ОСНОВЫ ХИМИЧЕСКОЙ ТЕРМОДИНАМИКИ

Задание 1.1. Определение тепловых эффектов химических реакций

Вычислите тепловой эффект образование вещества А из простых веществ при температуре 298 К и стандартном давлении, если известна его энтальпия сгорания при этой температуре и стандартном давлении (табл.  1). При вычислении следует принять, что конечные продукты сгорания CO_2(г), H₂O_(ж), N_2(г).

Таблица 1

Номер варианта	Вещество А	Формула	Состояние	ΔН сгор, кДж/моль
3	Ацетальдегид	C2H4О	г	-1193,07

 

Задание 1.2. Определение возможности протекания химической реакции в стандартных и нестандартных условия.

Выполните следующие девять заданий для данной реакции (табл. 2) (справочные величины, необходимые для расчетов, возьмите в прил. 1):

1. По значениям стандартных энтальпий образований участвующих в реакции веществ ΔHº_f298 вычислите тепловой эффект реакции при стандартных условиях ΔНº₂₉₈. Выделяется или поглощается тепло при протекании реакции? Эндо- или экзо- термической является данная реакция?
2. Для исходных веществ и продуктов реакции определите величины средних теплоемкостей C_p в диапазоне температур 298-T и изменение теплоемкостей ΔС_p в ходе реакции. Пользуясь законом Кирхгофа, вычислите тепловой эффект реакции ΔHº_τ при температуре Т и стандартном давлении с учетом величины ΔС_р.
3. Выведите для реакции функциональную зависимость изменения молярной изобарной теплоемкости от температуры: ΔСº_р = f(T)
4. Вычистите величину ΔHº_T, пользуясь законом Кирхгофа и установленной функциональной зависимостью ΔСº_р = f(T). Как влияет увеличение температуры на величину теплового эффекта реакции?
5. Качественно оцените знак изменение энтропии ΔS при протекании реакции. Объясните полученный результат. По значениям стандартных энтропий участвующих в реакции веществ Sº₂₉₈ вычислите изменение энтропии реакции при стандартных условиях Sº
6. Используя функциональную зависимость ΔС_рº = f(T), вычислите изменение энтропии реакции ΔSº_T при температуре Т и стандартном давлении. Как влияет повышение температуры на величину ΔSº_T?
7. Качественно оцените вероятность самопроизвольного протекания реакции при высоких и низких температурах. Вычислите изменение энергии Гиббса ΔGº₂₉₈ реакции, протекающей при стандартных условиях. Возможно ли самопроизвольное протекание процесса при стандартных условиях? Определите температуру Т₀, при которой реакция меняет свое направление.
8. Вычислите изменение энергии Гиббса ΔGº_T реакции, протекающей при стандартном давлении и температуре Т, считая, что ΔHº_T и ΔSº_T не зависят от температуры (метод Улиха). Постройте график зависимости ΔGº_T от температуры. Сделайте вывод о влиянии температуры на вероятность самопроизвольного протекания процесса в прямом направлении.
9. Вычистите изменение энергии Гиббса ΔGº_T реакции, протекающей при температуре Т и стандартном давлении, учитывая зависимость ΔHº_T и ΔSº_T от температуры. Сравните полученные значения ΔGº_T с величиной изменения энергии Гиббса, рассчитанной по методу Улиха, и оцените их расхождение.

Таблица 2

Номер варианта	Реакция	Т,К
3	2KOH(т) + CO2(г) = K2CO3(т) + H2O(г)	400

 

Задание 1.3 Химическое равновесие

Газообразные вещества А и Б реагируют с образованием газообразного вещества B(табл. 3).

Таблица 3

Номер варианта	Уравнение реакции
3	3А + Б =2В

 

Выполните следующие задания для данной реакции:

1. Выразите константы равновесия K_p и К_с через равновесное количество вещества В, равное х, если исходные вещества А и Б взяты в стехиометрических, количествах при общем давлении в системе Р и температуры Т,К.
2. Рассчитайте К_р и К_с при Т=300К, если Па, х=0,45.
3. Вычислите равновесное количество вещества В при давлении в системе и температуре Т=300К.
4. Рассчитайте степень превращения веществ А и Б при Т=300К.

 

 

Модуль 2 Термодинамика растворов. Фазовые равноесия

Задание 2.1. Определение фазового равновесия в однокомпонентных системах. Построение диаграмм состояния однокомпонентных систем

Используя зависимости давления насыщенного пара данного вещества от температуры и плотности в твердом ρ_(т) и жидком ρ_(ж) состоянии  в тройной точке, выполните следующие задания:

1. Постройте графики зависимостей P = f(T) и lnP=f(1/T), обозначьте поля, соответствующее твердому, жидкому и газообразному состояниям вещества.
2. Определите по графикам координаты тройной точки.
3. Рассчитайте средние теплоты испарения ΔH_исп и возгонки ΔH_возг
4. Определите теплоты испарения, возгонки и плавления вещества при температуре тройной точки.
5. Определите приближенно температуру кипения вещества при нормальном давлении и проверьте применимость правила Трутона.
6. Вычислите температуру плавления вещества молярной массой М при давлении Р.

Необходимые данные для расчета возьмите в табл. 4.

Таблица 4

№ варианта	Твердое состояние		Жидкое состояние		Условия
	Т,К	Р, Па	Т,К	Р, Па
3	377 381 383 386 389 392	7064 8531 9331 10397 11997 13997	373 388 392 393 397 401	10662 12397 13997 14796 16929 19462	М =254 г/моль Р=200*105па ρ(т)=3960 кг/м3 ρ(ж) =3900кг/м3

 

Задание 2.2. Определение фазового равновесия в двухкомпонентных системах. Построение диаграмм состояния двухкомпонентных систем

На основании данных о температурах начала кристаллизации системы (табл. 5) выполните следующие задания:

1. Постройте диаграмму состояния.
2. Определите составы химических соединений.

Таблица 5

Номер варианта, система	Содер- жание вещества А, мол. %	Темпер. начала крист., К	Содер- жание вещества А, мол. %	Темпер. начала крист., К	Т1, К	Т2,К	Содер- жание вещества А, мол. %
							a	b	c	d
3 A –KCl Б –MnCl2	0 8 15 25 34 36 38 40	923 895 865 715 745 722 735 747	50 60 65 66 75 85 100	769 731 705 701 705 925 1047	873	733	40	10	40	80

 

3. Определите качественные и количественные составы эвтектик.
4. Определите, в каком физическом состоянии находятся системы, содержащие b, c, d % вещества А при температуре Т₁.

Что произойдет с этими системами, если их охладить до температуры Т₂?

5. Определите число фаз и число степеней свободы системы при эвтектической температуре и содержании А: а) 95%; б) 5%
6. Определите, при какой температуре начнет отвердевать расплав, содержащий b % вещества А. При какой температуре он отвердеет полностью? Каков состав первых выпавших кристаллов?
7. Определите, при какой температуре начнет плавиться сплав, содержащий С% вещества А? при какой температуре он расплавиться полностью? Каков состав первых капель расплава?
8. Определите, какой компонент и в каком количестве выкристаллизуется, если 2 кг расплава, содержащего а% вещества А, охладить от Т₁ до Т₂.

 

Модуль 3 Кинетика химических реакций. Катализ

Задание 3.1. Определение кинетических характеристик  простых односторонних реакций.

Для реакции (табл. 6) определите порядок и константу  скорости всеми возможными способами, пользуясь данными о ходе процесса во времени t

Таблица 6

Номер варианта	Реакция, параметры, условия протекания	t, мин	Результат контроля за ходом реакции
3	CO+ Cl2 → COCl2 P – общее давление системы, кПа V=const	0 5 10 15 21	P 96,5 90 82,9 77,9 73,5

 

 

Задание 3.2. Определение кинетических характеристик сложных последовательных реакций

Последовательная реакция первого порядка протекает по схеме

А→Б→В

При температуре 298 К константа скорости реакции А→Б равна k₁, а реакция Б→В равна k₂. Начальная концентрация исходного вещества [A]₀. Вычислите:

• Координаты максимума кривой [Б] = f(t) (максимальную концентрацию промежуточного продукта [Б] max и время ее достижения t max);
• Время t₁, когда концентрация исходного вещества достигнет значения [A]₁;
• Концентрации вещества [Б] и [В] в момент времени t₁;
• Время t₂, за которое концентрация промежуточного вещества станет [Б]₁;
• Координаты точки перегиба ([B]пер, t₃) кривой [B]=f(t);
• Точку пересечения кривых [A] = f(t) и [Б] = f(t).

По полученным данным постройте графики [A] = f(t), [Б]=f (t) и [B]=f(t), представив результаты расчетов в виде таблицы:

tmax, мин	[Б]max, моль/л	t1, мин	[Б]0, моль/л	[В]t, моль/л	t2, мин	[В]пер, моль/л	t3, мин	[Б]=[A], моль/л	t4, мин

Необходимые для расчета данные возьмите в табл. 7

Таблица 7

Номер варианта	[А]0, моль/л	[А]1, моль/л	[Б]1, моль/л	k1, мин-1	k2, мин-1
3	1,4	0,002	0,03	0,12	0,05

 

Задание 3.3. Определите энергии активации и других кинетических констант химических реакций.

Используя значения констант скорости k₁ k₂ реакции при двух различных температурах Т₁ и Т₂ (табл. 5), вычислите:

• Энергию активации реакции;
• Константу скорости при температуре Т₃;
• Степень превращения исходного вещества к моменту времени t (C₀— начальная концентрация);
• Температурный коэффициент скорости реакции, проверьте применимость правила Вант-Гоффа.

Порядок реакции считайте равным молекулярности. Константы скорость для реакций первого, второго и третьего порядков соответственно  имеют следующие размерности: мин^-1; ;

Таблица 5

№ варианта	Реакция	Т,К	k1	Т2,К	k2	Т3,К	t,мин	Со, кмоль/м3
3	C2H5I + NaOH →C2H5OH + NaI	288,8	0,00005	363,6	0,119	305,0	30	0,8

 

Модуль 4 Основы электрохимии

Задание 4.1. Определение электропроводности растворов сильных и слабых электролитов. Применения законов Оствальда и Кольрауша

Используя данные о свойствах раствора вещества А в воде (табл.9) выполните следующие задания:

1. Построите графики зависимости удельной и эквивалентной электрических подвижностей растворов вещества А от разведения (1/с).
2. Проверьте, подчиняются ли растворы вещества А в воде законам Оствальда и Кольрауша.

Таблица 9

Номер варианта	Вещество	Сопротивление раствора ρ, Ом*м, при концентрации с, моль-экв/л
		0,001	0,002	0,003	0,005	0,01	0,02	0,03	0,05	0,1
3	HNO2	52,7	—	26,8	20,4	13,4	—	7,5	5,7	4,32

3. Вычислите для раствора вещества А эквивалентную электрическую проводимость при бесконечном разведении и сопоставьте результат со справочными данными.

Предельные эквивалентные электропроводимости ионов в водных растворах и константы диссоциации слабых электролитов при 298 К приведены в прил. 2 и 3.

 

 

Задание 4.2. Определение ЭДС и других термодинамических характеристик гальванического элемента

Для реакции, протекающей обратимо в гальваническом элементе, дано уравнение зависимости ЭДС от температуры (табл.10).

При заданной температуре Т вычислите ЭДС Е, изменение энергии Гиббса ΔG, изменение энтальпии ΔH, изменение энтропии ΔS, изменение энергии Гельмгольца ΔА и теплоту Q, выделяющуюся или поглощающуюся в этом процессе. Расчет производите на 1 моль реагирующего вещества.

Номер варианта	Реакция	Уравнение E=f(T)	T,К
3	Zn+Hg2SO4 = ZnSO4 + 2Hg	E=1,4328 – 1,19*10-3(Т-298)	278