Физическая и коллоидная химия



страница4/7
Дата09.01.2013
Размер0.95 Mb.
ТипДокументы
1   2   3   4   5   6   7
Тема 4. Кинетика химических реакций
Основные вопросы по теме

  1. Скорость и константа скорости химической реакции.

  2. Зависимость скорости реакции от концентрации.

  3. Кинетические уравнения для реакций первого и второго порядка.

  4. Период полураспада.

  5. Зависимость скорости реакции от температуры.

  6. Правило Вант-Гоффа.

  7. Уравнение Аррениуса.

  8. Энергия активации.

  9. Понятие о катализе. Виды катализа.


Вопросы для самоконтроля

  1. Как изменяется концентрация реагирующих веществ во времени? Приведите графическую зависимость.

  2. Как скорость химической реакции зависит от концентрации реагирующих веществ?

  3. Каков физический смысл константы скорости химической реакции?

  4. Рассмотрите зависимость скорости реакции от температуры (уравнение Аррениуса). Поясните смысл величин, определяющих эту зависимость.

  5. Дайте определение молекулярности и порядка реакции.

  6. Что такое «энергия активации»?

  7. Как влияет катализатор на энергию активации?

  8. Недостатки теории Аррениуса?

  9. Какие типы химических реакций вы знаете?


Зависимость скорости реакции от концентрации и температуры
Зависимость скорости реакции от концентрации выражается законом действия масс (см. тему 3).

Зависимость скорости реакции от температуры (правило Вант-Гоф-фа):

,
где V1 – скорость реакции при t10C;

V2 – скорость реакции при t20C;

γ – температурный коэффициент реакции.

Более точно и в более широком интервале температур (уравнение Аррениуса):

,
где V1 – скорость реакции при температуре Т1, в градусах К.
Задача 1
Как изменится скорость прямой и обратной реакции
2 + N22NH3
a) при увеличении давления в 4 раза;

б) при уменьшении давления в 2 раза?

Решение:

а) записываем закон действия масс для прямой и обратной реакции при исходных условиях:

, .
При увеличении давления в 4 раза:
, gif" name="object112" align=absmiddle width=107 height=28>.
Найдем отношение и :

;

.
Ответ. При увеличении давления в 4 раза скорость прямой реакции увеличится в 256 раз, обратной в 16 раз.
б) , .
При уменьшении давления
, .
Найдем отношение и :


;


.
Ответ. При уменьшении давления в 2 раза скорость прямой реакции уменьшится в 16 раз, а обратной – в 4 раза.
Задача 2
Во сколько раз изменится скорость реакции:

а) при увеличении температуры на 400С;

б) при уменьшении температуры на 200С, если температурный коэффициент реакции γ = 2?

Решение

Запишем правило Вант – Гоффа: .

Найдем отношение , :
а) ∆ t = + 40о, γ = 2:
.
Ответ. При увеличении температуры на 40oС скорость реакции увеличилась в 16 раз;
б) ∆t = - 20o, γ = 2:
.
Ответ. При уменьшении температуры на 20оС скорость реакции уменьшилась в 4 раза.

При сжатии системы в n раз давление увеличивается в n раз.

При увеличении объема в n раз давление уменьшается в n раз.

Задание 4
4.1. Как изменятся скорости прямой и обратной реакций

4НСl + O2 = 2H2O(г) + 2Cl2

при увеличении давления в два раза и неизменной температуре?

4.2. Во сколько раз увеличится скорость прямой реакции

2SO2 + O2 = 2SO3 ,

протекающей в закрытом сосуде, если увеличить давление в 5 раз без изменения температуры?

4.3. Как изменятся скорости прямой и обратной реакций

N2 + O2 = 4NO + 6H2O ,

протекающих в закрытом сосуде при высокой температуре, если увеличить давление в 3 раза?

4.4. Реакция идет по уравнению

4NH3 + 5O2 = 4NO + 6H2O.

Как изменится скорость прямой реакции, если увеличить давление в 2 раза?

4.5. Реакция идет согласно уравнению

4NH3 + 5O2 = 4NO + 6H2O.

Как изменится скорость обратной реакции, если уменьшить давление в 3 раза?

4.6. Реакция выражается уравнением

4НСl + O2 = 2H2O + 2Cl2 .

Как изменится скорость прямой реакции, если увеличить давление в 4 раза?

4.7. Как изменится скорость обратной реакции

4НСl + O2 = 2H2O + 2Cl2 ,

при увеличении давления в 2 раза?

4.8. Как изменится скорость прямой реакции, протекающей по уравнению

2NO + O2 = 2NO2,

если увеличить объем в 3 раза?

4.9. Найти изменение скорости прямой реакции

2SO2 + O2 = 2SO3

при уменьшении объема в 3 раза?

4.10. Как изменится скорость прямой и обратной реакции

H2 + Cl2 = 2HCl

при увеличении объема в 3 раза?

4.11. Изменится ли скорость прямой реакции

FeO3(тв) + CO = Fe(тв) + CO2

при уменьшении объема в 3 раза?

4.12. Как изменится скорость прямой реакции

2SO3(г) = 2SO2 + O2

при сжатии системы в 3 раза?

4.13. Реакция выражается уравнением

2Cl2 + 2H2O = 4HCl + O2 .

Как изменится скорость прямой реакции при уменьшении объема в 3 раза?

4.14. Реакция выражается уравнением

2Cl2 + 2H2O = 4HCl + O2 .

Как изменится скорость обратной реакции при увеличении объема в 3 раза?

4.15. Как изменится скорость реакции

2NO + O2 = 2NO2,

если увеличить температуру с 200С до 600С? Температурный коэффициент реакции равен 2.

4.16. Найти изменение скорости реакции синтеза аммиака

2N2 + 3H2 = 2NH3

при увеличении температуры от 2000С до 2500С. Температурный коэффициент реакции считать равным 3.

4.17. Найти изменение скорости реакции

H2+Cl2 = 2HCl

при уменьшении температуры от 100 до 800С. Температурный коэффициент реакции равен 2.

4.18. Найти изменение скорости реакции

H2O + C = CO + H2

при уменьшении температуры от 100 до 800С. Температурный коэффициент реакции равен 2.

4.19. Во сколько раз изменится скорость реакции, если изменение температуры составило 300С, а температурный коэффициент реакции равен 3?

4.20. Найти изменение скорости реакции при уменьшении температуры на 200С, если температурный коэффициент реакции равен 2.

4.21. При повышении температуры на 200С скорость реакции возросла в 9 раз. Чему равен температурный коэффициент этой реакции?

4.22. При повышении температуры на 400С скорость реакции возросла в 32 раза. Чему равен температурный коэффициент этой реакции?

4.23. При уменьшении температуры на 300С скорость реакции уменьшилась в 27 раз. Чему равен температурный коэффициент этой реакции?

4.24. При уменьшении температуры на 200С скорость реакции уменьшилась в 16 раз. Чему равен температурный коэффициент этой реакции?

4.25. Чему равен температурный коэффициент реакции, если при увеличении температуры на 300С скорость реакции увеличилась в 27 раз?
Тема 5. Растворы неэлектролитов
Основные вопросы по теме

  1. Закон Рауля.

  2. Закон Генри.

  3. Повышение температуры кипения и понижение температуры замерзания растворов.

  4. Эбулио и криоскопия.

  5. Определение молекулярной массы растворенного вещества.

  6. Осмос. Осмотическое давление.


Вопросы для самоконтроля

  1. Почему давление насыщенного пара растворителя над раствором всегда меньше, чем над чистым растворителем?

  2. Что такое «идеальный раствор»?

  3. Сформулируйте и запишите математическое выражение закона Рауля.

  4. В чем причина положительных и отрицательных отклонений от закона Рауля?

  5. Сформулируйте закон Генри.

  6. Запишите объединенный закон Рауля-Генри.

  7. Дайте определение бесконечно разбавленным растворам.

  8. Сформулируйте законы Коновалова.

  9. Опишите способы определения молекулярной массы растворенного вещества.

Концентрация растворов
Концентрация – одна из важнейших характеристик растворов. Концентрация показывает, в каком соотношении (массовом или объемном) взяты растворитель и растворенное вещество. Существует несколько способов выражения концентрации растворов. При описании какого-либо свойства раствора используют ту концентрацию, которая дает наиболее простую зависимость между свойством раствора и концентрацией. При решении задач по физической и коллоидной химии часто приходится переходить от одного способа выражения концентрации к другому.
Определения

Процентная концентрация (массовая концентрация, весовая %) выражается числом граммов растворенного вещества в 100 г раствора (размерность г / 100 г раствора).

Молярная концентрация (молярность) выражается числом молей (грамм-молекул) растворенного вещества в 1 л раствора (размерность моль/л).

Нормальная концентрация (нормальность) выражается числом эквивалентов (грамм-эквивалентов) растворенного вещества в 1 л раствора (размерность эквивалент/л).

Моляльная концентрация (моляльность) выражается числом молей (грамм – молей) растворённого вещества в 1000 г растворителя (размерность моль / 1000 г растворителя).

Молярная (мольная) доля или молярный процент показывает, какую часть от общего числа молей раствора составляет растворенное вещество (или растворитель).

Если обозначить число молей растворителя через na, а число молей растворенного вещества через – nb, то молярная доля растворенного вещества равна
,
а молярная доля растворителя
.
Сумма Na + Nb = 1.
Молярная доля, увеличенная в 100 раз, называется молярным процентом.


Таблица 4
Формулы перехода от одних выражений концентраций растворов к другим


Концентрация

А

Н

М

L

Процентная (г/100 г раствора, вес %, мас %)

А=

А







Нормальная Н=



Н





Молярная

М=





М



Моляльная

L=









L


Принятые обозначения:

ρ – плотность раствора, г/см3;

МВ – масса моля растворенного вещества, г;

Э – масса эквивалента растворенного вещества, г.
При решении задач полезно использовать следующие определения:

  1. Моль – величина, выраженная в граммах и численно равная атомной (для простых веществ) или молекулярной массе.

  2. Эквивалент кислоты = Масса моля кислоты / Число атомов водорода.

  3. Эквивалент основания = Масса моля основания / Число гидроксильных групп.

  4. Эквивалент соли = Масса моля соли / nZ,

где n – число ионов металла;

Z – заряд иона металла.
Объем 1моля газа при н.у. ( 1,013∙105 Н/м.,760 мм рт. ст., 1 атм., 00С, 273К) равен 22,4 л = 2,24 ∙ 10-2 м3.

Пример 1
В 100 см3 воды растворили 25 г серной кислоты. Выразить концентрацию полученного раствора:

1) в процентах:


2) молярная концентрация. Необходимо дополнительно знать плотность раствора. Из Справочника находим ρ = 1,14 г/см3:
а) по формуле из табл.4:

==2,33 моль/л;
МВ (H2SO4) = 2 ∙ 1 + 1 ∙ 32 + 4 ∙ 16 = 98 г;
б) находим массу 1 л раствора:
m = ρ V = 1,14 ∙ 1000 = 1140 г.
В (100+25)г раствора содержится 25 г кислоты, а в 1140 г – х:
; г.
Найдем число молей кислоты в 1 л раствора:
моль.
Следовательно, молярность равна 2,33 моль/л;
3) нормальность:
а) из таблицы:
, г;

эквивалент / л;

б) находим массу 1 л раствора:
m = 1,14 ∙ 1000 = 1140 г.

В системе СИ
Находим массу кислоты в 1140 г раствора
; г.
Находим количество эквивалентов:
.
Следовательно, нормальность раствора равна 4,66 эквивалент/л;
4) моляльность:
а) из таблицы:

;
б) 25 г кислоты растворено в 100 г Н2О :

х растворено в 1000 г Н2О
; .
Считаем количество молей:
.
Следовательно, моляльность = 2,56 моль/1000 г Н2О.
Пример 2
Вычислить молярность 48%-ного раствора серной кислоты. Плотность данного раствора равна 1,38 г/см3.

Из таблицы:



Пример 3
Имеется 6,037Н раствор соляной кислоты. Плотность раствора – 1,10 г/см3. Выразить концентрацию данного раствора в %.

Из таблицы:
(г/100 г раствора);
ЭHCl = МHCl / 1 = 1 + 35,5 = 36,5 г.
Пример 4
Вычислить моляльность 10Н раствора серной кислоты. Плотность раствора равна 1,29 г/см3.

Из таблицы:
;
Э = 49 г (см. пример1), М2SO4) = 98 г (см. пример 1).
Равновесие «жидкость – пар»
Наиболее простая зависимость выражается законом Рауля-Генри: парциальное давление насыщенного пара любого компонента раствора пропорционально его мольной (молярной) доле:

.

Если раствор состоит из двух элементов и один из них нелетуч (например, растворенное вещество), то давление пара над раствором будет меньше, чем над чистым раствором (р0):
р = р0 (1 - N2), N2 – мольная доля растворенного вещества.
Измерение температур кипения и замерзания растворов
Температура кипения раствора связана с концентрацией растворенного вещества соотношением:
Ткип. раствора - Ткип. растворителя = ЕЭ ∙ СL,
где ЕЭ – эбуллиоскопическая постоянная; зависит от природы растворителя и равна изменению температуры кипения 1 моляльного раствора по сравнению с чистым растворителем;

СL – моляльная концентрация (моляльность).
Температура замерзания раствора связана с концентрацией растворённого вещества соотношением:
Тзам. растворителя - Тзам.раствора = ЕК СL ,
где ЕК – криоскопическая постоянная; зависит от природы растворителя и равна изменению температуры замерзания 1 моляльного раствора по сравнению с температурой замерзания чистого растворителя;

СL – моляльная концентрация (моляльность).
Осмотическое давление (π) раствора
Связано с концентрацией растворенного вещества соотношением, аналогичным уравнению Менделеева-Клапейрона для идеального газа:
,

где СМ – молярная концентрация;

R – универсальная газовая постоянная;

Т – температура, К.
Поскольку изменение температуры кипения и замерзания растворов не зависит от природы растворенного вещества, а только от концентрации, то молекулярную массу растворенного вещества можно найти по уравнению:

,
где М – масса моля растворенного вещества;

Е – соответственно ЕЭ или ЕК;

m2 – масса растворенного вещества, г;

m1 – масса растворителя, г;

Т – изменение температуры кипения или замерзания раствора по сравнению с чистым растворителем.

Пример 1
Вычислить упругость пара над 10%-ным раствором фенола, если упругость пара над чистым растворителем р0 = 2,26 ∙ 103 Па.

Решение

р = р0(1 - Nф), Nф – мольная доля фенола.
Пересчитываем концентрацию раствора:
Nфенола = .
Для расчета удобно взять 100 г раствора:
(в 100 г раствора);
;
Мф6Н5ОН) = 6 ∙ 12 + 5 ∙ 1 + 16 ∙ 1 + 1 ∙ 1 = 94 г;
р = 2,26 ∙ 103 ∙ 0,98 =2 ,24 ∙ 103 Па.
Пример 2
Найти температуру кипения 10%-ного раствора глицерина в воде, если ЕК = 0,52.

Решение

.
Пересчитываем концентрацию:
:
Мглиц 3Н5(ОН)3 = 3 ∙ 12 + 5 ∙ 1 + 3 (16 + 1) = 92 г;
;
Ткип. рствора=373+0,52∙1,21=373,62К или 100,620С.

Пример 3
Найти температуру замерзания 5%-ного раствора глюкозы в воде, если ЕК = 1,86.

;
.

Пересчитаем концентрацию:
:
Мглюкозы 62О)6) = 6 ∙ 12 + 6 (2 + 16) = 180 г;
ТЗам.раствора = 273 - 1,86 ∙ 0,29 = 273 - 0,54 = 272,46К или -0,540С.
Пример 4
При растворении 3,24 г серы в 40 г бензола температура замерзания последнего понизилась на 1,730С. Из скольких атомов состоят молекулы серы в растворе (Ек = 5,5)?

Решение

;
;
.
Ответ. Молекула серы в бензоле состоит из 8 атомов.
Пример 5
Определить молекулярную массу растворенного вещества, если раствор, содержащий 48 г растворенного вещества в литре, при 200С обладает осмотическим давлением 3,1 бар?

Решение

, отсюда ;

m = 48 г = 4,8 ∙ 10-2 кг, R = 8,31 ∙ 103 Дж/кмоль∙град;

Т = 293К. π = 3,1 бар = 3,1 ∙ 1,013 ∙ 105 Н/м2;


Ответ. Молекулярная масса растворенного вещества равна 372 а.е.м.
Задание 5
5.1. Вычислить давление пара 20% раствора гюкозы (С6Н12О6) при 250С. Давление паров воды при данной температуре равно 3167,7 Н/м2.

5.2. Вычислить давление пара раствора 6,4 г нафталина (С10Н8) в 90 г бензола при 200С. Давление паров бензола равно 9953,8 Н/м2.

5.3. В 150 г водного раствора содержится 34,2 г сахара (С12Н22О11). Вычислить давление пара этого раствора при 300С, если давление паров воды – 4242 Н/м2.

5.4. Вычислить давление пара 1%-ного раствора хлористого натрия (NaCl) при 1000С. Степень диссоциации соли в растворе принять равной единице.

5.5. Сколько граммов глицерина (С3Н8О3) надо растворить в 90 г воды при 300С, чтобы понизить давление пара на 266,5 Н/м2?

5.6. В 200 г раствора нафталина (С10Н8) в бензоле (С6Н6) содержится 60 г нафталина. Вычислить давление пара данного раствора при 400С. Давление пара бензола равно 24144,6 Н/м2.

5.7. Вычислить давление пара 5%-ного раствора анилина (С6Н5NH2) в эфире (С2Н5)2О при 200С. Давление пара чистого эфира равно 58920 Н/м2.

5.8. Определить концентрацию сахара (С122О)11) в растворе, если раствор закипает при 100,50С. Эбуллиоскопическая постоянная воды = 0,52.

5.9. При какой температуре будет кипеть 50%-ный раствор сахара (С122О)11) в воде (ЕЭ = 0,52) ?

5.10. При растворении 6,48 г серы в 80 г бензола (С6Н6) температура кипения последнего повысилась на 0,810. Из скольких атомов состоит молекула серы в растворе (ЕЭ = 2,57)?

5.11. Сколько граммов глюкозы (С62О)6) нужно добавить к 100 г воды, чтобы раствор закипел при 102,50С (ЕЭ = 0,52)?

5.12. Имеются 25%-ные водные растворы мочевины, глицерина и фруктозы. В какой последовательности будут закипать эти растворы при постепенном нагревании их. Дать обоснованный ответ, не производя вычислений (мочевина – СN2Н4О, глицерин – С3Н8О3, фруктоза – С6Н12О6).

5.13. Какова концентрация водного раствора глюкозы (С6Н12О6), если он замерзает при -10С (ЕК = 1,86) ?

5.14. Сколько глицерина (С3Н5(ОН)3) нужно добавить к 1000 г воды, чтобы раствор не замерзал до -50С (ЕК = 1,86) ?

5.15. Какой из растворов будет замерзать при более низкой температуре: 5%-ный раствор глицерина (С3Н8О3) или 5%-ный раствор глюкозы (С6Н12О6)? Дать мотивированный ответ, не производя вычислений.

5.16. В каком весовом отношении надо смешать воду и глицерин (С3Н5(ОН)3), чтобы получить смесь, замерзающую при -200С (Ек=1,86)?

5.17. Температура замерзания чистого бензола (С6Н6) – 5,50С, а раствора, содержащего 0,2242 г камфоры, – 30,55 г; бензола – 5,2540С. Определить молекулярную массу камфоры в бензоле (Ек = 5,1).

5.18. Сколько сахара (С122О)12) надо растворить в 100 г воды, чтобы понизить температуру замерзания на 10С (Ек = 1,86)?

5.19. При растворении 15 г хлороформа (СНСl3) в 400г диэтилового эфира ((С2Н5)2О) температура кипения последнего повысилась на 0,6350С. Вычислить значение молекулярной массы хлороформа (ЕЭ = 2,02).

5.20. Из скольких атомов состоит молекула йода в спирте (С2Н5ОН), если температура кипения этилового спирта 78,30С повышается до 78,590С при растворении йода массой 12,7 г в спирте массой 200 г?

5.21. Сколько молей неэлектролита должен содержать литр раствора, чтобы осмотическое давление при 00С равнялось 5 бар?

5.22. Определить молекулярную массу растворенного вещества, если раствор, содержащий 12 г растворенного вещества в литре, при 170С обладает осмотическим давлением, равным 4,82 бар?

5.23. Сколько граммов этилового спирта (С2Н5ОН) нужно растворить в 200 см3 воды, чтобы осмотическое давление этого раствора при 170С было равно 2 бар?

5.24. Осмотическое давление раствора, содержащего в 500 см3 1,55 г анилина (С6Н5NH2) при 210С равно 0,81 бар.Определить молекулярную массу анилина.

5.25. Не вычисляя величин осмотического давления, ответить: какой раствор обладает большим осмотическим давлением – содержащий в литре 3 г нафталина С10Н8 или 3 г антрацена С14Н10?


1   2   3   4   5   6   7

Похожие:

Физическая и коллоидная химия icon02. 00. 11 Коллоидная химия
Коллоидная химия раздел химической науки, изучающий свойства и превращения вещества в дисперсном и ультрадисперсном состояниях и...
Физическая и коллоидная химия iconРабочая учебная программа дисциплины Физическая и коллоидная химия Направление подготовки 210100 Электроника и наноэлектроника

Физическая и коллоидная химия iconПеречень научных специальностей Высшей аттестационной комиссии (вак) Российской Федерации
Электрохимия; Высокомолекулярные соединения; Xимия элементоорганических соединений; Химия высоких энергий; Биоорганическая химия;...
Физическая и коллоидная химия iconВопросы к зачету по дисциплине «Физическая и коллоидная химия»
Предмет физической химии и её значение в сельском хозяйстве. Роль ученых в развитии физической химии
Физическая и коллоидная химия iconПрограмма вступительного экзамена в аспирантуру по специальности 02. 00. 04. «Физическая химия» (02. 00. 00 Химические науки, специальность 02. 00. 04 Физическая химия)
Советом по химии умо по классическому университетскому образованию 29. 04. 2002 и на основании Государственного образовательного...
Физическая и коллоидная химия iconРабочая учебная программа утверждена на заседании кафедры неорганической химии
Неорганическая химия, 02. 00. 02 Аналитическая химия, 02. 00. 03 Органическая химия, 02. 00. 04 Физическая химия) и студентов старших...
Физическая и коллоидная химия iconК единому экзамену по русскому языку I. Чтение
Нанотехнология, нанонаука, это наука и технология коллоидных систем, это коллоидная химия, коллоидная физика, молекулярная биология,...
Физическая и коллоидная химия iconПрограмма дисциплины дпп. Ф. 05 Физическая химия
Физическая химия является одной из фундаментальных дисциплин современного естествознания, формирующих научное представление об окружающем...
Физическая и коллоидная химия iconПрограмма вступительного испытания (собеседование/устный экзамен) по дисциплинам «Неорганическая химия»
«Неорганическая химия», «Аналитическая химия», «Физическая химия» и «Органическая химия»
Физическая и коллоидная химия iconРабочей программы дисциплины б. 4 «Физическая химия»
Дисциплина «Физическая химия» является частью цикла Б2 «Математический и естественнонаучный цикл» дисциплин подготовки студентов...
Разместите кнопку на своём сайте:
ru.convdocs.org


База данных защищена авторским правом ©ru.convdocs.org 2016
обратиться к администрации
ru.convdocs.org