Химическая кинетика и катализ

Варианты контрольных заданий

Варианты	Номера задач
00,50
01,51
02,52
03,53
04,54
05,55

Продолжение

06,56
07,57										167
08,58
09,59
10,60
11,61
12,62
13,63
14,64
15,65
16,66
17,67
18,68
19,69
20,70
21,71										18!
22,72
23,73
24,74
25,75
26,76
27,77
28,78
29,79
30,80						ПО
31,81
32,82
33,83
34,84									15S
35,85
36,86
37,87
38,88
39,89

Окончание

40,90
41,91
42,92
43,93
44,94
45,95
46,96
47,97
48,98
49,99

ФИЗИЧЕСКАЯ ХИМИЯ

1. Агрегатное состояние вещества

Агрегатное состояние — важнейшая характеристика ве­щества. Обычно указывают агрегатное состояние при ком­натной температуре, хотя большинство веществ при соответ­ствующих изменениях температуры могут находиться в лю­бом из агрегатных состояний. Важнейшие из параметров, оп­ределяющих агрегатное состояние — межмолекулярное взаи­модействие и размеры молекул. Чем больше эти величины, тем вероятнее, что вещество будет твердым при комнатной температуре.

Изучая конкретно каждое из агрегатных состояний (газо­образное, жидкое, твердое), сравните их между собой по рас­стоянию между молекулами, возможным способам переме­щения молекул и силам межмолекулярного взаимодействия. Также проведите сопоставление понятий «реальный газ» и «идеальный газ», сравнив уравнение Ван-дер-Ваальса и уравнение Менделеева-Клапейро­на , сделав упор на физическом смысле констант уравнений Ван-дер-Ваальса; здесь Р — давление, V — объем, Т — температура (по Кельвину) газа, а и b — константы. При изучении твердого состояния обратите внимание на различие между кристаллическими и стеклообразными телами, сравни­те последние с жидкостями. Изучая жидкое состояние, постарайтесь уяснить физический смысл понятий поверхностное натяжение и вязкость.

Изучая молекулярно-кинетическую теорию газов, обратите внимание на ее важнейший вывод, связывающий параметры уравнения состояния со средней кинетической энергией дви­жущихся молекул. В соответствии с выводами этой теории, ; здесь М — масса моля газа; — среднее значение квадрата скорости.

Решение типовой задачи

1. Рассчитать скорость движения молекул водорода при температуре 25°С.

Решение. Основным выводом молекулярно-кинетической теории газов является установление связи между величи­нами PV = RT и средней кинетической энергией молекул газа , эта связь выражается формулой:

PV=RT=2/3 или RT=

где R — универсальная газовая постоянная;

Т — температура газа, °К;

М — молярная масса газа (масса моля), кг;

средняя скорость движения молекул.

Таким образом,

Рассчитываем значение для молекулы водорода: по условию М = кг; Т = 25 + 273 = 298 (К);

R = 8,31 дж/моль К,

тогда м/с.

Вопросы для самопроверки

1. Назовите переходы из одного агрегатного состояния в другое.

2. Опишите явления, сопровождающие эти переходы-

3. Схематично на графике представьте изменение температуры во времени при нагревании некоторого количества вещества в области температур, где имеется плавление и ки­пение вещества.

4. Что такое плазма? Каковы особенности ее физических свойств?

5. Что такое уравнение состояния? Каким уравнением описывается состояние идеального газа?

6. Какие физические законы объединены в уравнении Менделеева-Клапейрона?

7. Чем отличаются реальные газы от идеальных газов? Какими уравнениями состояния описываются реальные газы?

8. Какой физический смысл имеет газовая постоянная? Каковы ее возможные размерности?

9. В чем сущность молекулярно-кинетической теории га­зов?

10.Что такое средняя квадратичная скорость движения молекул? Как она связана с температурой?

11.Как различается средняя скорость движения молекул различных газов при повышении молекулярной массы, если эти газы находятся при одной температуре?

12.Что такое длина свободного пробега молекулы? Какое она имеет значение для расчета скоростей химических реак­ций?

13.Поясните смысл таких характеристик жидкости как поверхностное натяжение, вязкость, давление насыщенного пара. От каких собственных характеристик вещества они зависят?

14.Как измеряют поверхностное натяжение и вязкость?

15.Перечислите известные вам типы кристаллических решеток.

ЗАДАЧИ ДЛЯ КОНТРОЛЬНОЙ РАБОТЫ

1-10. Кратко укажите, в чем различие и сходство между газообразным, жидким и твердым состоянием? Какие из соб­ственных характеристик вещества определяют его агрегатное состояние при обычных условиях? Почему некоторые веще­ства не имеют всех трех агрегатных состояний? Приведите примеры. Используя для расчетов уравнение Менделеева -­ Клапейрона и закон Авогадро, проставьте в таблице недо­стающие данные в соответствии со своим вариантом (в двух рядах таблицы!)

11-20. Как связано произведение РV (RТ) с суммарной кинетической энергией молекул 1 моля газа? Какой физичес­кий смысл вкладывает молекулярно-кинетическая теория в понятие «температура» и «абсолютный нуль» (-273 С)? Ис­пользуя выводы молекулярно-кинетической теории, рассчи­тайте недостающие в таблице данные (в соответствии со сво­им вариантом).

№задачи	Формула газа	Давление, атм	Давление, Па	Число молей	Объём, л	Масса, кг	Число молекул
1,2						0.040
1,2,3				0.5
3,4
4,5						0.5
5,6				2.5
6,7						I.2
7,8						0.35
8,9
9,10				0.75

№ задачи	Формула вещества	Молек. Масса, кг			Скорость движ. молекул, м/с
					609,47
					500,1
		0,032
				-20

2. Химическая термодинамика и термохимия

Вопросы для самопроверки

1. Что такое энергия? Перечислите известные вам ее ви­ды. Сформулируйте закон сохранения энергии.

2. Что понимается под внутренней энергией термодина­мической системы? Что такое энтальпия? Какова связь меж­ду внутренней энергией и энтальпией?

3. Сформулируйте первое начало термодинамики. При­ведите его математическое выражение. В чем особенности тепловой энергии?

4. Сформулируйте закон Гесса. Укажите условия его при­менения. Как рассчитывают тепловые эффекты реакций, ко­торые не могут быть найдены экспериментально? Какие дан­ные для этого необходимы?

5. Укажите связь закона Гесса с первым законом термо­динамики.

6. Как определяют теплоты реакций из энтальпий обра­зования веществ?

7. Что такое параметр состояния? Какие параметры сос­тояния термодинамической системы являются интенсивными, экстенсивными? Перечислите термодинамические параметры, применяющиеся для описания систем, в которых протекает химическая реакция (в том числе и биологических).

8. Какие процессы в термодинамике называются обра­тимыми; необратимыми? Приведите примеры. Как изменяет­ся энтропия систем, в которых протекают эти процессы?

9. Что такое энтропия? Какой физический смысл имеет различие величин S и Q/T в случае необратимых процес­сов? Как может изменяться энтропия изолированной, закры­той и открытой систем?

10. Каково статистическое толкование понятия энтропия? Как изменяется энтропия в процессе жизнедеятельности и гибели живого организма как открытой системы?

11. Укажите, увеличится или уменьшится энтропия в сле­дующих процессах: плавление льда, разложение N₂0₄ (N₂0₄ = 2N0₂), получение аммиака (N₂ + 3H₂ = 2NH₃), раство­рение поваренной соли в воде. Дайте объяснения на основе представлений об изменении степени упорядоченности в этих системах.

12. Сформулируйте третий закон термодинамики. Как на его основе производят вычисление абсолютных энтропий? Для чего нужны эти величины?

13. Как связана величина свободной энергии химического процесса с константой его равновесия? Каково значение это­го выражения?

14. Рассмотрите, как изменяется энтропия при переходе от неживой (косной) материи к живому веществу в процессе эволюции.

15. Согласуется ли возникновение высокоорганизованной материи-жизни со вторым законом термодинамики?

Решение типовой задачи

Вычислить изменение стандартной энтропии образования этанола из элементов, пользуясь табличными данными абсолютных энтропий веществ при 25 С (стандарт­ных энтропий веществ) .

Вещество Дж/к моль

графит 5,21

(г) 130,52

(г) 205,18

(г) 160,78

Решение.

Уравнение образования этанола из элементов:

2С+3 +

Подставляя величины в уравнение для данной реакции, получим с учетом коэффициентов уравнения реакции:

= 160,78-(2*5,21+3*130,52+ ½*205,18) =

=-343,79 Дж/к* моль

2. Вычислите изменение энтропии при плавлении 10 г во­ды. Удельная теплота плавления q равна 19,12 Дж/г.

Решение. Изменение энтропии для изотермического обра­тимого процесса можно рассчитать по формуле:

где - изменение энтропии процесса;

Q – теплота процесса;

T – температура К

Температура плавления льда 273, 16°К.

Таким образом, 1 г воды найдем как

Для плавления 10 г вещества будем иметь 0,70 Дж/К г.

3. Найти энтальпию процесса, соответствующего простей­шему уравнению фотосинтеза, по величинам энтальпий обра­зования исходных веществ и продуктов реакции.

Решение. Простейшее уравнение фотосинтеза:

Стандартные энтальпии образования веществ, участвующих

в этом процессе найдем в таблице (см. приложения).

= -2820,1 кДж/моль

= -393,5 кДж/моль

= -241,8 кДж/моль

, как простого вещества, равно 0.

Воспользуемся для решения задачи законом Гесса. Для этого

запишем термохимические уравнения всех процессов образо­вания указанных веществ.

(1)

(2)

(3)

Умножим уравнения (2) и (3) на минус шесть и сложим по­членно все эти уравнения, получим:

Произведем алгебраическое сложение:

переносим вправо переносим влево

окончательно:

Получим искомое уравнение фотосинтеза, из которого

ясно, что

Итак, = -2820,1-6 *(-393,5)-6 (-241,8) =991,7 кДж/моль

ЗАДАЧИ ДЛЯ КОНТРОЛЬНОЙ РАБОТЫ

21-30. Сформулируйте закон Гесса. В каких условиях теплота реакции может быть заменена изменением энтальпии процесса? Найдите энтальпию реакции по величинам энталь­пий образования исходных веществ и конечных продуктов (в соответствий со своим вариантом).

№ задачи	Процесс
	2С Н +5O =4CO +2H O
	CH +2O =CO +2H O
	2CH OH+3O =2CO +4H O
	CH COOH+2O =2CO+2H O
	CaO+H O=Ca(OH)
	2CO+4H =C H OH+H O
	Al O +3SO =Al (SO )
	4NH +5O =4NO+6H O
	Fe O +2Al=2Fe+Al O
	Fe O +3CO=2Fe+3CO

ЗАДАЧИ ДЛЯ КОНТРОЛЬНОЙ РАБОТЫ

31-40. Какая термодинамическая функция называется энтропией? Каково её статистическое толкование? Как вычисляется изменение энтропии в равновесном изотермическом процессе? Найдите изменение энтропии в указанных ниже процессах при стандартных условиях.

№ задачи	Процессы
31,32	N +3H =2NH
33,34	H +J =2HJ
35,36	2NO+O =2NO
37,38	H +Cl =2HCl
39,40	кипение 1 кмоля воды (уд.)=2,257 кДж/г

Химическая кинетика и катализ

Вопросы для самопроверки

1. Что понимается под скоростью химической реакции? Какие факторы влияют на скорость реакции? Как изменяет­ся скорость реакции во времени?

2. Какая реакция является реакцией первого порядка? Каким уравнением она описывается?

3. Что такое период полураспада?

4. Какие реакции называются реакциями второго поряд­ка? Каким уравнением они описываются?

5. Каков физический смысл константы скорости? От каких факторов она зависит?

6. Как влияет температура на скорость реакции? Сфор­мулируйте правило Вант-Гоффа.

7. Почему при повышении температуры скорость реакций возрастает? Что такое энергия активации? Как и для чего ее определяют?

8. В чем сущность теории Аррениуса, описывающей влиян­ие температуры на скорость реакций?

9. Что такое катализ? Катализатор? Почему катализато­ры не влияют на смещение равновесия? Приведите примеры гомогенного катализа.

10. Как различные теории объясняют каталитическое дей­ствие? В чем особенности гетерогенного катализа?

11. опишите основные особенности ферментативного ка­тализа. Приведите примеры процессов, протекающих под дей­ствием ферментов. Сравните активность ферментов как ката­лизаторов с активностью искусственно полученных каталити­ческих систем.

12. Какие вещества называются ингибиторами и ретар­дантами? Где они применяются?

13. Приведите примеры веществ, являющихся ингибито­рами нитрификации, ингибиторами окислительно-восстанови­тельных процессов, протекающих при хранении продуктов.

Решения типовых задач

1. Период полураспада () полония равен 137 дням. Най­ти время, в течение которого от исходного количества веще­ства - 0,1 г - останется 0,01 г (10%).

Решение. Радиоактивный распад описывается кинетичес­ким уравнением реакции первого порядка, т. е. , или kt=ln , или kt=2,3 1g[a/(a-x)], где к - константа скорости, t - время реакции, а - начальная концентрация или количество вещества, х - текущая концентрация, проре­агировавшее количество, (а-х) - конечная концентрация. Кроме того, константа скорости связана с периодом полурас­пада соотношением к=0,69/ . Отсюда t=2.3 lg .

Подставим данные задачи в полученное уравнение:

t=2,3 lg

t=2,3 lg10=2,3 I

t= дней

2. Определить энергию активации реакции разложения йодистого водорода, если известны константы скоростей при двух температурах: , =8,1 10 при T =629°K и = 1,06 10 при Т =781° К.

Решение. Зависимость константы скорости от энергии активации определяется уравнением:

или ,где к - константа скорости при данной температуре Т, -константа, R-газовая постоян­ная, е - основание натуральных логарифмов, Е - энергия

активизации.

Используя данные задачи, имеем два уравнения:

Или в логарифмической форме:

(1); (2)

Вычтем из уравнения (1) уравнение (2):

,

отсюда 2,3 lg =E , E=2,3 lg :

Подставим данные задачи и R=8,313 Дж/к моль.

E= кДж/моль.

Задачи для контрольной работы

41-50. Что понимается под скоростью реакций? Какие факторы влияют на скорость реакции? Какая реакция называется реакцией первого порядка? Каким кинетическим уравнением она описывается? Найти количество вещества, оставшееся после протекания реакции, или время реакции по данным таблицы.

№ задания	Процесс	Порядок реакции	Период полураспада	Время протекания реакции, с	Начальная концентрация (кол-во)	Конечная концентрация (кол-во)	Константа скорости
	распад изотопа	первый	44с		1 г
					0,001 моль/л
					0,1 г
	распад изотопа		10 дн.		10 г	0,1 г
					10 моль/л		3,44
					10 моль/л		1,04
	распад изотопа		100дн.		100 г	0,1 г
		второй			0,16		0,007
	распад изотопа	первый	300дн.		100 г	100 г
	-	второй			100%	90%	4

51-54. Как зависит скорость реакции от температуры? В чем сущность теории Аррениуса, описывающей влияние температуры на скорость реакции? Что такое энергия активации? Вычислите энергию активации процесса по данным таблицы.