По физической и коллоидной химии

 

 

Рекомендовано в качестве учебного пособия Редакционно-издательским советом Томского политехнического университета

 

 

Издательство

Томского политехнического университета

2012

УДК 541.1 (075.8) ББК 24.5Я73

М 695

 

 

Ми х еева Е.В., Асташкина А.П.

М695               Сборник задач по физической и коллоидной химии:

учебное пособие / Е.В.Михеева, А.П.Асташкина; Томский политехнический университет. – Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2012. – 193 с.

 

В сборник вошло более 600 задач по основным разделам дисци- плины «Физическая и коллоидная химия».

Каждый раздел включает в себя краткую теоретическую часть, примеры решения типовых задач и задачи для самостоятельного реше- ния. Наличие большого числа задач по каждой теме позволит препода- вателям организовать самостоятельную аудиторную и внеаудиторную работу студентов.

Сборник задач подготовлен на кафедре физической и аналитиче- ской химии Института природных ресурсов Томского политехническо- го университета, соответствует программе дисциплины «Физическая и коллоидная химия».

 

У ДК 541.1 (075.8) ББК 24.5Я73

 

Р ецензенты

Доктор химических наук, профессор ТГУ

В. И. Отмахов

 

 

Кандидат технических наук, доцент ТГПУ

А. С. Ситников

 

© ФГБОУ ВПО НИ ТПУ, 2012

© Михеева Е.В., Асташкина А.П. 2012

©  Обложка.  Издательство  Томского политехнического университета, 2012

Введение

Настоящий сборник задач предназначен в качестве учебного по-

собия для студентов всех геологических, геохимических и нефтедобы- вающих специальностей  Института природных ресурсов Томского по- литехнического университета, изучающих дисциплину «Физическая и

коллоидная химия». Авторы попытались составить современный сбор- ник, который отвечал бы требованиям организации как аудиторной, так и самостоятельной работы студентов.

Курс «Физическая и коллоидная химия» является общепрофесси- ональной дисциплиной, имеющей большое значение для создания ба- зовой основы изучения специальных дисциплин.

К главным задачам физической химии можно отнести изучение и объяснение  основных  закономерностей,  определяющих  направлен-

ность процессов, скорость их протекания, влияния на них среды, при- месей, условия получения максимального выхода необходимых про- дуктов. Основными направлениями физической химии является изуче- ние строения вещества и его свойств в различных агрегатных состоя- ниях:  химическая термодинамика,  включая  термохимию и  учение о

равновесиях; растворы; электрохимия; кинетика химических реакций.

Коллоидная химия – самостоятельная область физико-химической науки, изучающая процессы образования и разрушения дисперсных систем, а также их характерные свойства, связанные с поверхностными явлениями на границах раздела фаз в этих системах.

Учение о коллоидах земной коры, представляющее один из разде-

лов геологической науки, основывается на использовании важнейших положений коллоидной химии для познания природы минеральных коллоидов и преобразования их в различных условиях. В геологии и геофизике методы исследования грунтов и минералов, разведки полез- ных ископаемых, многие теории строения геологических структур и их генезиса тесно связаны с коллоидно-химическими процессами. При решении задач студенты овладевают знаниями законов, которым под- чиняются гетерогенные дисперсные системы и умением количественно характеризовать и описывать их свойства. Это создаст фундамент для дальнейшего освоения дисциплин специализации.

В основу настоящего сборника вошли задачи из «Сборника задач по  химической  термодинамике»  А.Г.Стромберга,  Х.А.Лельчук,

А.И.Картушинской. Настоящий сборник дополнен задачами, изложен-

ными в задачниках, приведенных в перечне используемой литературы, а также задачами, составленными авторами с использованием экспе- риментальных данных из оригинальных статей и монографий. Авторы

стремились, чтобы основные вопросы физической и коллоидной химии нашли отражение в соответствующих числовых заданиях и примерах, которые используются для организации самостоятельной работы сту- дентов.

Задачник состоит из 27 параграфов, содержащих более 600 задач. В начале каждого параграфа приведен краткий теоретический матери-

ал, в котором большое внимание уделяется тем специфическим вопро- сам, которые недостаточно полно описаны в учебниках, приведены ос- новные формулы для расчетов, представлены необходимые графиче- ские зависимости, приведены примеры решения типовых задач. Далее по каждой теме представлено по 20-30 задач для самостоятельного ре- шения студентами.

Авторы надеются, что настоящее пособие будет полезно и препо- давателям при организации самостоятельной работы студентов.

Авторы будут признательны за критические замечания и пожела- ния, направленные на улучшение пособия.

Х ИМИ ЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНИМИКА

 

§ 1. Расчет тепловых эффектов химических реакций по стандартным теплотам образования

 

 

f, 298

С т а ндартная теплота образования   (D H 0

) – тепловой эф-

фект химической реакции образования 1 моль вещества из простых веществ при стандартных условиях.

Индекс f обозначает «formation – образование».

Стандартные  условия:   Т  =25°С  =  298К,  р  =  1атм  =  760  мм рт.ст.= = 1,013·10 5 П а.

Например, образование сульфата алюминия из простых веществ можно теоретически представить в виде следующей реакции:

2  A l +  3   S

+ 6 O

=  Al

(S O)

, D H 0

(  Al

(S O)

) = -3441,8 к Д ж   / моль

2  2          2

2       4  3

0

f,298    2      4  3

Численные значения

D H f, 298  для различных веществ приводятся в

справочниках. Для простых веществ (N 2, O 2, H 2, C, Cl 2) стандартные

теплоты образования равны нулю (

0

D H    =

f, 298

0).

 

 

Первое следствие из закона Гесса: тепловой эффект химической реакции  равен разности  между суммарными  теплотами образования продуктов реакции и суммарными теплотами образования исходных веществ:

D H r

= ån  j   D H f, про д - ån  i   D H f, и с х.         (1.1)

0                          0                                  0

 

j                                   i

Например, для реакции

0

4 N H 3 (г) + 3 O 2 (г) = 2 N 2 (г) + 6 Н 2 О (ж) + D H х. р.,

тепловой эффект химической реакции можно рассчитать:

0                0                                      0                             0                                 0

D H r

= 6D H f (H   2 O ж) + 2D H f (  N 2) - 4D H f (N H   3) - 3D H f (O 2) =

= 6 × (-285,8) + 2 × 0 - 4 × (-45,9) - 3 × 0 = -1531,2 к Д ж.

 

П р имер:

Примеры решения задач

Вычислите тепловой эффект химической реакции

4 N H 3 (г) + 3 O 2 (г) = 2 N 2 (г) + 6 Н 2 О (г)

по стандартным теплотам образования при 298 К: а) при р=const;

б) при V=const.

Р ешение:

1.  Согласно справочным данным

 

 

Вещество	D H 0    , Дж/моль f, 298
N H 3 (г)	–45,9
О 2 (г)	0
N 2 (г)	0
Н 2 О (г)	–241,8

 

Тепловой эффект химической реакции при   р=const   можно рас- считать:

0               0                                        0                             0                                  0

D H r

= 6D H f (H 2 O (г))   + 2D H f (N 2 )   - 4D H f (NH 3 )   - 3D H f (O 2 ) =

= 6 ×  ( -241, 8 ) + 2 × 0 - 4 ×  ( -45, 9 ) - 3 × 0 = -1267, 2 кДж.

 

 

2.  При V=const:

D U = D H - Dn RT

прод

Dn = ån  г а з

D U = D H - Dn RT

- ån  г а з   =  ( 2 + 6 ) -  ( 4 + 3  ) = 1

и с х

= -1267200 -1× 8, 314 × 298 = -1269678 Дж = -1269, 7 к Д ж

 

Задачи для самостоятельного решения

 

 

Согласно своему варианту вычислите тепловой эффект химиче- ской реакции по стандартным теплотам образования при 298 К:

а) при р = const;

б) при V = const.

Стандарные теплоты образования участников реакции возьмите из справочных данных (Приложение 1).

 

Вариант	Уравнение реакции
1.	4 N H 3 (г) + 5 O 2 (г) = 4 N O (г) + 6 Н 2 О (г)
2.	4 Н C l (г) +  О 2 (г) = 2 Н 2 О (г) + 2 C l 2 (г)
3.	C a C O 3 (т) = C a O (т) + C O 2 (г)
4.	F e 3 O 4 (т) + H 2 (г) = 3 F e O (т) + H 2 O (г)
5.	C a (OH) 2 (т) + C O 2 (г) = C a С a 3 (т) + Н 2 О (г)
6.	2 С О (г) +  S О 2 (г) =  S   (  ро м б) + 2 С О 2 (г)
7.	2 N О 2 (г) +  O 3 (г) =  O 2 (г) +  N 2 О 5 (г)
8.	С H 4 (г) + 2 O 2 (г) = C O 2 (г) + 2 Н 2 O (ж)
9.	2 A g N O 3 (т) = 2 A g (т) + 2 N O 2 (г) + О 2 (г)
10.	Н 2 (г) +  C О 2 (г) =  Н 2 О (г) +  C O (г)
11.	3 Н 2 (г) +  C О (г) =  Н 2 О (г) +  C Н 4 (г)
12.	4 С О (г) + 2 SО 2 (г) =  S 2 (г) + 4 С О 2 (г)
13.	Н 2  S   (г) +  C О 2 (г) =  Н 2 О (г) +  C O S (г)
14.	Н 2 S (г) + C О О (г) = Н 2 О (г) + C S 2 (г)
15.	2 Н 2  S (г) +  C О 2 (г) = 2 Н 2 О (г) +  C S 2 (г)
16.	4 Н 2 S (г) + 2 S О 2 (г) = 4 Н 2 О (г) + 3 S 2 (г)
17.	С H 4 (г) + 2 H 2 S   (г) =  C S 2 (г) + 4 Н 2 (г)
18.	F e O (т) +  С О (г) =  F e (т) +  С O 2 (г)
19.	S   (  ро м б) + 2 С O 2 (г) =  S O 2 (г) + 2 С О (г)
20.	С О 2 (г) + 4 Н 2 (г) = С Н 4 (г) + 2 Н 2 О (ж)
21.	4 F e S 2 (т) +11 O 2 (г) = 2 F e 2 O 3 (т) + 8 S O 2 (г)
22.	2 S О 2 (г) + O 2 (г) = 2 S O 3 (г)
23.	4 N О (г) + 6 Н 2 O (ж) = 5 O 2 (г) + 4 N Н 3 (г)
24.	N Н 4 C l (т) =  N H 3 (г) +  H C l (г)
25.	2 N 2 (г) + 6 Н 2 O (ж) = 3 O 2 (г) + 4 N Н 3 (г)
26.	M g (O H)2 (т) =  M g O (т) +  H 2 O (г)
27.	S   (  ро м б) +  H 2 O (ж) =  S O 2 (г) + 2 H 2 (г)
28.	4 Н 2 (г) +  C О 2 (г) = 2 Н 2 О (ж) +  C Н 4 (г)
29.	С H 4 (г) + С O 2 (г) = 2 C O (г) + 2 Н 2 (г)
30.	С a (O H)2 (т) = C a O (т) + H 2 O (г)

7