Стислі теоретичні відомості. Для студентів спеціальностей хіміко-технологічного профілю

М Е Т О Д И Ч Н І В К А З І В К И

Д О В И К О Н А Н Н Я

Р О З Р А Х У Н К О В И Х Р О Б І Т

З Д И С Ц И П Л І Н И «Ф І З И Ч Н А Х І М І Я»

Для студентів спеціальностей хіміко-технологічного профілю

Частина І

Затверджено методичною радою НТУУ «КПІ»

Київ

«ПОЛІТЕХНІКА»
2006

Методичні вказівки до виконання розрахунких робіт з дисципліни “Фізична хімія” для студентів спеціальностей хіміко-технологічного профілю / Уклад.: Т.А. Каменська, Т.В. Кірсенко, Ю.А. Малєтін, І.О. Ренський, Г.А. Рудницька. К.: ІВЦ “Видавництво «Політехніка»”, 2006. – 36 с.

Гриф надано Методичною радою НТУУ “КПІ”

(Протокол № 9 від 24 травня 2006 р.)

 

Укладачі: Каменська Тетяна Анатоліївна

Кірсенко Тетяна Володимирівна

Малєтін Юрій Андрійович

Ренський Ігор Олександрович

Рудницька Ганна Анатоліївна

 

 

Відповідальний

редактор В.Ф. Грищенко

 

Рецензент О.О. Андрійко

ВСТУП

 

Для засвоєння курсу фізичної хімії велике значення мають розрахункові завдання. Мета їх виконання – навчити студентів застосовувати теоретичні положення курсу до вирішення практичних питань.

Дані вказівки складаються з двох частин, що містять основні типи задач з п’яти розділів курсу фізичної хімії. В першій частині наведені завдання до трьох розділів: хімічна термодинаміка, хімічна рівновага, фазові рівноваги та розчини, а в другій – до хімічної кінетики та електрохімії. Задачі складені у 30-ти варіантах; студент виконує той варіант, який визначає для нього викладач.

На початку кожного розділу коротко наведені теоретичні відомості та формули, що необхідні для розв’язання задач. Детальніше та глибше теоретичний матеріал студент повинен опрацювати за конспектами лекцій та за підручниками [1-5].

Виконуючи завдання, слід звертати увагу на розмірність усіх величин, що використовуються при обчисленнях. Якщо одиниці вимірювання надані в різних системах, їх необхідно привести до одного виду. Наприклад, типовою є помилка, коли розраховуючи загальний тепловий ефект процесу до величин, виражених у кДж, додаються значення, отримані у Дж.

Дані, що необхідні для виконання розрахункових завдань, наведені у додатках вказівок та у довідниковій літературі [6].

 

 

ХІМІЧНА ТЕРМОДИНАМІКА

Стислі теоретичні відомості

З першого закону термодинаміки випливає, що тепловий ефект реакції, яка перебігає за умови сталого об’єму, дорівнює зміні внутрішньої енергії внаслідок хімічної реакції (), а за умови сталого тиску – зміні ентальпії ().

Теплові ефекти та пов’язані між собою співвідношенням:

 

,

 

де – зміна кількості молів газоподібних речовин внаслідок хімічної реакції:

 

 

Ізобарний тепловий ефект будь-якої реакції можна визначити за теплотами утворення усіх речовин, що беруть участь у реакції. Теплота утворення – це тепловий ефект реакції утворення 1 моля даної речовини з простих речовин, взятих у стандартних станах. В довіднику [6, табл. 44, с. 72-91] наведені стандартні теплоти утворення для стандартних умов (Т = 298,15 К, р = 1 атм = 1,013^.10⁵ Па). Із закону Гесса випливає, що тепловий ефект хімічної реакції дорівнює різниці між алгебраїчною сумою теплот утворення продуктів реакції та відповідною сумою теплот утворення вихідних речовин з урахуванням їх стехіометричних коефіцієнтів:

 

,

де n_i – кількість молів речовини i у рівнянні реакції.

Якщо відомо тепловий ефект реакції за стандартних умов , то згідно із законом Кірхгофа для будь-якої іншої температури він може бути визначений за рівнянням:

,

де – зміна теплоємності системи внаслідок хімічної реакції:

 

 

Для наближених розрахунків можна вважати, що , тоді:

 

.

Для точного визначення теплового ефекту реакції за будь-якої температури потрібно враховувати температурні залежності теплоємностей речовин, що виражаються рівняннями:

для органічних речовин ,

для неорганічних речовин .

Величини коефіцієнтів наведені у довіднику [6, табл. 44]. Якщо в реакції беруть участь як органічні, так і неорганічні речовини, то залежність від температури має вигляд:

,

 

де – різниці між алгебраїчними сумами певних коефіцієнтів в рівняннях температурних залежностей теплоємностей продуктів реакції та вихідних речовин з урахуванням їх стехіометричних коефіцієнтів.

Якщо , то уможливлюється обчислення точного значення теплового ефекту реакції при будь-якій температурі за рівнянням:

 

 

де – стала інтегрування, яка в даному випадку дорівнює:

 

.

 

( - ціле число, виражене у Дж/моль).

Зміна ентропії внаслідок хімічної реакції дорівнює різниці між сумами абсолютних ентропій продуктів реакції та вихідних речовин:

 

 

Залежність від температури описується рівнянням:

 

,

 

після інтегрування якого одержують формулу для визначення зміни ентропії в реакції за будь-якої температури:

 

.

 

Зміну ізобарно-ізотермічного (ізобарного) потенціалу в хімічний реакції за будь-якої температури можна розрахувати як різницю між алгебраїчними сумами ізобарних потенціалів утворення продуктів реакції та вихідних речовин:

 

 

( - стандартний ізобарний потенціал утворення речовини і),

або за формулою .

Зміну ізохорно-ізотермічного (ізохорного) потенціалу можна визначити за рівняннями:

та .

 

За умови наближеного розрахунку можна припустити, що внаслідок реакції теплоємність системи не змінюється, тобто . Тоді:

 

; ; .

 

При точних розрахунках необхідно враховувати залежність та від температури. Точне значення можна знайти за допомогою метода Тьомкіна-Шварцмана [6, табл. 45, с. 92].

В складних процесах зміну ентальпії та ентропії речовини можна розрахувати як суму змін цих величин на окремих стадіях процесу. Наприклад, 1 моль речовини нагрівають від Т₁ до Т₂ за умови сталого стандартного тиску. Якщо при Т₂ відбувається фазове перетворення речовини (Т₂ = Т_{ф.п .}), то відповідні зміни ентальпії та ентропії наближено () визначаються за такими рівняннями:

при ізобарному нагріванні від Т₁ до Т₂

; ;

 

при агрегатних перетвореннях

 

; .

 

Якщо при сталій температурі кипіння з рідини утворюється пара, тиск якої змінюється від стандартного до заданого, то цей процес є ізотермічним і для нього

; .