Методические указания и контрольные задания по дисциплине физическая химия. Рекомендовано Методическим советом угтуупи для студентов заочного обучения направления 150100 Металлургия, специальности
 Скачать 332.59 Kb.
|
|
Стр. 22 из 35 ее изоляции, если истинная теплоемкость воздуха С р = 27,19 + 4,18 ⋅10 -3 Т, Дж/(моль К)? 10. Истинная удельная теплоемкость жидкого цинка выражается уравнением С ж = 0,362 + 26,78 ⋅10 -6 (Т – 273), кДж / (кг К), а твердого цинка С т = 0,3795 + 18,58 ⋅10 -6 (Т – 273), кДж / (кг К). Какое количество теплоты выделится при охлаждении 0,3 кг металла от 773 до 273 К, если температура плавления цинка 692 К, а удельная теплота плавления 117,2 кДж / кг? 11. Найти тепловой эффект Q p реакции С + СО 2 = 2СО при 700 К. 12. Найти тепловой эффект Q v реакции 4CO + 2S0 2 = S 2 + 4C0 2 при 1800 К. 13. Найти тепловой эффект Q р реакции Fe 3 O 4 + H 2 = 3FeO + H 2 O при 1000 К. 14. Найти тепловой эффект Q v реакции 2FeS + 3O 2 = 2FeO + 2SO 2 при 1000 К. 15. Найти тепловой эффект Q р реакции 2CuO = 2Cu + O 2 при 1100 К. 16. Найти тепловой эффект Q p реакции 3Fe 2 O 3 + CO = 2Fe 3 O 4 + CO 2 при 873 К. 17. Найти тепловой эффект Q v реакции Мn 3 О 4 + СО = 3MnO + CО 2 при 1200 K. 18. Найти тепловой эффект Q v реакции PbS + 2PbO = 3Pb + SО 2 при 1000 К. 19. Найти тепловой эффект Q v реакции 3Ni + SO 2 = NiS + 2NiO при 1600 К. 20. Найти тепловой эффект Q p реакции ZnS + H 2 O = H 2 S + ZnO при 700 К. 21. Найти состав равновесной газовой фазы по реакции восстановления железа из магнетита Fe 3 O 4 водородом при температуре 823 К. 22. Рассчитать состав равновесной смеси газа по реакции СО 2 + Н 2 = СО + H 2 O при температуре 1073 К, если исходный состав смеси: СО 2 – 45, Н 2 – 55 мол. %. 23. Найти температуру, при которой отношение СО / СО 2 в равновесной смеси газов системы С + СО 2 = 2СО составляет 1 / 3 при давлении 0,3 атм. 24. Найти температуру, при которой упругость диссоциации карбоната кальция достигнет одной атмосферы. 25. Рассчитать, какая доля пара воды продиссоциирует при температуре 2000 К и давлении 1 атм. 26. Построить изотерму реакции С + СО 2 = 2СО при температуре 1073 К и изменении давления от 1 до 10 атм. Жуков А.А. Физическая химия ГОУ ВПО УГТУ-УПИ – 2006 Стр. 23 из 35 27. Сколько железа восстановится из магнетита Fe 3 O 4 , взятого в достаточно большом количестве, при 800 К в замкнутом сосуде объемом 1м 3 , если в исходном состоянии газовая фаза содержала чистый оксид углерода при давлении 1 атм? 28. При какой температуре начнется диссоциация карбоната Fe на воздухе? Концентрация углекислого газа в воздухе составляет 0,03 об. %. 29. В сосуд, содержащий 10 литров газа состава 85 мол. % СО и 15 – СО 2 , помещен 1 кг закиси железа (FeO) при температуре 973 К и давлении 1 атм. Найти количество восстановленного железа. 30. В сосуде объемом 5 литров диссоциирует карбонат кальция при температуре 1100 К. Какое количество оксида кальция будет в сосуде при равновесии? Других газов в сосуде нет. 31. По приведенным ниже данным определить парциальные молярные энтропии железа и меди при 1823 К в сплавах Fe – Cu, содержащих 20, 40, 60 и 80 мас. % меди. Построить графики зависимости полученных величин от состава раствора. x Сu 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 S, Дж / (мольК) 99 102 102,2 101 98 93 32. По данным о зависимости теплоты смешения меди с серебром от состава при 1428 К определить дифференциальные теплоты растворения компонентов в растворах следующего состава: 10, 30, 50, 70, 90 мас. %. Изобразить на графике зависимость теплот растворения компонентов от состава. x Ag 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 ∆Н, кДж / моль 1,38 2,41 3,14 3,60 3,81 3,77 3,46 2,81 1,78 33. Возможно ли образование термодинамически устойчивого твердого раствора из 30 г никеля и 20 г золота, если изменения энтальпии и энтропии Ni и Au при их переводе из стандартного состояния в раствор равны соответственно 2590 Дж / моль и 2,86 Дж / (моль ⋅К) у Ni, 2815 Дж / моль и 2,83 Дж / (моль ⋅К) у Au? Жуков А.А. Физическая химия ГОУ ВПО УГТУ-УПИ – 2006 Стр. 24 из 35 34. Давление насыщенного пара серебра над раствором Ag-Au с концентрацией золота 61,2 мол. % и над чистым серебром приведены ниже. Определить дифференциальную теплоту растворения серебра. Т, К 1195 1250 Р Ag , Па 0,0307 0,124 Р o Ag , Па 0,133 0,483 35. Определить плотность расплава Fe – Sn, содержащего 70 мас.% Sn, если парциальные молярные объемы железа и олова равны соответственно 6,6 и 19,7 см 3 / моль при 1913 К. 36. По данным о равновесии реакции (SiO 2 ) раств + 3C = SiC + 2CO при 1723 К найти величины активностей и коэффициентов активностей SiO 2 в расплаве CaO – SiO 2 при указанных составах. мас.% SiO 2 100 58,8 37,5 Р со , атм 0,378 0,239 0,146 37. По данным о давлении насыщенного пара меди над растворами Fe – Сu при 1823 К вычислить значения активностей и коэффициентов активности меди. Построить график зависимости активности меди от состава и найти для нее коэффициент Генри. x Cu 1,0 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 Р Cu , Па 72,9 65,6 63,4 61,9 60,5 57,6 53,2 43,7 25,5 38. По данным о плотности расплавов железо – медь построить зависимости парциальных молярных объемов компонентов от состава. x Cu 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 ρ, г / см 3 7,05 7,12 7,22 7,32 7,44 7,57 39. В 1 литре раствора NaBr в воде содержится 0,3219 кг NaBr. Плотность раствора при 293 К равна 1,238 г / см 3 . Определить массовый процент, мольную долю и моляльность бромида натрия. Жуков А.А. Физическая химия ГОУ ВПО УГТУ-УПИ – 2006 Стр. 25 из 35 40. Зависимости парциальной молярной теплоты и энтропии растворения магния в жидких растворах Mg – Al от состава описываются уравнениями: ⎯∆H Mg = – 15100x 2 Mg , Дж / моль, ⎯∆S Mg = – Rln x Mg – 5,58x Al , Дж / (мольК). Определить активность и коэффициент активности магния при 1000 К в растворе, содержащем 30 мас. % Al. 41. Зависимость давления насыщенного пара магния над растворами Мg – Сu от температуры приведена ниже. Определить для каждого состава температуру, при которой будет соблюдаться закон Рауля. x Mg Давление насыщенного пара Mg 1,000 lgP = – 6560 / Т + 9,723 0,875 lgP = – 6630 / T + 9,171 0,765 lgP = – 6670 / T + 9,699 0,667 lgP = – 6760 / T + 9,671 42. Зависимости давления насыщенного пара железа и марганца от температуры описываются уравнениями (Р в Па): lgP o Fe = – 19710 / T – 1,27lg T + 15,39, lgP o Mn = – 13900 / T – 2,52lg T + 19,39. Определить температуру кипения расплава, считая его идеальным раствором, при содержании железа 10 мас. %. 43. Температура начала кристаллизации кобальта из раствора Со – Р с концентрацией фосфора 0,5 мас. % равна 1748 К. Температура кристаллизации чистого кобальта и его теплота плавления равны, соответственно, 1763 К и 15700 Дж / моль. Вычислить молярную массу фосфора в растворе и сравнить ее с табличным значением. Жуков А.А. Физическая химия ГОУ ВПО УГТУ-УПИ – 2006 Стр. 26 из 35 44. Парциальная молярная энтропия растворения серебра в жидком растворе Ag – Au при 1400 К такая же, как в идеальном растворе, а дифференциальная теплота растворения равна –7,3 кДж /моль при концентрации Ag 18 мас. %. Найти активность и коэффициент активности серебра при этом составе. 45. Температура кристаллизации чистого золота 1336 К. Температура начала кристаллизации золота из раствора Аu – Рb, содержащего 5,5 мас. % РЬ, равна 1272,5 К. Определить теплоту плавления золота, считая раствор идеальным. 46. Медь распределяется между малорастворимыми друг в друге при 1873 К железом и серебром, при этом концентрации ее в фазах равны соответственно 2,92 и 11,5 мас. %. Определить активности и коэффициенты активности меди в фазах, если известно, что давление насыщенного пара Cu над чистой медью и расплавом Cu – Ag указанного состава равно 1,25 ⋅10 2 и 0,236 ⋅10 2 Па. 47. Коэффициент распределения йода между водой и четыреххлористым углеродом при 298 К равен 0,017. Растворы разбавленные. Какой объем CCl 4 нужно взять, чтобы при однократном экстрагировании извлечь из 0,5 литра водного раствора 99,9 ; 99,0 ; 90,0 % содержащегося в нем йода. 48. Система Al – Si c общей массой 10 г при 1273 К содержит 70 мол. % кремния. Используя диаграмму состояния, определить агрегатное состояние, состав и массы равновесных фаз в системе. 49. Используя диаграмму состояния определить составы фаз и количество расплава в системе Pb – Bi при 473 К, если она содержит 80 мол. % свинца, а масса твердой фазы составляет 10 г. 50. Используя диаграмму состояния системы Co – Bi, найти коэффициенты распределения между фазами (k i = x i ′ / x i ′′ ) ограниченно взаимно растворимых друг в друге жидких кобальта и висмута при 1673 К. Жуков А.А. Физическая химия ГОУ ВПО УГТУ-УПИ – 2006 Стр. 27 из 35 8.5. Контрольная работа № 2 (6 семестр, разделы 7 - 11) 8.5.1. Темы рефератов 1. Адсорбционное уравнение Гиббса и его применение для расчета адсорбции компонентов бинарного раствора. 2. Адсорбция газа на твердой поверхности. Изобара адсорбции и изотерма Лэнгмюра. 3. Термодинамика зарождения новой фазы. Критический радиус зародыша. 4. Кинетика кристаллизации жидкости. Скорости образования центров и продвижения фронта кристаллизации. 5. Скорость химической реакции и ее зависимость от концентрации реагентов. Изменение концентрации реагирующих веществ со временем в реакциях первого, второго и третьего порядков. Методы определения порядка реакции. 6. Влияние температуры на скорость реакции. Теория активных соударений. Энергия активации и ее экспериментальное определение. 7. Кинетика гетерогенных реакций. Этапы и режимы процесса. Влияние различных факторов на скорость гетерогенной реакции. 8. Молекулярная диффузия. Первый закон Фика. Механизм диффузии и зависимость ее скорости от температуры. 9. Гомогенный и гетерогенный катализ. 10. Термодинамика гальванических элементов. Равновесный электродный потенциал и его зависимость от концентрации реагентов. 8.5.2. Задачи 1. Ниже приведены данные, полученные при определении поверхностного натяжения растворов уксусной кислоты в воде в зависимости от концентрации кислоты при 293 К: С, г / л 0,00 0,01 0,1 0,2 0,4 σ, мДж / м 2 72,8 70,0 65,0 62,5 60,0 Построить зависимость адсорбции уксусной кислоты от состава. Жуков А.А. Физическая химия ГОУ ВПО УГТУ-УПИ – 2006 Стр. 28 из 35 2. Ниже приведены данные, полученные при определении поверхностного натяжения растворов пропионовой кислоты в воде в зависимости от концентрации кислоты при 293 К: С, г / л 0,00 0,100 0,238 0,952 2,000 3,806 σ, мДж / м 2 72,8 65,0 60,0 46,0 38,0 34,0 Построить зависимость адсорбции пропионовой кислоты от состава. 3. Поверхностное натяжение жидкости равно 0,5 Дж / м 2 . Угол смачивания твердой поверхности этой жидкостью составляет 145 °. Во сколько раз отличаются величины работы адгезии фаз и когезии жидкости? 4. Во сколько раз изменится площадь поверхности одного моля воды, если ее разбить на сферические капли коллоидного размера (диаметр 10 -7 см)? 5. Через водную суспензию, состоящую из частиц кварца и графита, пропускается воздух. Какие частицы и почему будут выноситься с пеной? Угол смачивания θ для кварца близок к 0, а для графита 60°. Какова адгезия воды к этим частицам, если ее поверхностное натяжение 72,8 мДж / м 2 ? 6. Ниже приведены данные, полученные при изучении адсорбции углекислого газа углем при 230 К. Определить постоянные уравнения Лэнгмюра. Р СО2 ⋅10 -5 , Па 0,043 0,052 0,083 0,202 2,432 Количество адсорбированного газа, мг / см 2 85 105 125 159 190 7. Определить постоянные в уравнении Лэнгмюра и адсорбцию СО 2 на поверхности слюды при давлении газа 7 Па, если при Т = 155 К количество СО 2 , адсорбированного на 1см 2 слюды составляет: Давление СО 2 , Па 0,48 1,19 2,06 4,10 9,80 Количество адсорбированного газа, мг / см 2 1,22 1,95 2,55 3,24 3,62 Жуков А.А. Физическая химия ГОУ ВПО УГТУ-УПИ – 2006 Стр. 29 из 35 8. Твердая поверхность плохо смачивается некоторой жидкостью. Как изменится форма капли этой жидкости, если масса ее осталась практически неизменной и при этом: – к жидкости добавили небольшое количество поверхностно активного вещества; – часть жидкости заменили веществом с большей плотностью и таким же поверхностным натяжением; – всю систему перенесли на Луну. Ответы обосновать. 9. Поверхностное натяжение жидкости равно 250 мДж / м 2 , а угол смачивания ею твердой поверхности составляет 160 о . Как изменятся работа когезии жидкости и ее работа адгезии к твердой поверхности после введения поверхностно активного вещества, если поверхностное натяжение уменьшилось в два раза, а угол смачивания стал равным 100 о ? 10. По опытным данным о зависимости поверхностного натяжения бинарного раствора от мольной доли второго компонента построить график зависимости адсорбции этого компонента по Гуггенгейму от состава при комнатной температуре. Раствор считать идеальным. x 2 0 0,05 0,1 0,2 0,3 0,4 0,6 1,0 σ, мДж / м 2 125 94 82 69 60 56 53 52 11. При образовании фосгена по реакции CO + Cl 2 = COCl 2 , изменение концентрации реагирующих веществ со временем показано в таблице. τ, мин 0 12 18 24 30 42 С СО = С Сl2 , моль / л 0,01873 0,01794 0,01764 0,01734 0,01704 0,01644 Найти константу скорости реакции и концентрацию фосгена через 2 часа после ее начала, если известно, что объем системы не изменяется. 12. При 583 К AsH 3 (газ) разлагается в реакционном сосуде с образованием твердого мышьяка и водорода 2AsH 3 = 2As ТВ + 3H 2 . Во время реакции давление изменяется следующим образом: Жуков А.А. Физическая химия ГОУ ВПО УГТУ-УПИ – 2006 Стр. 30 из 35 τ, мин 0 330 390 520 Р ⋅10 -5 , Па 0,9777 1,0742 1,0907 1,1132 Показать, что реакция разложения AsH 3 является реакцией первого порядка, и вычислить константу скорости. 13. Определить порядок реакции А газ = В газ + D газ + С газ по изменению давления в замкнутом реакционном сосуде: τ, мин 0 6,5 15,0 19,9 Р ⋅10 -3 , Па 41,6 54,5 68,7 74,2 14. Определить порядок реакции 2СО = СО 2 + С, если при постоянной температуре давление СО в реакционном сосуде в одном опыте упало с 1,0479 ⋅10 5 до 0,9239 ⋅10 5 Па за 30 минут, а в другом – с 0,7137 ⋅10 5 до 0,6241 ⋅10 5 Па за такой же промежуток времени. 15. При изучении кинетики гомогенной реакции 2FeCl 3 + SnCl 2 = 2FeCl 2 + SnCl 4 получены следующие данные по изменению концентрации FeCl 3 со временем в условиях, когда концентрация SnCl 2 намного больше, чем FeCl 3 τ, мин 0 2,5 3,0 6,0 11,0 17,5 С FeСl3 , моль / л 0,025 0,0215 0,0211 0,0184 0,0155 0,013 Определить порядок реакции. 16. Было найдено, что в некоторой реакции при изменении начальной концентрации реагента с 0,502 до 1,007 моль /л период полураспада уменьшается с 51 до 26 секунд. Определить порядок и константу скорости реакции. 17. Определите порядок реакции на основании зависимости времени превращения на 25 % ( τ 25% ) от начального давления газообразного вещества при постоянной температуре: Р о ⋅10 -4 , Па 1,06 1,19 1,43 1,74 τ 25 % , мин 14 13 12 11 Жуков А.А. Физическая химия ГОУ ВПО УГТУ-УПИ – 2006 Стр. 31 из 35 18. Два вещества вступают друг с другом в химическое взаимодействие. Каков порядок реакции, если за периоды времени 5, 15 и 30 мин, прошедшие от начала реакции, содержание прореагировавших веществ соответственно составляло 19,8 ; 46,7 ; 77,0 %. 19. Реакция разложения закиси азота 2N 2 O = 2N 2 + O 2 в газовой фазе протекает по второму порядку. Найти порядок реакции при катализе золотом с учетом следующих данных, полученных при 1173 К: τ, мин 15 30 53 65 80 100 Степень разложения, % 16,5 32 50 57 65 73 20. Константа скорости некоторой реакции равна 3,43 ⋅10 -5 с -1 . Определить, сколько процентов исходного вещества разложится за 25 мин и сколько времени потребуется для разложения 95 %. 21. Ниже показана зависимость константы скорости реакции разложения N 2 O 5 от температуры: Т, К 273 298 308 318 328 338 К, с -1 7,87 ⋅10 -7 3,46 ⋅10 -5 1,46 ⋅10 -4 4,98 ⋅10 -4 1,50 ⋅10 -3 4,87 ⋅10 -3 Найти энергию активации и константу скорости реакции при 323 К. 22. Константа скорости некоторой реакции равна 3,43 ⋅10 -5 с -1 при 298 К. Определить, сколько процентов исходного вещества разложится за 10 мин при температурах 323 и 343 К, если энергия активации составляет 40 кДж / моль. Сколько времени потребуется для разложения 95 % исходного вещества при 298 К? 23. Для некоторой реакции первого порядка период полураспада при 323 К составляет 70 минут, а при 353 К – 15 минут. Определить энергию активации Е, предэкспоненциальный множитель К 0 в уравнении Аррениуса и время, за которое при 343 К разложится 25 % вещества. 24. Для некоторой реакции первого порядка период полураспада при 378 К равен 363 мин. Энергия активации равна 217500 Дж / моль. Определить, сколько времени потребуется для разложения 75 % вещества при 450 К. |