1 ХИМИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА

1 ХИМИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА

1 Термодинамические системы и внешняя среда. Термодинамические параметры состояния системы.

2 Термодинамические процессы. Равновесные (квазистатические) и неравновесные процессы.

3 Понятие о внутренней энергии, теплоте и работе. Первое начало термодинамики, его математическое выражение.

4 Первое начало термодинамики для изохорного и изобарного процессов. Понятие об энтальпии.

5 Термохимия. Закон Гесса и следствия из него.

6 Тепловой эффект химической реакции, теплота образования химического вещества, теплота сгорания химического вещества.

7 Зависимость теплового эффекта реакции от температуры. Уравнение Кирхгофа.

8 Теплоемкость. Зависимость теплоемкости от температуры и расчет тепловых эффектов реакций.

9 Энергия химических связей. Оценки теплот химических реакций по энергиям связей.

10 Второе начало термодинамики. Энтропия и термодинамическая вероятность.

11 Расчет изменения энтропии для различных процессов.

12 Третье начало термодинамики. Расчет абсолютного значения энтропии.

13 Термодинамические потенциалы. Использование свободной энергии Гиббса и свободной энергии Гельмгольца для оценки возможности самопроизвольного протекания процессов.

14 Химические потенциалы, их определение, вычисление и свойства.

15 Газ, расширяясь от 10 до 16 л при постоянном давлении 101,3 кПа, поглощает 126 Дж теплоты. Определите изменение внутренней энергии газа.

16 Определите изменение внутренней энергии, количество теплоты и работу, совершаемую при обратимом изотермическом расширении азота от 0,5 до 4 м3 (начальные условия: температура 26,8 °С, давление 93,2 кПа).

17 Один моль идеального газа, взятого при 25 °С и 100 атм, расширяется обратимо и изотермически до 5 атм. Рассчитайте работу, поглощенную теплоту, изменение внутренней энергии и энтальпии.

18 Какое количество теплоты необходимо для повышения температуры 16 г кислорода от 300 до 500 К при давлении 1 атм? Как при этом изменится внутренняя энергия?

19 Чайник, содержащий 1 кг кипящей воды, нагревают до полного испарения при нормальном давлении. Определите работу, количество теплоты, изменение внутренней энергии и энтальпии для этого процесса. Мольная теплота испарения воды 40,6 кДж/моль.

20 Определите конечную температуру и работу, необходимую для адиабатического сжатия азота от 10 до 1 л, если начальные температура и давление равны 26,8°С и 101,3 кПа соответственно.

21 Рассчитайте количество теплоты, необходимое для нагревания воздуха в квартире общим объемом 600 м3 от 20 до 25 °С. Примите, что воздух – идеальный двухатомный газ, а давление при исходной температуре нормальное. Найдите изменение внутренней энергии и энтальпии для процесса нагревания воздуха.

22 Вычислите стандартную энтальпию реакции S(т) + O2(г) → SO2(г) , используя данные:

2S(т) + 3O2(г) → 2SO3(г), Dr H° = — 790 кДж,

2SO2(г) + O2(г) → SO3(г), Dr H° = — 196 кДж.

23 Вычислите тепловой эффект перехода C(алмаз) → C(графит), используя данные:

C(графит) + O2(г) → CO2(г), Dr H° = — 396,3 кДж,

C(алмаз) + O2(г) → CO2(г), Dr H° = — 398,2 кДж.

24 Вычислите тепловой эффект перехода S(моноклинная) → S(ромбическая), используя данные:

S(моноклинная) + O2(г) → SO2(г), Dr H° = — 296,96 кДж,

S(ромбическая) + O2(г) → SO2(г), Dr H° = — 396,65 кДж.

25 Определите стандартную энтальпию образования этилена C2H4 по следующим данным:

C2H4(г) +3O2(г) → 2CO2(г) + 2H2O(г), Dr H° = — 1323 кДж

C(графит) + O2(г) → CO2(г), Dr H° = — 393,5 кДж,

H2(г) + 1/2O2(г) → H2O(г), Dr H° = — 241,8 кДж.

26 Вычислите тепловой эффект реакции CH3OCH3(г) → CH3CH2OH(г), если

CH3OCH3(г) + 3O2(г) → 2CO2(г) + 3H2O(г), Dr H° = — 1454 кДж,

CH3CH2OH(г) + 3O2(г) → 2CO2(г) + 3H2O(г), Dr H° = — 1402 кДж.

27 Вычислите тепловой эффект реакции Na2CO3(т) → Na2O(т) + CO2(г), если известно

Na2CO3(т) + SiO2(т) → Na2SiO3(т) + CO2(г), Dr H° = 81,04 кДж,

Na2O(т) + SiO2(т) → Na2SiO3(т), Dr H° = — 243,17 кДж.

28 Рассчитайте мольную энтропию неона при 500 К, если при 298 К и том же объеме энтропия неона равна 146,2 Дж/моль×К.

29 Рассчитайте изменение энтропии при нагревании 11,2 л азота от 0 до 50 °С и одновременном уменьшении давления от 1 до 0,01 атм.

30 Один моль гелия при 100° С и 1 атм смешивают с 0,5 моль неона при 0 °С и 1 атм. Определите изменение энтропии, если конечное давление равно 1 атм.

31 Три моля идеального одноатомного газа (сv = 3 кал/моль×К), находящегося при 350 К и давлении 5 атм, обратимо и адиабатически расширяются до давления 1 атм. Рассчитайте конечные температуру, объем, совершенную работу, изменение внутренней энергии, энтальпии и энтропии в этом процессе.

32 Рассчитайте изменение энтропии при нагревании 0,4 моль NaCl от 20° до 850 °С. Мольная теплоемкость равна: сp(NaCl(тв)) = 45,94 + 16,32×10-3×T (Дж/моль×К),

сp(NaCl(ж)) = 66,53 Дж/моль×К. Температура плавления хлорида натрия 800 °С, теплота плавления 31 кДж/моль.

33 Рассчитайте изменение энтропии при смешении 5 кг воды при 80 °С с 10 кг воды при 20 °С. Удельную теплоемкость воды принять равной 4,184 Дж/г×К.

34 Рассчитайте изменение энтропии при добавлении 200 г льда, находящегося при температуре 0 °С, к 200 г воды (90 °С) в изолированном сосуде. Теплота плавления льда равна 6 кДж/моль. Удельную теплоемкость воды принять равной 4,184 Дж/г×К.

35 – 80 Многовариантная задача. Для реакции, приведенной в таблице 1.3:

1 рассчитайте стандартный тепловой эффект реакции по известным величинам стандартных теплот образования исходных веществ и продуктов реакции;

2 определите DНТ из предположения:

а) Dс = 0;

б) Dс = const;

в) Dс = f (Т).

3 определите …и DSТ для реакции;

4 вычислите значение …и DGТ и сделайте вывод о направлении реакции в стандартных условиях и при температуре Т.

2 ХИМИЧЕСКОЕ РАВНОВЕСИЕ

Указание: во всех задачах считать газы идеальными.

81 Закон действия масс. Константы равновесия и связь между ними. Зависимость констант равновесия от температуры.

82 Смещение химического равновесия. Влияние температуры, давления и концентрации на химическое равновесие.

83 Изотерма Вант-Гоффа. Изменение энергии Гиббса и энергии Гельмгольца при химической реакции.

84 Уравнения изобары и изохоры реакции и их термодинамический вывод.

85 Связь константы химического равновесия с максимальной работой реакции.

86 Гетерогенные химические равновесия и особенности их термодинамического описания.

87 Реакция между веществами А и В выражается уравнением

А + 2В = С.

Начальная концентрация вещества А равна 0.3 моль/л, а вещества В – 0,5 моль/л. Константа скорости реакции равна 0,4. Определить начальную скорость реакции и скорость реакции по истечении некоторого времени, когда концентрация вещества А уменьшится на 1,0 моль.

88 При нагревании смеси углекислого газа и водорода в закрытом сосуде устанавливается равновесие. Константа равновесия реакции

CO2 + H2 ↔ CO + H2O

при температуре 850°С равна единице. Сколько процентов углекислого газа превратится в окись углерода, если смешать 1 моль углекислого газа и 4 моль водорода?

89 При температуре 3000°С 40% двуокиси углерода диссоциирует по уравнению

2CO2 ↔ 2CO + O2.

Определить Kp при этой температуре.

90 Определить константу равновесия реакции

CO + H2O ↔ CO2 + H2

при температуре 1000 К на основании следующих данных:

Термодинамические характеристики

H2

H2O

CO

CO2

ΔН°(кал/моль)

0

57778

26416

94052

ΔS° (кал/град•моль)

31,211

45,106

47,301

51,06

ΔСp = 1,72 кал/моль.

91 При 693 К константа равновесия реакции H2 + I2 = 2HI Кс = 50,25. Вычислите массу образующегося иодида водорода, если в реактор введено 0,846 г I2 и 0,0212 г Н2.

92 При 693 К константа равновесия реакции H2 + I2 = 2HI КС = 50,25. В каком направлении будет протекать данный процесс, если исходные концентрации Н2 , I2 и HI соответственно равны: а) 2,0; 5,0; 10,0 моль/л; б) 1,5; 0,25; 5,0 моль/л; в) 1,0; 1,99; 10,0 моль/л?

93 Определите константу равновесия реакции SO2 + 1/2O2 = SO3 при 700 К, если при 500 К Кр = 588,9 Па-1/2, а тепловой эффект реакции в этом диапазоне температур равен –99,48 кДж/моль.

94 При 2000 °С и общем давлении 1 атм 2 % воды диссоциировано на водород и кислород. Рассчитайте константу равновесия реакции Н2О(г) = Н2(г) + 1/2О2(г) при этих условиях.

95 Константа равновесия реакции СО(г) + Н2О(г) = СО2(г) + Н2(г) при 500 °С равна Кр = 5,5. Смесь, состоящую из 1 моль СО и 5 моль Н2О, нагрели до этой температуры. Рассчитайте мольную долю Н2О в равновесной смеси.

96 Константа равновесия реакции N2O4(г) = 2NO2(г) при 25 °С равна Кр = 0,143. Рассчитайте давление, которое установится в сосуде объемом 1 л, содержащем 1 г N2O4 при этой температуре.

97 Сосуд объемом 3 л, содержащий 1,79•10-2 моль I2, нагрели до 973 К. Давление в сосуде при равновесии оказалось равно 0,49 атм. Считая газы идеальными, рассчитайте константу равновесия при 973 К для реакции I2(г) = 2I(г).

98 Сосуд объемом 1 л, содержащий 0,341 моль РCl5 и 0,233 моль N2, нагрели до 250 °С. Общее давление в сосуде при равновесии оказалось равно 29,33 атм. Считая все газы идеальными, рассчитайте константу равновесия при 250 °С для протекающей в сосуде реакции: РСl5(г) = РСl3(г) + Сl2(г).

99 Для реакции 2HI(г) = H2(г) + I2(г) константа равновесия Кр = 1,83•10-2 при 698,6 К. Сколько граммов HI образуется при нагревании до этой температуры 10 г I2 и 0,2 г H2 в трехлитровом сосуде? Чему равны парциальные давления H2, I2 и HI?

100 Константа равновесия реакции H2(г) + I2(г) = 2HI(г) при 717 К равна 46,7. Определите количество разложившегося HI при нагревании 1 моль HI до этой температуры.

101 Константа равновесия реакции CO(г) + H2O(г) = CO2(г) + H2(г) при 800 К равна 4,12. Смесь, содержащая 20 % СO и 80 % Н2О, нагрета до 800 К. Определите состав смеси при достижении равновесия, если взят 1 кг водяного пара.

102 При 1273 К и общем давлении 30 атм в равновесной смеси СO2 (г) + С(тв) = = 2СО(г) содержится 17 % (по объему) СО2. Сколько процентов СО2 будет содержаться в газе при общем давлении 20 атм?

103 При смешении 1 моль уксусной кислоты и 1 моль этилового спирта реакция протекает по уравнению CH3COOH(г) + C2H5OH(г) = CH3COOC2H5(г) + H2O(г). При достижении равновесия в реакционной смеси находится 1/3 моль кислоты, 1/3 моль спирта, 2/3 моль эфира и 2/3 моль воды. Вычислите количество моль эфира, которое будет в реакционной смеси по достижении равновесия при следующих условиях: 1 моль кислоты, 1 моль спирта и 1 моль воды.

104-123 Многовариантная задача. Вычислите величину константы равновесия при заданной температуре Т. Примите, что тепловой эффект реакции в этом температурном интервале не зависит от температуры. Примечание: если агрегатные состояния не указаны, вещества находятся в газовой фазе.

3 ФАЗОВЫЕ РАВНОВЕСИЯ

124 Гетерогенные системы. Компонент, фаза, число степеней свободы системы. Правило фаз Гиббса.

125 Уравнение Клаузиуса. Применение данного уравнения для описания процессов плавления, испарения, возгонки.

126 Однокомпонентные гетерогенные системы. Фазовая диаграмма воды.

127 Однокомпонентные гетерогенные системы. Фазовая диаграмма серы.

128 Закон Рауля для смеси летучих жидкостей. Положительные и отрицательные отклонения от закона Рауля.

129 Разделение неограниченно смешивающихся жидкостей с помощью фракционной перегонки. Первый закон Коновалова.

130 Азеотропные смеси. Второй закон Коновалова. Методы разделения азеотропных смесей.

131 Диаграмма состояния двухкомпонентной системы с ограниченной растворимостью в жидкой фазе. Критическая температура растворимости. Правило Алексеева. Правило рычага.

132 Несмешивающиеся жидкости. Перегонка с водяным паром.

133 Фазовая диаграмма состояния трехкомпонентной системы с неограниченно смешивающимися компонентами. Использование метода Гиббса и Розебума для определения состава системы.

134 Молярная теплота испарения воды равна 43,09 кДж/моль. Давление насыщенного водяного пара при температуре 40 °С равно 55,3 мм рт.ст. Чему равно давление насыщенного пара при температуре 50 °С?

135 Давление паров над жидким галлием при температуре 1029 °С равно 0,01 мм рт.ст. , а при 1154 °С — 0,1 мм рт.ст. Чему равна молярная теплота испарения галлия?

136 Молярная энтальпия плавления льда равна 6,01 кДж/моль, а энтальпия испарения воды 41,09 кДж/моль. Чему равна молярная энтальпия возгонки льда?

137 Давление пара над серной кислотой при температуре 451 К равно 666Па, а при температуре 484,5 К — 2666 Па. Определите теплоту парообразования серной кислоты, считая ее постоянной в указанном интервале температуры.

138 Зависимость давления (Па) насыщенного пара над жидким TiCl4 описывается уравнением ln p = 19,688 – 3335/Т. Рассчитайте энтальпию и энтропию парообразования одного моля тетрахлорида титана при нормальной температуре кипения.

139 Под давлением 0,1013 МПа лед плавится при 273К. Удельный объем льда при 273 К равен 991,1 см3/кг, а воды – 916,6 см3/кг. Молярная теплота плавления льда равна 6010 Дж/моль. Вычислите давление, при котором лед будет плавиться при 271 К.

140 Плотности жидкого и твердого олова при температуре плавления (231,9 °С) равны 6,980 и 7,184 г/см3 соответственно. Энтальпия плавления олова равна 1, 690 ккал/моль. Определите температуру олова под давлением 500 атм. Молярная масса олова равна 118,7 г/моль.

141 При замерзании бензола (5,5 °С) его плотность изменяется от 0,879 до 0, 891 г/см3. Энтальпия плавления равна 10,59 кДж/моль. Определите температуру плавления бензола при давлении 1000 атм.

142 Плотности жидкой и твердой ртути при температуре плавления (-38,87 °С) равны 13,690 и 14,193 г/см3 соответственно. Энтальпия плавления ртути равна 2,33 кал/г. Определите температуру плавления ртути при давлении 3000 атм.

143 Температура кипения жидкого метанола равна 34,7 °С при давлении 200 Торр и 49,9 °С при давлении 400 Торр. Найдите температуру кипения метанола при нормальном давлении.

144 Давление пара диэтилового эфира при 10 °С равно 286,8 Торр, а при 20 °С – 432,8 Торр. Определите мольную энтальпию испарения и нормальную температуру кипения эфира.

145 Давление пара дихлорметана при 24,1 °С равно 400 Торр, а его энтальпия испарения равна 28,7 кДж/моль. Рассчитайте температуру, при которой давление пара будет равно 500 Торр.

146 Давление пара твердого СО2 равно 133 Па при -134,3 °С и 2660 Па при -114,4 °С. Рассчитайте энтальпию возгонки.

147 Давление пара (Торр) жидкости в интервале температур 200 – 260 К описывается уравнением: ln p = 16,225 – 2501,8/T. Рассчитайте энтальпию испарения и нормальную точку кипения жидкости.

148 Давление пара (Торр) жидкого бензола в интервале температур 10 – 80 °С описывается уравнением: lg p = 7,960 – 1780/T. Рассчитайте энтальпию испарения и нормальную точку кипения жидкости.

149 Давление пара жидкого нафталина С10Н8 равно 10 Торр при 85,8 °С и 40 Торр при 119,3 °С. Определите энтальпию испарения, нормальную точку кипения и энтропию испарения в нормальной точке кипения.

150 Нормальная точка кипения гексана равна 69 °С. Оцените мольную энтальпию испарения и давление пара гексана при 25° и 60 °С.

4 ЭЛЕКТРОХИМИЯ

151 Основные положения теории Аррениуса. Недостатки теории.

152 Активность и коэффициент активности. Теория Дебая-Хюккеля. Основные допущения. Современные представления о растворах электролитов.

153 Диффузионный потенциал.

154 Электропроводность растворов (удельная, эквивалентная).

155 Параметры электропроводности их взаимосвязь.