Физическая и коллоидная химия

1) Коэффициент сжимаемости Z=PV/nRTдля CO₂ при 0® С и 100 атм равен 0.2007.Вычислите объем 0.1 моля газа при 100 атм и 0® С. Используйте а) закон идеального газа. б)коэффициент сжимаемости.

а) Согласно закону идеального газа, или уравнению Клапейрона-Менделеева:

PV = nRT

Тогда объем равен

V = nRT/P

Все данные к задаче переводим в единицы СИ:

P = 100 атм = 100∙101325 Па = 10132500 Па

T = 0^oC = 273,15 К

V = 0,1∙8,314∙273,15/10132500 = 0,0000224 м³ = 0,0224 л.

б) С учетом коэффициента сжимаемости, выражение для вычисления объема преобразуется следующим образом:

V = Z∙n∙R∙T/P = 0,2007∙0,1∙8,314∙273,15/10132500 = 0,0000045 м³ = 0,0045 л.

2) Исходя из уравнения реакции

CH₃OH(ж.)+3/2O₂(г.)=CO₂(г.)+2H₂O(ж.); ∆_rH^о=-726,5 кДЖ,

вычислить ∆_fH^o образование метилового спирта.

Для вычисления энтальпии образования метилового спирта Найдем справочные значения энтальпий образования остальных реагентов:

Δ_fН^о(О_{2 (г)}) = 0 кДж/моль;

Δ_fН^о(СО_{2 (г)}) = -393,51 кДж/моль;

Δ_fН^о(Н₂О_(ж)) = −286 кДж/моль.

Энтальпия данной реакции вычисляется следующей формулой:

Δ_rН^о = Δ_fН^о(CO₂) + 2Δ_fН^о(H₂O) - Δ_fН^о(O₂) - Δ_fН^о(CH₃OH)

Отсюда выражаем энтальпию образования метилового спирта:

Δ_fН^о(CH₃OH) = Δ_fН^о(CO₂) + 2Δ_fН^о(H₂O) - Δ_fН^о(O₂) - Δ_rН^о;

Δ_fН^о(CH₃OH) = -393,51 + 2∙(-286) – 0 – (-726,5) = -239,01 кДж/моль

3) Установите,возможно ли протекание ниже следующий реакции в стандартных условиях при 25^oС:

4НСl(г.)+О₂(г.)=2Сl₂(г.)+2Н₂О(ж.).

Для решения данной задачи вычислим изменения энтальпии и энтропии в ходе реакции. Энтальпии образования простых веществ равны нулю, поэтому изменение энтальпии реакции равно разности энтальпий образования HCl и Н₂О:

Δ_rH^o₂₉₈ = 2Δ_fH^o₂₉₈(H₂O) - 4Δ_rH^o₂₉₈(HCl) = 2∙(-286)-4∙(-92,3) = -202,8 кДж/моль

Изменение энтропии считается как разность энтропии продуктов реакции и исходных веществ. Стандартные энтропии веществ найдем из справочника:

S^o₂₉₈(HCl) = 186,7 Дж/(моль∙К)

S^o₂₉₈(О₂) = 205,03 Дж/(моль∙К)

S^o₂₉₈(Сl₂) = 223 Дж/(моль∙К)

S^o₂₉₈(Н₂О_ж) = 69,96 Дж/(моль∙К)

Изменение энтропии в ходе реакции равно:

ΔS^o₂₉₈ = 2∙69,96 + 2∙223-205,03-4∙186,7 = -366,18 Дж/К

Протекание реакции зависит от изменения энергии Гиббса ΔG в ходе реакции. Если изменение отрицательно, то реакция возможна при данных условиях. ΔG^o₂₉₈ вычисляют по формуле:

ΔG^o₂₉₈ = Δ_rH^o₂₉₈ - T∙ ΔS^o₂₉₈ = -202800 Дж/моль-298,15К∙(-366,18 Дж/К) = -93623,43 Дж/моль.

Изменение энергии Гиббса меньше 0, что означает – протекание реакции возможно при данных условиях.

4. Для элементарной газофазной реакции

Н₂+Аr=2Н+Аr

значение константы скорости при 3000 К равно 2,2∙10⁴ моль/(л×сек). Определите скорость этой реакции, если известны концентрации [Н₂]=4.1 × 10^-3 М и [Аr]=4.1 × 10^-4 М. При каком значении концентрации аргона скорость реакции увеличивается в двое?

Скорость элементарной реакции определяется согласно закону действующих масс:

v = k∙[H₂]∙[Ar];

Скорость реакции при заданных условиях равна:

v = 2,2∙10⁴∙4,1∙10^-3∙4,1∙10^-4 = 3,7∙10^-2 моль/л∙сек

Из выражения закона действующих масс видно что скорость реакции пропорциональна концентрациям реагирующих веществ. Отсюда следует, для увеличения скорости в два раза, концентрацию Ar следует также два раза повысить. Концентрация Arпри этом равна:

[Ar] = 2∙4,1∙10^-4М = 8,2∙10^-4 М.

5. Обратимая реакция описывается уравнением

А+В↔С+D.

Смешали по 1 моль всех веществ. После установления равновесия в смеси обнаружено 1,5 моль вещества С. Найдите константу равновесия.

Константа равновесия данной реакции выражается следующим образом:

К = , где [A],[B],[C],[D] – равновесные концентрации веществ.

Известно, что изначально количества всех веществ равны 1 моль

После установления равновесия количество вещества С стало равным 1,5 моль. По реакции понятно, что количество вещества D столько же, сколько и С – 1,5 моль. Так как в начальный момент было 1 моль С, то к моменту установления равновесия образовалось дополнительно 0,5 моль вещества. Из реакции, согласно стехиометрическим коэффициентам получаем, что количества веществ А и В уменьшились на 0,5 моль и составили 0,5 моль.

Так как коэффициенты при всех веществах в реакции равны 1, то равновесные концентрации веществ можно заменить равновесными количествами (объем в данном случае сократится).

Константа равновесия

К = = 9

6. Определите концентрацию сахара (С₁₂(Н₂О)₁₁) в растворе, если раствор закипает при 100,50^оС. Эбуллиоскопическая постоянная воды Е= 0,52.

Давно замечено, что при растворении веществ, температура кипения растворителя повышается, и изменение температуры кипения пропорционально концентрации вещества. Изменение температуры кипения вычисляется следующим образом:

ΔT = E∙m, где Е – эбуллиоскопическая постоянная растворителя, m – моляльность раствора.

Температура кипения воды изменилась на ΔТ = 100,5 – 100 = 0,5^оС

Моляльность раствора равна

m = ΔT/E = 0,5/0,52 = 0,9615 моль/кг

Это означает, что в одном килограмме воды растворено 0,9615 моль, или 328,83 грамм сахара

7. Напишите строение мицеллы Ag₂SO₄ с положительной гранулой и назовите ее составные части

2АgNO₃+K₂SO₄=Аg₂SO₄+2KNO₃.

Так как гранула мицеллы положительна, то это означает, что раствор готовится в избытке ионов Ag⁺, которые в первую очередь присоединяются к агрегатам Ag₂SO₄, образуя ядро мицеллы. Формула и структура данной мицеллы представлены на рисунке:

8. Рассчитайте работу адгезии в системе воды – графит, зная, что краевой угол равен 90^о, а поверхностное натяжение воды 71,96 мДж/м².

Работа адгезии для систем жидкость-твердое тело, вычисляется равенством Дюпре-Юнга:

W_ад = σ(1+cosΘ),

где σ – поверхностное натяжение воды, Θ – краевой угол.

Работа адгезии равна:

W_ад = 71,96 мДж/м²∙(1+cos90^o) = 71,96 мДж/м²

9. Определите поверхностное натяжение бензола при температуре 343 К при условии, что полная поверхностная энергия не зависит от температуры и для бензола составляет 62 мДж/м². Температурный коэффициент = -0,13мДж/(м²×K).

Полная поверхностная энергия вычисляется по формуле:

ε = σ – Т ,

где σ – поверхностное натяжение, Т – темпертура, - удельная поверхностная энтропия.

Поверхностное наятжение равно:

σ =ε + Т = 62 + 343∙0,13 = 106,59 мДж/м²

10. Коллоидный раствор получен в результате реакции обмена при смешении равных объемов растворов: 0,09нВа(ОН)₂ и 0,05н Н₂SO₄. Определить какой из двух электролитов (К₂SO₄ или BaCl₂)будет иметь меньший порог коагуляции.

Для решения задачи, требуется сначала определить заряд коллоидных частиц. Для этого найдем, какое из двух смешиваемых веществ взято в избытке. При смешивании протекает реакция:

Ba(OH)₂ + H₂SO₄ = BaSO₄ + 2H₂O.

Из реакции получаем, что при смешении равных объемов, растворы должны быть эквимолярными. Так как концентрация Ва(ОН)₂ выше, то при сливании растворов появляется избыток этого вещества. Поэтому получаем, что заряд коллоидной частицы положителен, а формула мицеллы следующая:

{k[BaSO₄]∙nBa²⁺∙(n-x)SO₄^2-}^2x+∙xSO₄^2-.

Коагуляцию – процес слипания коллоидных частиц, вызывают те ионы электролитов, которые заряжены противоположно грануле. Поэтому на коагуляцию будут влиять в подавляющей степени ионы Cl^- и SO₄^2-. Порог коагуляции – это минимальная концентрация электролита, необходимая для начала коагуляции. В значительной степени порог коагуляции зависит от заряда иона коагулянта: чем выше заряд, тем ниже порог коагуляции. Зависимость порога коагуляции от заряда описывается эмпирическим правилом Шульце-Гарди:

γ = А/z⁶,

где γ – порог коагуляции, А – постоянная, z – заряд иона-коагулянта.

Из всего приведенного понятно, что порог коагуляции будет ниже для электролита K₂SO₄.

Поиск по сайту: