению (7) в программе Excel рассчитаем значение для других температур, а затем построим график зависимости ln .Из графика видно, что в изохорных условиях значение логарифма константы меньше нуля при более низких температурах (от 650 и выше).
Занятие 8
Задача 1. Рассчитать равновесную концентрацию и выход продуктов реакции
2СО + 2Н2 = СН4 + СО2. (Р = 101,3 кПа; Т = 800, К, с учетом, что СºР)
Решение. Для расчета используем следующую схему
2СО + 2Н2 = СН4 + СО2
Концентрация до реакции (моль) 2 2 0 0
Равновесная концентрация 2(1−х); 2(1−х); х; х
Суммарная концентрация 2 – 2х + 2 – 2х + х + х = 4 – 2х
Мольные доли газов определим из формулы Дальтона , (где − количество моль i-го газа; Р = 1 атм.). ; .
Составим уравнение расчета х, для чего используем закон действующих масс:
Для расчета воспользуемся уравнением [(6) Практ. занятие 10], подставив в него Т = 800 К. Расчет показал, что значение = 41,8946
Упростим уравнение (1): . В программе Excel рассчитаем х. Расчет показал, что х = 0,849031%. Подставим найденное значение х в формулы расчета мольных долей участников реакции = 0,13117 = 13,117%. = 0,36883 = 36,883%. Сумма мольных долей участников реакции: 0,13117 + 0,13117 + 0,36883 + 0,36883 = 1=100%. Таким образом, при температуре 800 К равновесие смещается вправо. (Здесь рассчитаны мольные доли участников реакции вблизи равновесной температуры). Из расчета видно, что реакция осуществляется приблизительно на 74 % (36,9+36,9 =73,8%). Очевидно, что для более полного осуществления реакции ее температуру необходимо понизить (в соответствии с принципом Ле-Шателье).
Решение подобных задач и их анализ поможет студентам более глубоко изучить соответствующие разделы данной дисциплины.
1. При изучении данной темы следует обратиться к учебникам: [1] и [2], раздел «Химическая термодинамика».
2. Решить задачи: [16] 1.
3. Выполнить лабораторную работу по калориметрическому определению средней теплоемкости индивидуального вещества.
4. Подготовить отчет по лабораторной работе. Для этого следует использовать методические указания по химической термодинамике [12] (работа 6, см. теоретическое введение к работе)
Основные навыки
Студент должен уметь:
1. Рассчитать истинную и среднюю, изобарную и изохорную теплоемкость n моль вещества по справочным данным;
2. Рассчитать среднюю теплоемкость n моль вещества по экспериментальным данным.
3. Зная молярную теплоемкость, пересчитать ее в среднюю теплоемкость (и наоборот).
4. Рассчитать теплоемкость среды и теплоемкость той части калориметра, в которой протекает процесс теплообмена
Далее приводится краткий консультативный материал в качестве помощника усвоения указанных тем
Таблица 1
Интегрально-расчетный метод
Пусть n= 0. Тогда константу скорости реакции рассчитаем по уравнению:
,
где – начальная и текущая концентрации реагента.
Константа скорости реакции по результатам расчетов не усредняется (табл. 2). Следовательно, порядок реакции не равен нулю.
Таблица 2
Математическая обработка экспериментальных данных.
Математическая обработка экспериментальных данных.
Далее приводится краткий консультативный материал в качестве помощника усвоения указанных тем.
Основные закономерности и понятия
После изучения данной темы студент должен знать:
1. Что называется седиментацией;
2. Какие процессы способствуют, а какие препятствуют оседанию частиц в дисперсионной среде;
3. Условия седиментационного равновесия;
4. Седиментационный анализ дисперсности;
5. Что представляют собой кривые распределения частиц по размерам и правила их обработки;
6. По каким признакам определяют моно и полидисперсные системы.
Основные навыки
Студент должен уметь:
1. Определять и формулировать цель работы
2. Проводить анализ полученных результатов опытов и расчетов.
3. Сделать выводы на основании описательной части опытов наблюдений.
4. Анализировать кривые:
- седиментационную,
- интегральную и
- дифференциальную распределения частиц по размерам.
5. Сделать выводы на основании анализа кривых распределения.
Далее приводится краткий консультативный материал в качестве помощника усвоения указанных тем.
Агрегативная устойчивость лиофобных коллоидов.
Основные навыки
Студент должен уметь:
1. Определять и формулировать цель работы
2. Проводить анализ полученных результатов опытов и расчетов.
3. Сделать выводы на основании описательной части опытов наблюдений (изменение цвета растворов, укрупнения частиц, и т.д.) и таблиц результатов.
4. Применять Правило Шульца-Гарди.
ФОРМЫ КОНТРОЛЯ ПО ДИСЦИПЛИНЕ
Литература
1. Стромберг А.Г., Семченко Д.П. Физическая химия. - М: Высшая школа. -2009.-388 с. -
2. Краснов К.С. Физическая химия. - М.: Высшая школа. 2009 - 500 с.
3. Каретников Г.С., Кудряшов И.В. Сборник примеров и задач по физической химии. - М. Высшая школа. - 1991 - 527 с.
4. Дамаскин В.В., Петрий О.А. Основы теоретической электрохимии. -М.: Высш. школа, 2006. - 496 с.
5. Краткий справочник физико-химических величин /Под ред. А.А. Равделя и А.М. Пономарёвой-Л: Химия.- 2009 -230с.
6. Справочник химика. Л.: 1971.
7. Горшков В.И., Кузнецов И.А. Основы физической химии. -- М.: Изд-во Моск. Ун-та, 1993-380 с.
8. Гельфман М.И., Ковалевич О.В., Юстратов В.П. Коллоидная химия. -СПб.: Изд-во «Лань», 2003 - 336 с.
9. Фролов Ю.Г. Курс коллоидной химии. Поверхностные явления и дисперсные системы. М.: Химия, 1988 - 462 с.
10. Задачи по физической химии /В.В. Ерёмин, С.И. Каргов, И.А. Успенская, Н.Е. Кузьменко, В.В. Лунин. - М.: Изд-во «Экзамен», - 2003. - 320 с.
Дополнительная литература
11. Стандарт университета СТО005-2007 «Правила оформления отчетов лабораторных работ»
12. Белых П.Д., Кудрявцева П.В. Химическая термодинамика. Методические указания по выполнению лабораторных работ по физической химии. - Иркутск: Изд-во ИрГТУ, 1998.
13. Бегунов А.И., Белых П.Д. Кудрявцева Е.В. Электрохимия. Методические указания к лабораторным работам по электрохимии общего курса физической химии - Иркутск: Изд-во ИПИ, 2011.
14. Белых П.Д., Кудрявцева Е.В., Филатова Е.Г. Петровская В.Н., Соловьева О.А. Поверхностные явления и дисперсные системы (коллоидная химия). Метод. пособие для выполнения лабораторного практикума. – Иркутск: Изд-во ИрГТУ. – 2005. с. 71.
15. Яковлева А.А., Кудрявцева Е.В. Физическая химия. Учеб. пособие. – Иркутск: Изд-во ИрГТУ, - 2007. - 108 с.
[1] Яковлева А.А., Кудрявцева Е.В. Химическая кинетика. Методические указания по выполнению лабораторных работ (Электронный вариант) 2008 г.
– Конец работы –
Используемые теги: Физическая, КОЛЛОИДНАЯ, Химия0.071
Если Вам нужно дополнительный материал на эту тему, или Вы не нашли то, что искали, рекомендуем воспользоваться поиском по нашей базе работ: ФИЗИЧЕСКАЯ И КОЛЛОИДНАЯ ХИМИЯ
Если этот материал оказался полезным для Вас, Вы можете сохранить его на свою страничку в социальных сетях:
Твитнуть |
Новости и инфо для студентов