Алтайский Государственный Медицинский
Университет
Фармацевтический факультет
Кафедра обшей химии
Контрольная работа № 1
по физической и коллоидной
химии
3-го курса з/о фармацевтического
факультета
номер варианта 9
2007
Задача
1
Первый закон термодинамики. Математическая
запись, формулировки. Смысл внутренней
энергии, работы, теплоты.
Решение:
, где
- теплота полученная (выделенная) системой,
- изменение внутренней энергии системы,
- работа.
Первое начало термодинамики непосредственно
связано с законом сохранения
энергии – в любой изолированной
системе запас энергии остается
постоянным, таким образом
- разные формы энергии переходящие
друг в друга в строго эквивалентных количествах.
Это можно сформулировать как – невозможность
вечного двигателя первого рода.
- внутренняя энергия вещества (или
системы) – кинетическая или потенциальная
энергия частиц, за вычетом кинетическая
или потенциальная энергии системы как
целого.
- работа, в термодинамике, это работа
газа против внешних сил (расширение или
сжатие газа). Внутренняя энергия – функция
состояния, т.е. ее изменение
не зависит от пути процесса, в отличие
от
и
, которые функциями состояния не являются.
Задача
2
Правило фаз Гиббса. Раскрыть содержание
понятий: независимый компонент, фаза,
степень свободы.
Решение:
Правило фаз Гиббса или основной
закон фазового равновесия, является
одним из важнейших применений второго
начала термодинамики к описанию
превращений в гетерогенных системах.
Число степеней свободы (число независимых
переменных) равновесной термодинамической системы
равно:
, где
- число независимых компонентов,
- число фаз. Число степеней свободы характеризует
вариантность системы в пределах неизменности
числа и природы фаз. Фазой называют совокупность гомогенных
частей системы, одинаковых по составу
и свойствам и отделенных от других частей
поверхностью. Наименьшее число составляющих
веществ, через которые можно выразить
состав любой фазы, называется числом независимых
компонентов в данной системе (число
независимых компонентов равно числу
веществ в равновесной системе минус число
уравнений, связывающих их концентрации).
Задача
3
Электроды сравнения. Стандартный
водородный электрод: устройство, работа,
определение потенциалов электродов с
помощью СЭВ.
Решение:
Потенциал электродного процесса описывается
уравнением Нернста:
,
где
- стандартный электродный потенциал
данного процесса,
и
- концентрации веществ участвующих
в процессе.
Для построения численной шкалы
электродных потенциалов, необходимо
потенциал какого-либо процесса принять
равным нулю. В качестве эталона принят
электродный процесс 2H+ + 2e-
= H2 , который осуществляется на водородном
электроде. Последний представляет
собой платиновую пластинку, электролитически
покрытую губчатой платиной и погруженную
в раствор кислоты, через которую пропускают
газообразный водород, так чтобы он
обтекал платиновый электрод. Водород
хорошо растворяется в платине, при этом
молекулы водорода частично распадаются
на атомы и на поверхности соприкосновения
платины с кислотой, протекает процесс
2H+ + 2e- = H2 . Платина при
этом практически не принимает участие
в электродных реакциях и потенциал водородном
электроде воспроизводится с очень высокой
точностью.
При н.у. (температуре и давлении)
уравнение Нернста для данного процесса
примет вид:
или
, т.к. стандартный потенциал принят
за ноль
.
Для определения потенциала того или
иного электродного процесса нужно составить
гальванический элемент из испытуемого
и стандартного водородного электрода,
тогда измеренное напряжение будут представлять
потенциал данного электродного процесса.
На практике в качестве электродов
сравнения используются не стандартным
водородным электродом, а другими, более
удобными в обращении, потенциалы которых
по отношению к СВЭ известны, например хлорсеребряный
и каломельный
электроды.
Задача
4
Методы определения порядка
реакции.
Решение:
Если реакция является элементарной: aA + bB
→ продукты
или формально простой, но подчиняется
кинетическому уравнению для
элементарной реакции, то порядок реакции
по веществам A и B равен стереохимическим коэффициентам
в уравнении, а общий порядок равен их
сумме:
.
Для сложных реакций: νAA + νBB + …→ продукты
показатель степени молярной концентрации,
например реагента B в выражении для скорости реакции
называется порядком реакции по реагенту B.
Общий порядок реакции по всем реагентам:
Порядком реакции определяется экспериментально.
Для того, чтобы определит порядком реакции
по реагенту A, выражение для скорости реакции
, логарифмированием преобразуют к
виду:
.
Измеряя скорость реакции в зависимости
от концентрации реагента
при постоянных значениях остальных
реагентов (в данном случаи,
) порядком реакции по реагенту легко
находится из тангенса угла наклона прямой, построенной
в логарифмических координатах.
Задача
5
Энтальпии сгорания
глюкозы, β-фруктозы и сахарозы при 25°С
равны -2802, -2810, -5644 кДж·моль-1
соответственно. Рассчитать теплоту гидролиза
сахарозы.
Дано:
C6H12O6
– глюкоза
кДж
C6H12O6
– фруктоза
кДж
C12H22O11
– сахароза
кДж
___________________
- ?
Решение:
Теплотой образования (энтальпией)
данного соединения называют тепловой
эффект реакции образования 1 моль этого
соединения из простых веществ.
Для решения, используем следствие
из закона Гесса:
(1).
Тогда для реакций горения
запишем следующие
Глюкоза: C6H12O6
+ 6O2 = 6CO2↑ + 6H2O
Фруктоза: C6H12O6
+ 6O2 = 6CO2↑ + 6H2O
(2)
Сахароза: C12H22O11
+ 12O2 = 12CO2↑ + 11H2O
Учитывая, что энтальпии
простых веществ равны нулю, и
полагая теплоту образования воды и углекислого
газа известной, имеем из формул (2)
(3)
Для реакции гидролиза
C6H22O11 + H2O
= C6H12O6 + C6H12O6
(4),
подставляя в (4) соответствующие
формулы (3) видим, что
и
сокращаются
(5)
Тогда численно:
кДж.
Выражение (5)
можно было получить “сразу” из следующего
рассуждения: при сгорании сахарозы должна
выделяться энергия равная энергии сгорания
ее составляющих (глюкозы и фруктозы) плюс
энергия связи между ними.
Ответ:
кДж.
Задача
6
Определить атмосферное давление,
если раствор 51,3 г сахара C12H22O11
в 120 г воды закипает при 99,5°С. Давление
пара чистой воды при данной температуре
95540 н/м2.
Дано:
н/м2
г
г
г/моль
г/моль
___________________
- ?
Решение:
Условие закипания
– давление насыщенного пара при
данной температуре равно атмосферному
давлению (
(1)). Считая раствор идеальным, используем
уравнение Рауля
или
(2), где
- давление пара над чистым растворителем,
- молярная доля растворителя, а
- молярная доля растворенного вещества
в растворе.
Однако данный
раствор нельзя считать предельно разбавленным,
т.е. приближение
нельзя использовать.
Рассчитаем
.
Из условия
(1) и уравнения (2) получим:
н/м2.
Ответ:
н/м2.
Задача
7
При кондуктометрическом
титровании 25 мл соляной кислоты
раствором 1н KOH были получены следующие
результаты
Объем 1н
KOH, мл
3,2 6,0
9,2 15,6
20,0 23,5
Удельная
электрическая
проводимость,
Ом-1·см-1 3,2
2,56 1,86
1,64 2,38
2,96
Определить
нормальность соляной кислоты.
Дано:
мл
н
, мл |
3,2 |
6,0 |
9,2 |
15,6 |
20,0 |
23,5 |
, Ом-1·см-1
|
3,20 |
2,56 |
1,86 |
1,64 |
2,38 |
2,96 |
___________________
- ?
Решение:
Данной реакции
нейтрализации сильной кислоты
сильным основанием, в результате
которой образуется вода, соответствует
ионное уравнение:
H+ + Cl-
+ K+ + OH- → H2O + K+
+ Cl-
При титровании
до точки эквивалентности, электрическая
проводимость раствора обеспечивается
ионами K+, Cl- и H+. Ионы
H+ обладают наиболее высокой подвижностью,
но в процессе титрования их число уменьшается
и электрическая проводимость раствора
уменьшается. При избытке основания электрическая
проводимость раствора определяется ионами
K+, Cl- и более подвижным OH-.
С дальнейшим увеличением количества
щелочи проводимость возрастает. Минимум
на экспериментальной кривой отвечает
точке эквивалентности. По графику (см.
следующую страницу), с помощью линейной
экстраполяции находим соответствующий
минимуму электропроводности объем
мл - это объем KOH необходимый для полной
нейтрализации кислоты.
Тогда имеем:
н.
Ответ:
н.
Задача
8
Температура замерзания 10%-ного раствора
H2SO4 равна -5,5°С. Вычислить
кажущуюся степень диссоциации кислоты
в этом растворе (
).
Дано:
°С
°С
- криоскопическая константа воды
г/моль
___________________
- ?
Решение:
Процентная
массовая доля
.
Температура кристаллизации чистой воды
0°С, следовательно
°С.
По закону Рауля понижение температуры
кристаллизации раствора по сравнению
с
температурой кристаллизации растворителя
выражается уравнением
(1),
где
- криоскопическая константа,
- моляльность раствора электролита.
Для не электролита, моляльность
(2), где
- масса вещества растворенного
в массе
- растворителя. Для полностью диссоциировавшего
электролита
(3).
Число молей, на которые диссоциирует
один моль серной кислоты H2SO4
= 2H+ + SO4-2
.
Степень диссоциации
.
Из (1)
моль/г. Из (3) и (2)
моль/г.
Тогда
.
Ответ:
.
Задача
9
В состоянии
равновесия системы N2 + 3H2
= 2NH3 концентрации компонентов оказались
равными [N2] = 0,3 моль/л; [H2] =
0,9 моль/л; [NH3] = 0,4 моль/л. Вычислить
константу равновесия и исходные концентрации
азота и водорода.
Дано:
моль/л
моль/л
моль/л
моль/л
___________________
,
,
- ?
Решение:
Константа равновесия
системы
Изменение числа
молей реагирующих газов, в течении
реакции составило:
моль, т.е. сместить равновесие данной
реакции можно меняя давление. Если реакция
протекает при постоянном объеме
(например в герметичном сосуде), то
исходные концентрации рассчитываются
из условия
.
Для образования
1 моль аммиака необходимо 0,5 моль азота,
тогда:
моль/л.
Для образования
1 моль аммиака необходимо 1,5 моль водорода,
тогда:
моль/л.
Ответ:
моль/л
моль/л