Контрольная работа по "физической и коллоидной химии"

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: ν_AA + ν_BB + …→ 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