1 РАСЧЁТНО-ГРАФИЧЕСКАЯ РАБОТА 1.Термодинамика

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
федеральное государственное автономное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«Северный (Арктический) федеральный университет имени М.В. Ломоносова»
Кафедра композиционных материалов и строительной экологии
(наименование кафедры)
Коробицына Яна Георгиевна
(фамилия, имя, отчество студента)
Институт
ИСиА
курс
группа
1
4
270800 Строительство
(код и наименование направления подготовки/специальности)
РАСЧЁТНО-ГРАФИЧЕСКАЯ РАБОТА
По дисциплине
На тему
Химия
1.Термодинамика химических процессов.
(наименование темы)
Кинетика и химическое равновесие.
2. Растворы
(номер и наименование программы подготовки)
Отметка о зачёте
Руководитель
(дата)
доцент
(должность)
(подпись)
(дата)
Архангельск 2013
1
Т.А.Махова
(инициалы,
фамилия)
ЗАДАНИЕ
2
Лист для замечаний
3
ТЕМА 1: ТЕРМОДИНАМИКА ХИМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ. КИНЕТИКА
И ХИМИЧЕСКОЕ РАВНОВЕСИЕ.
1. Восстановление магнетика Fe3 O 4 до FeO можно осуществить двумя
способами:
1. Fe3 O 4(т) + CO (г) = 3FeO (т) + CO2(г) ;
2. Fe3 O 4(т) + H 2(г) = 3FeO (т) + H2 O(г) .
Какой из этих способов энергетически более выгодный?
Решение:
∆H0Fe3 O4 (Т) = – 1117,7 кДж/моль
R
∆H0H2(Г) = 0 кДж/моль
∆H0СО (Г) = – 110,5 кДж/моль
R
∆H0 FеO (T) = – 263,7 кДж/моль
R
∆H0Н2 O(Г) = – 241,8 кДж/моль
∆H0СО2 (Г) = – 393,5 кДж/моль
R
0
0
− � ∆𝐻исх
∆𝐻 0 = � ∆𝐻прод
∆Н0 х. р. = (3∆H0 FеO + ∆H0СО2 ) – (∆H0Fe3 O4 + ∆H0СО) = –1184,6 –
– (–1228,2) = 43,6 (кДж/моль)
∆Н0 х. р. = (3∆H0 FеO + ∆H0Н2 O) – (∆H0Fe3 O4 + ∆H0H2 ) = –1032,9 –
– (–1117,7) = 84,8 (кДж/моль)
Обе химические реакции имеют положительное значение, значит реакция
протекает не самопроизвольно. Чем меньше тепловой эффект реакции, тем меньше
было затрачено энергии. Можно сделать вывод, что энергетически более выгоден
первый способ. Дальнейшие вычисления тому подтверждение.
∆S0Н2 O(Г) = 188,7 Дж/моль*К
∆S0Fe3 O4 = 151,5 Дж/моль*К
4
∆S0 CO = 197,4 Дж/моль*К
∆S0FеO = 58,8 Дж/моль*К
∆S0H2 = 130,58 Дж/моль*К
∆S0 CO2 = 213,6 Дж/моль*К
0
∆𝑆 0 = � ∆Sпрод
− � ∆S 0исх
∆S 0 х. р. = (3∆S0 FеO + ∆S0СО2 ) – (∆S0Fe3 O4 + ∆S0СО) = 390 – 348,9 =
=41,1 (Дж/моль*К)
∆S 0 х. р. = (3∆S 0 FеO + ∆S 0Н2 O) – (∆S 0Fe3 O4 + ∆S 0H2 ) = 365,1– 282,1 =
P
P
P
P
=83 (Дж/моль*К)
∆𝐺 = ∆𝐻 − 𝑇∆𝑆
Расчет:
∆𝐺1 = 43,6 – 298,13 * 41,1 * 10−3 = 43,6 – 12,22333 = 31,37 (кДж/моль)
∆𝐺2 = 84,8 – 298,13 * 83 * 10−3 = 84,8 – 24,74479 = 60,05 (кДж/моль)
Ответ: Первый способ энергетически более выгодный, т.к. количество
выделяемой энергии меньше.
2. При сгорании 10 г метанола по реакции:
1. 2CH3 OH(г) + 3O2 (г) = 2CO2(г) + 4H2 O(Г)
R
выделяется 210 кДж теплоты. Вычислить ∆H0(СH3 OH (Г)), если известны:
R
∆H0(СО2 (Г)) и ∆H0(H2 O (Г)).
R
R
Решение:
∆Н0 х. р. = (2∆H0CO2 + 4∆H0Н2 O) – (2∆H0CH3 ОH + 3∆H0O2 )
Из условия задачи ∆Н0 х. р. = 210 кДж
M(CH3 OH) = 12 + 3 + 16 + 1 = 32 г/моль
𝑚
𝑛=
𝑀
n = 10/32 = 0,3125 моль
При образовании 0,3125 моль метанола выделилось 210 кДж теплоты.
Теплотой образования химической реакции, называют количество теплоты,
выделяющееся при образовании 1 моль вещества. По условию расчет идет на две
молекулы, поэтому n делим на два. Тогда:
5
∆H0х.р. = –210 кДж
0,156 – (–210) кДж
1 моль – Х
Х = –210 * 1/ 0,156 = -1346 кДж
Значит, при образовании 1 моль необходимо затратить – 1346 к Дж.
∆Н0 х. р. = (2∆H0CO2 + 4∆H0Н2 O) – (2∆H0CH3 ОH + 3∆H0O2 )
∆Н0 х. р. = 2∆H0CO2 + 4∆H0Н2 O – 2∆H0CH3 ОH − 3∆H0O2
2∆H0CH3 ОH = −∆Н0 х. р. + 2∆H0CO2 + 4∆H0Н2 O – 3∆H0O2
∆H0CH3 ОH =
∆H0CH3 ОH =
−∆Н0 х.р.+ 2∆H0CO2 + 4∆H0Н2 O – 3∆H0O2
2
−(−1346)+2(−393,51)+4(−241,82)−3∗0
2
=
−408,3
2
= –204,15 кДж/моль
Ответ: мой ответ подобен стандартному значению для ∆H0CH3 ОH, который
равен –202,0 кДж/моль.
3. Пользуясь табличными данными, определить, будет ли протекать
самопроизвольно в изолированной системе при 25о С следующие реакции:
ZnS (T) + 1,5O2 (Г) = ZnO (T) + SO2 (Г)
R
R
∆S0ZnS (T) = 57,7 Дж/моль*К
∆S0 O2 (Г) = 205,5 Дж/моль*К
R
∆S0ZnO (T) = 43,5 Дж/моль*К
∆S0SO2 (Г) = 248,1 Дж/моль*К
R
∆S 0 х. р. = (∆S0ZnO + ∆S0SО2 ) – (∆S0ZnS +1,5∆S0O2 ) = 291,6 – 365,2 =
= – 73,6 (Дж/моль*К)
∆H0ZnS = – 205,2 кДж/моль
∆H0O2 = 0 кДж/моль
∆H0ZnO = – 348,1 кДж/моль
∆H0SO2 = – 296,9 кДж/моль
∆H0 х. р. = (∆H0ZnO + ∆H0SО2 ) – (∆H0ZnS +1,5∆H0O2 ) = – 645 – (–205,2) =
= – 439,8 кДж/моль
∆𝐺 = ∆𝐻 − 𝑇∆𝑆
6
Если
∆G <
0,
то
процесс
протекает
самопроизвольно;
самопроизвольно процесс протекать не может.
∆G >
0
–
Расчет:
∆𝐺 = – 439,8 – 298,13* (-73,6) * 10−3
= – 439,8 + 21,942 =
= – 417,858 кДж/моль
Вывод: реакция протекает самопроизвольно.
Но можно и даже нужно решать более простым путем. Будем находить
энергию Гиббса сразу по табличным значениям ∆𝐺.
1. ZnS (T) + 1,5O2 (Г) = ZnO (T) + SO2 (Г)
R
R
∆𝐺 0ZnS = – 200,7 кДж/моль
P
∆𝐺 0O2 = 0 кДж/моль
P
∆𝐺 0 ZnO = – 320,7 кДж/моль
P
∆𝐺 0SO2 = – 300,21 кДж/моль
P
∆𝐺 0 х. р. = (∆𝐺 0ZnO + ∆𝐺 0SО2 ) – (∆𝐺 0ZnS +1,5∆𝐺 0O2 ) = – 420,21 кДж/моль
P
P
P
P
С учетом погрешностей в данных, можно сказать, что ответы примерно
равны.
2. CS2
+ 3O2 (Г) = CO2 (Г) + 2SO2 (Г)
(Ж)
R
R
R
∆𝐺 0CS2 = 64,41 кДж/моль
P
∆𝐺 0O2 = 0 кДж/моль
P
∆𝐺 0CO2 = – 394,4 кДж/моль
P
∆𝐺 0SO2 = – 300,2 кДж/моль
P
∆𝐺 0 х. р. = (∆𝐺 0CO2 + 2∆𝐺 0SO2 ) – (∆𝐺 0CS2 +3∆𝐺 0O2 ) = – 994,82 + 64,41 =
P
P
P
P
= – 1059,23 кДж/моль
Реакция протекает самопроизвольно.
3. AgNO3 (T) = Ag (T) + NO2 (Г) + 1/2O2 (Г)
R
R
R
∆𝐺 0AgNO3 = – 33,6 кДж/моль
P
∆𝐺 0Ag = 0 кДж/моль
P
∆𝐺 0NO2 = 51,55 кДж/моль
P
∆𝐺 0O2 = 0 кДж/моль
P
∆𝐺 0 х. р. = (∆𝐺 0Ag + ∆𝐺 0NO2 + 1/2∆𝐺 0O2 ) – ∆𝐺 0AgNO3 = 51,55 – (–33, 6) =
P
P
P
= 85,15 кДж/моль
Реакция идет не самопроизвольно.
7
P
4. Возможно ли взаимодействие алюминия с одой при 25о С по реакции:
2Al (T) +6H2 O (Ж) = 2Al(OH)3 (Т) + 3Н2 (Г) ?
R
R
R
Как повлияет понижение температуры на вероятность протекания прямой
реакции?
Решение:
∆H0Al = 0 кДж/моль
∆H0H2 O = – 285,8 кДж/моль
∆H0Al(OH)3 = – 1295,0 кДж/моль
∆H0Н2 = 0 кДж/моль
∆H0 х. р. =
(2∆H0Al(OH)3 +
3∆H0Н2 )
–
= – 2590 – (–1714,8) = – 875,2 кДж/моль
(2∆H0Al +
6∆H0H2 O)
=
∆S0Al = 28,3 Дж/моль*К
∆S0H2 O = 70,0 Дж/моль*К
∆S0Al(OH)3 = 70,0 Дж/моль*К
∆S0H2 = 130,6 Дж/моль*К
∆S 0 х. р. = (2∆S 0Al(OH)3 + 3∆S 0Н2 ) – (2∆S 0Al+ 6∆S 0H2 O) = 531.8 – 476.6 =
P
P
P
P
= 55,19 (Дж/моль*К)
∆𝐺 = ∆𝐻 − 𝑇∆𝑆 = – 875,2 – 298,13 * 55,19 = – 17328,9947 кДж/моль
∆G < 0, следовательно, алюминий воздействует с водой самопроизвольно.
Этого не заметно, т.к. алюминий покрыт тонкой пленкой оксида алюминия,
которая защищает его от взаимодействия с водой.
Понижение температуры не повлияет на ход прямой реакции. Она так же
будет идти самопроизвольно в направлении прямой реакции.
5. Определите, какой из продуктов реакции наиболее устойчив при 25о С:
CaO (T) + SO3 (Г) = CaSO4 (Т) ;
R
R
BaO (T) +SO3 (Г) = ВаSO4 (Т).
R
R
Как влияет на устойчивость сульфатов повышение температуры?
Решение:
Энтальпио образования – это тепловой эффект образования одного моля вещества
из простых веществ устойчивых при 25о С и 101 кПа. Из определения следует, что
наиболее устойчивый продут реакции тот, у кого тепловой эффект меньше.
8
CaO (T) + SO3 (Г) = CaSO4 (Т)
R
R
∆H0Ca𝑆𝑂4 = – 1436,3 кДж/моль
BaO (T) +SO3 (Г) = ВаSO4 (
R
R
(Т)
∆H Ba𝑆𝑂4 = – 1458,9 кДж/моль
0
Сделаю вывод, что наиболее устойчив при 25о С – Ba𝑆𝑂4 (Т).
R
При повышении температуры сульфат становиться менее устойчив, т.к.
возрастает скорость реакции.
6. Расставьте стехиометрические коэффициенты в уравнениях реакций
следующих взаимодействий:
H2 O(Г) + Cl2
(Г)
R
→ HCl (Г) + O2 (Г),
R
Fe (Т) + H2 O(Г) → Fe3 O4(Т) + H2 (Г) .
R
Пользуясь данными таблицы 2 определите, какая из этих реакций возможна
при комнатной температуре.
Решение:
2H2 O(Г) + 2Cl2
(Г)
R
→ 4HCl (Г) + O2 (Г),
R
3Fe (Т) + 4H2 O(Г) → Fe3 O4(Т) + 4H2 (Г) .
R
За комнатную температуру примем 25о С.
∆𝐺 = ∆𝐻 − 𝑇∆𝑆 или ∆𝐺 0 =∑ 𝐺 0 прод. − ∑ 𝐺 0 исх.
P
∆𝐺 0H2 O(Г) = – 228,6 кДж/моль
P
∆𝐺 0 Cl2
P
P
(Г)
R
= 0 кДж/моль
∆𝐺 0 HCl (Г) = – 95,3 кДж/моль
P
∆𝐺 0O2 (Г) = 0 кДж/моль
P
R
∆𝐺1 0 х. р. = (4∆𝐺 0HCl + ∆𝐺 0O2 ) – (2∆𝐺 0H2 O + 2∆𝐺 0Cl2 ) = – 381 + 228,6 * 2 =
P
P
P
P
= – 381 + 457,2 = 76,2 (кДж/моль)
Т.к. ∆G > 0, то реакция не возможна при комнатной температуре, т.к. данной
реакции нужна другая температура.
∆𝐺 0Fe = 0 кДж/моль
P
∆𝐺 0Fe3 O4 = – 1014,17 кДж/моль
P
P
∆𝐺 0H2 (Г) = 0 кДж/моль
P
R
∆𝐺2 0 х. р. = (∆𝐺 0Fe3 O4 + 4∆𝐺 0H2 ) – (3∆𝐺 0Fe+ 4∆𝐺 0H2 O) = – 1014,17 +914,4 =
P
P
P
= – 99,77
9
P
Т.к. ∆G < 0, то реакция возможна при комнатной температуре.
7. Как изменится скорость реакции получения воды
2H2(Г) + O2(Г) = 2H2 O (Ж)
R
при уменьшении общего давления в системе в 2 раза? Измениться ли при
этом скорость обратной реакции и почему?
→ = К ∗ [H2 ]2 * [O2 ]
𝜐
Скорость реакции изменяется, т.к. изменяется концентрация. Зависимость
химической реакции от давления существует только для газов. Уменьшим
давление в 2 раза:
→= К∗[
𝜐
H2 2
]
2
*[
O2 1
] ,
2
следовательно скорость прямой реакции уменьшается в 23 , т.е. в раз.
← = К * [H2 O]2
υ
Т.к. H2 O в жидком состоянии, то изменение скорости реакции не зависит от
условий давления. Т.о. в обратной реакции скорость не изменяется, т.к. не
изменяется условие концентрации.
8. Как изменится скорость прямой реакции
CS2 (Г) + 3O2 (Г) = CO 2 (Г) + 2SO2 (Г),
R
R
R
R
если концентрацию сероуглерода увеличить в 88 раз, а концентрацию
кислорода уменьшить в 2 раза? Напишите выражение скорости обратной реакции.
→ = Кпр. ∗ [CS2 ] * [O2 ]3
𝜐
→ = Кпр. ∗ [8 ∗ CS2 ] 1 * [
𝜐
O2 3
]
2
= Кпр ∗ [𝐶𝑆2 ]1 * [O2 ]3
Скорость прямой реакции изменяться не будет.
← = Кобр. * [CO2 ] [SO2 ]2
υ
9. Через некоторое время после начала реакции
H2 (Г) + CO2 (Г) → H2 O(Г) + CO (Г)
R
R
концентрации веществ составляли (моль/л): С(H2 ) = 0,03; С(CO2 ) = 0,01;
С(H2 O) = = 0,04. Какова была начальная скорость прямой реакции, если константа
скорости ее равна 0,8?
10
→ = К ∗ [H2 ] * [СO2 ]
𝜐
Cконц.
0,07
СO2
0,05
H2 O
0
0
0,04
0,04
0,04
0,04
Ср
0,03
0,01
0,04
0,04
∆С
H2
CO
→ = К ∗ [CH2 ] * [CСO2 ]
𝜐
→ = 0,8 ∗ 0,07 * 0,05 = 0,0028]
𝜐
10. При повышении температуры от 20о С до 50о С скорость реакции возрасла
в 9 раз. Рассчитайте температурный коэффициент реакции. Во сколько раз
уменьшится скорость реакции при понижении температуры на 20о С?
При повышении температуры на 30о С, скорость возрастает в 9 раз. Значит,
КT2
КT1
𝜐2 /𝜐1 = 9;
=𝛾
𝑇2 – 𝑇1
10
=
υT2
υT1
∆T = (𝑇2 – 𝑇1 ) = 30о С; υT2 = υT1 γ
3
= 9, значит 𝛾 3 = 9, отсюда 𝛾 = √9
3
Т.о. температурный коэффициент реакции 𝛾 = √9.
𝑇2 – 𝑇1
10
; К T2 = К T1 γ
При понижении температуры на 20о С скорость уменьшится в 𝛾 −2 .
11
𝑇2 – 𝑇1
10
;
ТЕМА 2: РАСТВОРЫ
1.Сколько граммов сульфата натрия следует растворить в 400 мл воды для
получения 8%-го (по массе) раствора?
Дано:
𝑉Н2О = 400 мл
ω = 8%
𝑚(Na2 SO4 )−?
Решение:
ω=
𝑚в−ва
*100% = 8%
𝑚р−ра
М(Na2 SO4 ) = 23 * 2 + 32 + 16 * 4 = 142 (г/моль)
𝑚р−ра = V * ρ = 400 * 1000 * 10−3 = 400 (г)
𝑚в−ва = ω * 𝑚р−ра = 400 * 0,08 = 32 (г)
Ответ: следует растворить 32 грамма Na2 SO4 в 400 мл воды для получения
8% раствора.
2. сколько граммов нитрата калия потребуется для приготовления 500 мл
0,23 молярного раствора? Какова молярная концентрация эквивалента и титра
полученного раствора?
Дано:
V = 500 мл
CM = 0,23
m(КNO3 )−?
CH – ?
T–?
Решение:
М(КNO3 ) = 39 + 14 + 16* 3 = 101 (г/моль)
CM =
CH =
T=
m
Mэ ∗V
m
=
=
11,615
Mэ ∗V
m
V
; mв−ва = CM ∗ М * V = 0,23 * 101 *0,5 =11,615(г)
11,615
101∗0,5
500
= 0,0575 Н
= 0,023233 (г/мл)
Ответ: m(КNO3 ) = 11,615(г); CH = 0,0575 Н; T = 0,023233 (г/мл).
3. Смешали 25г раствора с массовой долей NaCl 2,2% и 15г раствора с
массовой долей NaCl 9,8%? Рассчитать массовую долю NaCl в полученном
растворе.
12
Дано:
Решение:
𝑚р−ра = 25 г
1) 𝜔1 =
𝑚р−ра = 15 г
2) 𝜔2 =
𝜔1 (NaCl) = 2,2%
𝜔2 (NaCl) – 9,8%
𝜔общ. = ?
𝑚в−ва
𝑚р−ра
*100% = 2,2%
𝑚в−ва = 25 * 0,022 = 0,55 (г)
𝑚в−ва
∗ 100% = 9,8%
𝑚р−ра
𝑚в−ва = 1, 47 (г)
3) 𝑚 = 𝑚 + 𝑚 = 0,55 + 1,47 = 2,02 (г)
4) 𝜔общ =
𝜔общ =
𝑚в. общ
𝑚р. общ.
2,02
40
*100%
* 100% = 5,05 %
Ответ: В полученном растворе массовая доля NaCl равна 5,05%
4. 1 л 30%-го раствора NaOH с плотностью 𝜌1 = 1,328 г/мл разбавили водой
до 6л, полученный раствор имеет плотность 𝜌2 = 1,055 г/мл. Определите молярную,
моляльную концентрацию и титр раствора после разбавления.
Дано:
Решение:
V1 = 1 л
𝑚1 = ρ1 * V1 = 1,328 * 1000 = 1328 (г) – масса раствора
ρ1 = 1,328 г/мл
𝑚р−ля (Н2 О) = 6330- 1328 = 5002 (г)
ω1 (NaOH) = 30%
V2 = 6 л
ρ2 = 1,055 г/мл
𝑚2 = ρ2 * V2 = 1,055 * 6000 = 6330 (г) – масса р-ра
𝜔1 =
𝑚в−ва
𝑚р−ра
𝑚в−ва
𝑚р−ра
*100% = 30%
= 0,3; 𝑚в−ва = 0,3* 𝑚2 = 1899 (г)
T–?
М(NaHO) =40 (г/моль)
C𝑚 – ?
C𝑚 =
CM – ?
T=
𝑚в−ва
М∗ 𝑚р−ра
𝑚в−ва
CM =
V
m
=
Mэ ∗V
=
1899
6000
=
1899
40∗5,002
= 237,46995 (моль/кг)
= 0,3165 (г/мл)
1899
40∗6
= 284,85 (М)
Ответ: После разбавления CM = 284,85 (М); C𝑚 = 237,46995 (моль/кг);
T = 0,3165 (г/мл).
13