WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!


Pages:     || 2 | 3 | 4 | 5 |   ...   | 24 |
ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Ульяновский государственный технический университет В. Т. Письменко, Е. Н. Калюкова Физическая химия Практикум для студентов, обучающихся по специальности 330200 «Инженерная защита окружающей среды» Ульяновск 2009 УДК 541.1 (075) ББК 24.5я7 П 35 Рецензенты: зав. кафедрой «Общая экология» проф., доктор биологических наук В. Н. Горбачев (ГОУ ВПО Ульяновский государственный университет), доцент каф. «Природопользование», канд. биол. наук О. А. Индирякова (ГОУ ВПО Ульяновский государственный университет) Утверждено редакционно-издательским советом университета в качестве учебного пособия Письменко, В. Т.

Физическая химия. Практикум для студентов, обучающихся по П 35 специальности 330200 – Инженерная защита окружающей среды : учебное пособие / В. Т. Письменко, Е. Н. Калюкова. – Ульяновск : УлГТУ, 2009. – 230 с.

ISBN 978-5-9795-0471-1 Пособие предназначено для студентов специальности «Инженерная защита окружающей среды», а также студентов первых курсов нехимических специальностей вузов. Пособие написано в соответствии с программой курса физической химии для инженерной подготовки студентов. Может быть использовано для факультативной подготовки старшеклассников, учителями средней школы. Рассматриваются основные понятия, определения химической термодинамики, кинетики, электрохимии. Разделы сопровождаются многочисленными примерами, упражнениями, задачами и иллюстрациями, позволяющими самостоятельно усвоить прочитанный материал и приобрести навыки практических расчетов.

УДК 541.1(075) ББК 24.5я7 © В. Т. Письменко, Е. Н. Калюкова, 2009 ISBN 978-5-9795-0471-1 © Оформление. УлГТУ, 2009 2 ОГЛАВЛЕНИЕ ПРЕДИСЛОВИЕ............................................................................................................ 6 ГЛАВА 1. ХИМИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА..................................... Введение......................................................................................................................... 1. НЕКОТОРЫЕ ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ................................ 2. ИЗМЕНЕНИЕ ВНУТРЕННЕЙ ЭНЕРГИИ СИСТЕМЫ........................................ 2.1. Изменение внутренней энергии системы при проведении процесса при постоянном объеме.................................................................................................. 2.2. Изменение внутренней энергии системы при проведении процесса при постоянном давлении............................................................................................... 2.3. Энтальпия и ее изменение................................................................................ 2.4. Термохимические уравнения........................................................................... 2.5. Энтальпия образования вещества.................................................................... 2.6. Стандартные условия........................................................................................ 2.7. Влияние температуры на тепловой эффект реакции...................................... 3. ТЕРМОХИМИЧЕСКИЕ ЗАКОНЫ......................................................................... 3.1. Закон Лавуазье-Лапласа.................................................................................... 3.2. Закон Гесса......................................................................................................... 3.3. Теплота сгорания............................................................................................... 3.4. Термохимические расчеты............................................................................... Лабораторная работа 1. Определение теплоты гидратации соли........................ Лабораторная работа 2. Определение теплоты нейтрализации сильной кислоты сильным основанием................................................................................................ Лабораторная работа 3. Определение теплоты растворения солей.................... 4. НАПРАВЛЕННОСТЬ ХИМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ....................................... 4.1. Самопроизвольные и обратимые процессы.................................................... 4.2. Принцип Бертло-Томсена................................................................................. 4.3. Энтропия и ее изменение.................................................................................. 4.4. Изменение энтропии и направленность процессов........................................ 4.5. Энтропия как мера беспорядка........................................................................ 4.6. Стандартные энтропии..................................................................................... 4.7. Свободная энергия – критерий направленности процессов......................... 4.8. Изобарно-изотермический потенциал............................................................. 4.9. Примеры расчета свободной энергии.............................................................. 4.10. Стандартный изобарно-изотермический потенциал и его изменение...... 4.11. Изменение изобарно-изотермического потенциала при нестандартных условиях.................................................................................................................. 4.12. Изохорно-изотермический потенциал......................................................... 4.13. Особенности термодинамического метода исследования......................... ГЛАВА 2. КИНЕТИКА ХИМИЧЕСКИХ РЕАКЦИЙ.............................. 1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ ХИМИЧЕСКОЙ КИНЕТИКИ...................................



2. ВЛИЯНИЕ НЕКОТОРЫХ ФАКТОРОВ НА СКОРОСТЬ РЕАКЦИИ.............. 2.1. Зависимость скорости от концентрации реагирующих веществ................ 2.2. Кинетические уравнения и порядок реакции............................................... 2.3. Зависимость скорости реакции от температуры........................................... 2.4. Энтропия активации........................................................................................ Лабораторная работа 4. Определение константы скорости и энергии активации реакции гидролиза этилацетата.......................................................................... Лабораторная работа 5. Определение константы скорости и энергии активации реакции окисления йодоводородной кислоты пероксидом водорода................ ГЛАВА 3. ГЕТЕРОГЕННЫЕ РАВНОВЕСИЯ................................ 1. НЕКОТОРЫЕ ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ............................ 2. ЗАКОН РАСПРЕДЕЛЕНИЯ НЕРНСТА-ШИЛОВА. ЭКСТРАКЦИЯ ИЗ РАСТВОРОВ.......................................................................................................... 3. ЭКСТРАГИРОВАНИЕ.......................................................................................... Лабораторная работа 6. Определение коэффициента распределения органической кислоты между двумя несмешивающимися жидкостями......... Лабораторная работа 7. Определение коэффициента распределения йода между органическим и неорганическим растворителем................................................ ГЛАВА 4. ЭЛЕКТРОХИМИЯ................................................. Введение..................................................................................................................... 1. ЭЛЕКТРОДНЫЕ ПОТЕНЦИАЛЫ...................................................................... 1.1. Возникновение двойного электрического слоя на границе электрод – электролит за счет окисления-восстановления металла..................................... 1.2. Строение двойного электрическго слоя........................................................ 1.3. Возникновение двойного электрического слоя на границе электродэлектролит за счет окисления-восстановления неметалла. Водородный электрод................................................................................................................................. 1.4. Электроды, измеряющие окислительно-восстановительный потенциал.. 1.5. Электроды первого и второго рода................................................................ 1.6. Определение электродных потенциалов....................................................... 1.7. Уравнение Нернста и расчет электродных потенциалов............................. 1.8. Гальванические элементы............................................................................. 1.8.1. Классификация гальванических элементов.......................................... 1.8.2. Измерение электродных потенциалов.................................................... Лабораторная работа 8. Определение стандартного окислительновосстановительного потенциала ферри-ферроэлектрода................................ ЗАКЛЮЧЕНИЕ......................................................................................................... БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК....................................................................... ПРИЛОЖЕНИЯ......................................................................................................... Предисловие Пособие написано для студентов нехимических специальностей технических вузов в соответствии с программой по физической химии (ЕН.Ф.04) государственного образовательного стандарта высшего профессионального образования по направлению «Защита окружающей среды» специальности 330200 – «Инженерная защита окружающей среды». Общий объем занятий согласно учебному плану 85 часов, включая часы и на самостоятельную работу студентов, и аудиторные занятия.

Классическое изложение курса физической химии для студентов нехимических специальностей в этом объеме часов затруднено из-за явно недостаточного количества часов, отводимых в учебных планах на его изучение (например, для студентов специальности «Инженерная защита окружающей среды» по курсу физической химии предусмотрено всего 16 часов лекций и 16 часов лабораторных работ!). К тому же у студентов возникают трудности, связанные с использованием аппарата высшей математики, с которым студенты не успели еще достаточно глубоко познакомиться.

В последнее время студенты демонстрируют, как правило, в большей степени алгоритмическое мышление (что, видимо, связано с методологическим креном школьной педагогики): они могут формально оперировать понятиями, не представляя их сущности при решении задач. Так, например, зная уравнение Менделеева-Клапейрона, они не могут им воспользоваться при решении, если один из параметров состояния газа задан в неявном виде. Студенты могут механически рассчитать термодинамические характеристики, используя табличные данные, не представляя, что скрывается за понятиями: энтальпия, энтропия, изобарно-изотермический потенциал. Такое положение обусловлено недостаточным развитием творческого мышления; поверхностным, формальным представлением о сущности тех или иных понятий, определений и отсутствием связи между ними.

Поскольку курс физической химии ограничен объемом часов учебного плана для студентов специальности «Инженерная защита окружающей среды», то в приведенном пособии рассматриваются не все разделы классического курса. Главная задача данного пособия – помочь читателю усвоить основные понятия химической термодинамики, кинетики, гетерогенных равновесий и электрохимии, установить взаимосвязь между ними и развить практические навыки решения конкретных задач, примеров и закрепить их при проведении лабораторных работ.





Основной акцент, естественно, сделан на самостоятельную работу, принимая во внимание недостаточность аудиторных часов занятий с преподавателем. Почти каждый раздел сопровождается упражнениями по решению тех или иных задач. Кроме того, приведены вопросы и задачи для самостоятельной проработки прочитанного материала. Поэтому читателю рекомендуется работать с карандашом в руке, т. к. прочные, глубокие знания приходят через труд, а не созерцание.

Пособие написано по результатам многолетней работы на кафедре химии Ульяновского государственного технического университета.

Глава 1. ХИМИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА Введение Как известно, вещества состоят из отдельных частиц (молекул, атомов, ионов, электронов…), находящихся во взаимодействии. При химических превращениях происходит изменение состава системы и строения веществ. Это связано с разрушением старых связей между частицами исходного вещества (для этого требуются затраты энергии) и образованием новых связей между частицами вновь образующихся веществ, которое сопровождается выделением энергии. Так или иначе, химические превращения сопровождаются энергетическими изменениями.

Выделение (или поглощение) энергии в химическом процессе, т. е. обмен энергией между окружающей средой и реагирующей системой (или в пределах самой системы) в различных видах и формах происходит эквивалентно. Например, взаимодействие цинка с сульфатом меди в гальваническом элементе протекает с превращением химической энергии в электрическую энергию. При электролизе протекает обратный процесс превращения электрической энергии в химическую энергию. Энергия сгорания топлива в ракетных двигателях преобразуется в механическую энергию поступательного перемещения ракеты и выделения части ее в окружающую среду в виде тепла и света. Энергия окисления бензина в двигателе внутреннего сгорания автомобиля сопровождается передачей ее окружающей среде в виде тепла и работы по перемещению автомобиля. Поглощение квантов лучистой энергии фотопленкой приводит к протеканию химических процессов и так далее.

В связи с тем, что в первых изучаемых процессах обмен энергией чаще всего протекал через тепловые эффекты, это нашло отражение в исторически сложившемся названии данного раздела химии – химическая термодинамика (от греческого thermo – теплота, dynamic – сила). Естественно, современная химическая термодинамика не ограничивается одним способом передачи энергии.

Превращения веществ и химические реакции, сопровождающие эти превращения, протекают при определенных условиях (температуре, давлении, концентрации и т. д.). При изменении в системе условий процесс может остановиться, т. е. перестанет протекать, или процесс может начать протекать в обратном направлении, сопровождаясь энергетическими изменениями. Поэтому химическая термодинамика изучает условия, при которых процессы становятся возможными, а также равновесные состояния веществ и реакционных систем.

Таким образом, можно сказать, что химическая термодинамика является разделом химии, который изучает превращение одних видов энергии в другие, энергетические эффекты, сопровождающие различные физикохимические процессы, а также условия самопроизвольного протекания процессов и их равновесия.

Термодинамика опирается только на опыт. Все ее понятия и законы являются результатом человеческого опыта и имеют общий характер.

Прежде чем перейти к рассмотрению энергетических закономерностей химических процессов, познакомимся кратко с некоторыми основными определениями химической термодинамики.

1. НЕКОТОРЫЕ ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ Система. Объектом изучения в термодинамике является система. Под системой принято понимать произвольно выбранную совокупность тел, веществ, находящихся во взаимодействии, Реакционная которая (совокупность) мысленно или факсистема тически выделяется из окружающей ВСЕЛЕННАЯ среды (рис. 1).

Под понятием «тело» в химической термодинамике подразумевается заполняющее определенный объем, вещество внешний вид которого (цвет, форма) представляется несущественным. Под телом Окружающая может подразумеваться какое-либо вещестсреда во (например, вода, воздух, железо, соль, Рис. 1. Схематическое раствор вещества), которое характеризуетположение системы ся определенными свойствами (плотность, температура, давление, концентрация и др.) и занимает определенный объем.

В зависимости от характера взаимодействия системы с внешней средой различают изолированные, замкнутые и открытые системы.

Изолированная система не обменивается с окружающей средой ни веществом, ни энергией и имеет постоянный объем (V = const).

В природе не существует изолированных систем. Любая реальная система взаимодействует с окружающей средой. И поэтому понятие изолированная система – это воображаемое теоретическое построение. Представим себе, например, реагирующую смесь из водорода и кислорода в запаянном сосуде со стенками из теплоизоляционного материала. Такая система не обменивается с окружающей средой энергией и веществом, хотя мы понимаем, что идеальной теплоизоляции нет и рано или поздно данная система обменяется энергией с окружающей средой.

Кстати, экспериментальное исследование изолированной системы невозможно, т. к. для получения информации о ее состоянии нужно вводить в нее сигналы и получать их обратно, что противоречит определению понятия изолированная система. Но мы будем пользоваться этим понятием, помня о его идеализированном характере.

Pages:     || 2 | 3 | 4 | 5 |   ...   | 24 |










© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.