Учебнометодический комплекс по дисциплине для подготовки дипломированного специалиста по направлению 240000 Химическая и биотехнологии
 Скачать 1.18 Mb.
|
|
ТИПОВЫЕ ЗАДАЧИ по ФИЗИЧЕСКОЙ ХИМИИ 1. Превращение пероксида бензоила в диэтиловый эфир (реакция первого порядка) при ЗЗЗК прошло за 10 мин на 75,2%. Вычислите константу скорости реакции. 2. Определите работу изобарного обратимого расширения 3 моль идеального газа при его нагревании от 298 до 400 К. 3. Раствор сахара концентрации 0,3 моль/л в течение 30 мин инвертируется на 33%. Через какое время инвертируется 80 и 90% сахара? 4. Определите тепловой эффект реакции А1 2 0 3 корунд + 3S0 3 * A1 2 (S0 4 ) 3 кр. + ДU х , если реакция протекает при 298К в автоклаве при постоянном объеме, а тепловой эффект при Р = const равен - 573,4 кДж. 5. Определите ДН 0 , ДU 0 , ДА 0 , ДG°, ДS 0 при стандартных условиях и 298К для реакции С 2 Н 2 + 2Н 2 0 (Ж) = СНзСООН ( ж) + Н 2 6.. На какую величину при Т = 298К отличается тепловой эффект сгорания нафталина при постоянном давлении Q P ОТ теплового эффекта при постоянном объеме Qv согласно реакции C 10 H 8 (т) + 12O 2 = 10 СO 2 + 4 Н 2 0 (ж) + Q P 8. Определите ионную силу раствора, содержащего 0,001 моль H2SO4 и 0,002 моль MgS0 4 на 1000 г воды при 298 К. 9. Определите порядок реакции превращения цианата аммония в мочевину по следующим данным: С, кмоль/моль ............ 0,2 0,1 0,05 т,ч .................................... 9,45 19,15 37,07 10. В некоторой мономолекулярной реакции половина вещества распадается за 1000 с. Сколько времени необходимо для разложения 0,9 ч первоначального количества? 11. При омылении гидроксидом натрия в течение 10 мин омыляется 20% метилацетата, если начальные концентрации растворов составляют 0,01 моль/л. Какова будет концентрация метилового спирта через 30 мин после начала реакции? 12. Энтальпии образования С 2 Н 2 , СO 2 и Н 2 O (ж) соответственно равны 226,5; - 393,1 и - 285,6 кДж/моль. Сколько теплоты можно получить при сгорании 5 моль ацетилена? 13. На основании расчета энергии Гиббса определите, осуществима ли реакция Ag +1\2 С1 2 = AgClпри Р = 101,3 кПа и 298 К ? 14. В некоторой реакции при изменении начальной концентрации от 0,502 до 1,007 моль/л период полупревращения уменьшается от 51 до 25 с. Вычислите порядок и константу скорости реакции, 15. Рассчитайте теплоту испарения диэтилового эфира по уравнению Клапейрона 24 - Клаузиуса, если при нормальной температуре кипения (307,9 К) температурный коэффи- циент давления насыщенного пара равен 3,53 *10 Па/К, а давление 1 моля идеального пара вещества равно 1,0132 * 10 Па. 16. При изучении кинетики реакция превращения бензальдегида в бензоил получены данные: Т, К 313,2 323,1 333,2 К -1 , мин 0,026 0,048 0,089 Определите энергию активации этого превращения. 17. Рассчитайте теплоту испарения диэтилового эфира по уравнению Клапейрона-Клаузиуса, если при нормальной температуре кипения (307,9 К) температурный коэффициент давления насыщенного пара равен 3,53 *10 3 Па/К, а давление 1 моля идеального пара вещества равно 1,0132 * 10 Па. 18. Определите температуру кипения водного раствора, содержащего 0,02 моль нелетучего вещества в 400 г воды (К эб . воды = 0,512 град/моль). 19. Раствор, содержащий 0,8718 моль/л тросникового сахара, при температуре 291 К изоосмотичен с раствором хлорида натрия, содержащего 0,5 моль/л NaCl. Определите кажущуюся степень диссоциации и коэффициент Вант-Гоффа для хлорида натрия. 20. Для 0,01 н раствора KCl удельное сопротивление равно 709,22 Ом -1 *см. Вычислите удельную ч и эквивалентную л электрические проводимости. 21. По данным о стандартных электродных потенциалах меди и цинка рассчитайте ЭДС элемента, составленного из полуэлементов: Zn/Zn 2+ (a Zn2+ =0,02) и Cu 2+ /Cu (a Cu2+ =0,3). 22. определите ионную силу раствора, содержащего 0,001 моль H 2 SO 4 и MgSO 4 на 1000 г воды при 298 К. 23. При пропускании электрического тока через слаборазбавленную серную кислоту выделяется на катоде в течение 5 минут 40 мл водорода, измеренного при 298 К и 1 атм. Какие процессы идут на электродах? Определите силу тока, проходящего через электролит. 24. вычислите степень диссоциации воды при 298 К, используя удельную электрическую проводимость воды, плотность и подвижности ионов. 3. Средства обеспечения освоения дисциплины. Плакаты для лекционных занятий. 1. Диаграммы состояния однокомпоненшых систем. 2. Реактор идеального смешения и реактор идеального вытеснения. 3. Цикл Карно. 4. Способы определения порядка реакции. 5. Изменение потенциальной энергии системы во время элементарного акта химической реакции. 25 Материально-техническое обеспечение дисциплины. На кафедре общей и прикладной химии имеется лаборатория "Физическая химия" (502 ауд., II корпус С ЛИ). 1. В данной лаборатории имеются необходимые для выполнения лабораторных работ химическая посуда, реактивы, приборы и установки (барометры, термометры, секундомеры, гальванические элементы, прибор для определения электропроводности, ареометры, рН-метр, фотоколориметры, ИК- и УФ - спектрометры). 26 II. Практические занятия ХИМИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА Первый закон термодинамики 1. Рассчитайте изменение внутренней энергии при испарении 20·10 -3 кг этилового спирта при нормальной температуре кипения, если его удельная теплота испарения 837,38·10 -3 Дж/кг, а удельный объем пара при этой температуре 607·10 -3 м 3 /кг. Объемом жидкости пренебречь. 2. Определите тепловой эффект разбавления 30,8%-ного водного раствора до концентрации 0,442 % при 298 К. 3. Определите тепловой эффект реакции образования ацетальдегида из гликоля по уравнению жидк газ жидк ∆ при 298 К и стандартном давлении. 4. Вычислите тепловой эффект реакции при 298 К при ∆ 0 и ∆ 0 4 6 жидк 4 5 5. Газ, расширяясь при постоянном давлении 1 атм. от 10 до 16 л, поглощает 125,5 Дж тепла. Определить изменение внутренней энергии 6. Вычислить среднюю молярную теплоемкость Дfj-f в интервале температур от 200 до 300 К, если выражение для зависимости его истинной теплоемкости от температуры в этом температурном интервале имеет вид 24,8 37,5 · 10 7,36 · 10 ! Дж/моль·К 7. Рассчитайте тепловой эффект реакции получения газообразного хлороформа при температуре 600 К " газ 3 # газ # газ 3 # газ 8. Вычислите тепловой эффект образования уксусной кислоты из простых веществ при 298 К и стандартном давлении, если известна его теплота сгорания при этой температуре и стандартном давлении. Сгорание происходит до углекислого газа и воды. Второй закон термодинамики 1. Удельная теплота плавления свинца 23,04 Дж/г. Температура плавления свинца 327,4°С. Найдите изменение энтропии при плавлении 250 г свинца. 27 2. Определить изменение энтропии при превращении 2 г воды в пар при изменении температуры от 0 до 150°С и давлении 101325 Па, если удельная теплота парообразования воды 2,255 кДж/г, молярная теплоемкость пара при постоянном давлении $ 30,13 11,3 · 10 3 Дж/моль·К 3. Определить изменение энтропии в стандартных условиях для следующей химической реакции 2 графит 3 газ ! газ 4. Вычислить изменение энтропии в процессе изотермического расширения 2 моль метана от давления 100 атм. до 1 атм. Газ считать идеальным. 5. Определите ∆ , ∆%, ∆&, ∆', ∆( при стандартных условиях для реакции 2 жидк жидк 6. Рассчитайте изменение энтропии при охлаждении при постоянном давлении в интервале температур от 373 К до 173 К 25 кг вещества брома, если известны его температуры плавления и кипения, теплоемкости в твердом, жидком и газообразном состояниях, теплоты плавления и испарения. 7. Водном из сосудов одинаковой вместимости 3 м 3 находится 28 кг азота, а в другом 32 кг кислорода при одной и той же температуре. Вычислите изменение энтропии при диффузии в результате соприкосновения содержимого этих сосудов. Принять кислород и азот идеальными газами. 8. Возможен ли термодинамический процесс получения анилина из хлорбензола и аммиака по уравнению ! ) # жидк газ ! ) жидк # газ если известны стандартные изменения энергии Гиббса образования веществ, участвующих в данной реакции. Химическое равновесие 1. Константа равновесия реакции * 2 * при 693 К + , 50,25. Вычислите массу образующегося иодида водорода, если в сосуд вместимостью 10 -3 м 3 введено 0,846·10 -3 кг йода и 0,0212·10 -3 кг водорода. 2. Зависимость константы равновесия реакции 2 от температуры выражается уравнением #-+ 3724 9,13#- 0,00308 3,401 определите: 1) константу равновесия реакции при 800 К; 2) постройте график #-+ / в пределах температур от 700 до 900 К; 3) укажите, как изменяется константа равновесия при повышении температуры; 4) определите тепловой эффект реакции при 800 К; 5) сопоставьте тепловой эффект, вычисленный в п. 4, с тепловым эффектом, вычисленным по закону Кирхгофа при температуре 800 К. 3. Тепловой эффект реакции 2 " 28 в зависимости от температуры меняется примерно линейно и при 700 К равен 225,20·10 3 Дж/моль. Температурный коэффициент теплового эффекта этой реакции равен 6,573 Дж/моль·К. Определите константу равновесия реакции при 1500 К, если + 0,122 1,353·10 - 9 4. Для реакции 12 = 21 приводятся константы равновесия при нескольких температурах: T, K 950 1050 1150 1250 + · 10 3 1,134 7,316 33,833 127,122 Постройте график #-+ 0 / 1/ , определите графически тепловой эффект реакции в изученном диапазоне температур. Составьте уравнение вида #-+ 0 / 1/ , в температурном интервале 950-1250 К. 5. Рассчитайте константу равновесия К с реакции А+4В=D, если объем реакционного сосуда V = 0,05 м 3 Растворы 1. В 1·10 -3 м 3 раствора бромида натрия содержится 0,3219 кг 45. Плотность раствора при 293 К равна 1238,2 кг/м 3 . Выразите концентрацию раствора: 1) в молях соли в 110 раствора; 2) вмолях соли на 1 кг воды; 3) в молярных долях; 4) в процентах; 5) вмолях воды на 1 моль 45. 2. При 283 К плотность ) равна 0,7936 г/см 3 , плотность воды – 0,9991 г/см 3 , плотность 50%-кого раствора спирта в воде – 0,9179 г/см 3 . Определите величину сжатия при смешении 50 г спирта с 50 г воды, если удельный объем воды при этом изменяется. Сравните удельный объем чистого спирта с его удельным объемом в растворе. 3. Определить тепловой эффект разбавления раствора NaOH, содержащего 30,8 % NaOH, до содержания его 0,443 %. 4. Как изменится соотношение давлений пара над раствором и растворителем, если растворенное вещество диссоциировано на 80% и распадается на два иона и если это вещество не диссоциировано. Давление водяного пара раствора, содержащего нелетучее растворенное вещество, на 2 % ниже давления пара чистой воды. 5. Температура кипения чистого CS 2 319,2 К. Раствор, содержащий 0,217·10 -3 кг серы в 1,918·10 -2 кг CS2, кипит при 319,304 К. Эбулиоскопическая константа сероуглерода 2,37°. Определите число атомов, которое содержится в молекуле серы, растворенной в сероуглероде, если атомная масса серы 32. 6. Раствор, содержащий 1,632- Ю- 3 кг трихлоруксусной кислоты в 0,1 кг бензола, кристаллизуется при температуре на 0,350° ниже, чем чистый бензол. Определите, происходит ли диссоциация или ассоциация трихлоруксусной кислоты в бензольном растворе и в какой степени. Молярное понижение температуры кристаллизации бензола равно 5,16°. 7. Определите процентный состав и молекулярную массу углеводорода на основании следующих данных: из 0,2·10 -3 кг вещества образуется 0,687·10 -3 кг СО, и 0,1125·10 -3 кг Н 2 О; температура замерзания раствора, содержащего 0,0925·10 -3 кг вещества в 0,01 кг 29 бензола, ниже температуры замерзания бензола на 0,354°. Криоскопическая постоянная К Для бензола 5,16°. Фазовое равновесие 1. По зависимости давления насыщенного пара от температуры и плотности данного вещества с молекулярной массой М=18 в твердом и жидком состояниях (6 тв 918 и 6 ж 1000 кг/м 3 ) в тройной точке: Твердое состояние Жидкое состояние Т, К Р, Па Т, К Р, Па 268,2 401,2 269,2 505,0 269,2 437,2 272,2 533,2 270,2 475,9 273,2 573,0 271,2 517,2 275,2 656,0 272,2 533,3 278,2 760,0 - - 283,2 982,0 - - 288,2 1600,0 1) постройте график зависимости #- / 1/ ; 2) определите по графику координаты тройной точки; 3) рассчитайте среднюю теплоту испарения и возгонки; 4) постройте график зависимости давления насыщенного пара от температуры; 5) определите теплоту плавления вещества при температуре тройной точки; 6) вычислите 6 /6 для процесса плавления при температуре тройной точки; 7) вычислите температуру плавления вещества при давлении Р=200·10 5 Па; 8) вычислите изменение энтропии, энергий Гиббса и Гельмгольца, энтальпии и внутренней энергии для процесса возгонки 1 моль вещества в тройной точке. 2. При температуре 288,2 Кдавление пара раствора концентрации 0,5 % (масс.) неизвестного нелетучего вещества (молекулярная масса растворителя 18) в жидком растворителе равно 1598 Па; плотность этого раствора 6 1,000 кг/м 3 . Зависимость давления насыщенного пара от температуры над жидким и твердым чистым растворителем приведена в таблице в условиях предыдущей задачи: 1) вычислите молекулярную массу растворенного вещества; 2) определите молярную и моляльную концентрации раствора; 3) вычислите осмотическое давление раствора; 4) постройте кривую / для данного раствора и растворителя; 5) определите графически температуру, при которой давление пара над чистым растворителем будет равно Па; 6) определите графически повышение температуры кипения при давлении раствора данной концентрации ; 7) вычислите эбуллиоскопическую постоянную всеми возможными способами и сравните эти величины между собой при нормальной температуре кипения; 8) определите понижение температуры замерзания раствора; 9) вычислите криоскопическую постоянную. Химическая кинетика Формальная кинетика 1. Превращение пероксида бензоила в диэтиловый эфир (реакция первого порядка) при 333 К прошло за 10 мин на 75,2 %. Вычислите константу скорости реакции. 30 2. Константа скорости реакции омыления этилацетата едким натром при 283 К равна 2,38, если концентрацию выражать в моль/л, а время – в минутах. Вычислите время, необходимое для омыления 50 % этилацетата, если смешать при 289 К: 1 м 3 0,05 н. раствора этилового эфира уксусной кислоты с 1) 1 м 3 0,05 н. NaOH; 2) с 1 м 3 0,1 н. NaOH; 3) с 1 м 3 0,04 н. NaOH. Реакция - второго порядка. 3. Раствор уксусноэтилового эфира при 27 – 0,01 г-экв/л 293 К омыляется 0,002 г-экв/л ( 2 ) раствором едкого натра за – 23 мин на 10 %. За какое время тот же раствор эфира омыляется на 10 % растворами NaOH концентрации 2 = 0,004; 2" = 0,006; 2) = 0,008 и 2! = 0,1 г-экв/л? 4. Раствор (20 %) тростникового сахара, имевший правое вращение 34,50°, инвертируется в 0,5 н молочной кислоте при 298 К. Вращение раствора по истечении 1435 мин достигает +31,10°, после 11360 мин оно составляет +13,98° и, наконец, после полной инверсии равно -10,77°. Раствор тростникового сахара вращает плоскость поляризации вправо, а смесь продуктов инверсии влево. Угол вращения в обоих случаях пропорционален концентрации растворенных веществ. Реакция протекает по уравнению первого порядка. Вычислите константу скорости инверсии и определите, сколько времени потребуется, чтобы инверсии подвергалось 90 % сахара. 5. Фенилдиазохлорид разлагается по уравнению ! ) # ! ) # При 323 К и начальной концентрации 10 г/л были получены следующие результаты: ф, мин 6 9 12 14 18 22 24 26 30 ∞ V 2 , см 3 19,3 26,0 32,6 36,0 41,3 45,0 46,5 48,3 50,4 58,3 Определить порядок реакции и константу реакции. Сложные реакции 1. Превращение роданида аммония " & в тиомочевину & – обратимая мономолекулярная реакция. Рассчитайте константу скорости прямой и обратной реакций при 425 К, используя следующие данные: ф, мин 0 5 12 19 28 38 48 60 78 80 ∞ " &, % 2,0 3,8 6,2 6,1 8,2 10,4 12,3 13,5 14,5 21,2 21,2 При достижении состояния равновесия 21,2 % роданида аммония превращается в тиомочевину. 2. Реакция термического крекинга нефти относится к консекутивной реакции, причем бензин является промежуточным продуктом, распадающимся на газообразные вещества. Определите максимальную концентрацию бензина и время ее достижения при крекинге 1 т нефти, если при 673 К константа образования бензина 8 7 0,283 ч -1 а константа распада бензина 8 0,102 ч -1 3. Последовательная реакция первого порядка протекает по схеме 9 : ; < : = < 4 При 298 К удельная скорость реакции 9 < равна 0,1 мин -1 , а реакции < 4 – 0,08 мин - 1 . Начальная концентрация исходного вещества равна 1,3 моль/л. Вычислите: 1) коэффициенты максимума кривой > ? / ф (максимальную концентрацию промежуточного продукта и время ее достижения); 2) время достижения ф 7 концентрации исходного вещества 0,015 моль/л; 3) концентрации промежуточного и конечного соединений в момент времени ф 7 ; 4) время, за которое концентрация |