Методичка по общей химии

ионов в молекуле электролита: NaCl (2), CaCl2 (3), Na3PO4

(4), Al2(SO4)3 (5).

2. Давление насыщенного пара присуще каждой

жидкости. Пар,

находящийся в равновесии с жидкостью, называется насыщенным. При растворении в жидкости нелетучего

вещества давление пара рас-твора понижается по сравнению

с чистым растворителем. Разность между давлениями называется понижением давления пара раство-рителя (∆p = p0

– p). Если это понижение отнести к р0, то оно на-зывается

вещества,

N − число молей растворителя.

Для реальных растворов в это уравнение необходимо

зависят от давления пара над растворами. Жидкость закипает, когда

давление её пара достигает внешнего атмосферного давления.

Вследствие пони-жения давления пара растворителя над раствором температура кипе-ния раствора всегда выше, чем чистого растворителя. Разность между

42

температурами кипения называется повышением температуры ки-пения (∆tкип. или ∆Tкип.).

Жидкость кристаллизуется (затвердевает), когда

давление её пара становится равным давлению насыщенного пара соответствующей твёрдой фазы. Давление пара льда

достигается у водного раствора при более низкой температуре, чем у растворителя (воды).

Разность между температурами кристаллизации называют пони-жением температуры кристаллизации (∆tкрист. или

∆Tкрист.). Темпера-туру кристаллизации часто называют температурой замерзания.

Понижение температуры кристаллизации, повышение

темпера-туры кипения раствора пропорционально концентрации раство-рённого вещества (следствия из закона Рауля):

∆tкрист.= K. в(X), ∆tкип.= Е. в(X), где

K и Е − коэффициенты пропорциональности, называемые

криоскопи-ческой и эбулиоскопической постоянными,

соответственно.

Если в(X) = 1 моль/кг, то K = ∆tкрист., Е = ∆tкип.. В этом заключён их физический смысл.

K и Е зависят от химической природы растворителя и не зависят от природы растворённого вещества.

Для реальных растворов: ∆tкрист.= i .K. в(X), ∆tкип.= i. Е.

в(X).

С помощью закона Рауля и следствий из него можно

вычислять молекулярные массы растворённых веществ:

массы растворённого вещества и растворителя измерены в граммах.

Задачи с решениями.

0. Вычислите осмотическое давление раствора, содержащего в 1,5 л 135 г глюкозы С6Н12О6 при 00С.

59

изобарно-изотермическим потенциалом)?

19. Каким образом изменение энергии Гиббса (∆G) указывает на тер-модинамическую возможность или невозможность самопроизвольного протекания процесса? Какое значение ∆G

определяет равновесное состояние системы?

20. При каком соотношении ∆H и T.∆S: а) система находится в равно-весии; б) химический процесс направлен в сторону экзоили эндо-термической реакции?

21.Чем объясняется возможность эндотермических реакций и поче-му она возрастает с увеличением температуры?

22.Энтальпийным или энтропийным фактором определяется направ-ление химической реакции при очень низких температурах?

23.При каких значениях по знаку ∆H и T.∆S в системе возможны только экзотермические процессы?

24.Вычислите значение ∆Hреакции превращения глюкозы в организ-ме: а) C6H12O6(к) = 2C2H5OH(ж) + 2СO2(г)

б) C6H12O6(к) + 6O2(г) = 6СО2(г) + 6 Н2О(ж)

Какая из этих реакций поставляет организму больше

энергии?

∆Hƒ(C6H12O6 (к)) = −1273 кДж/моль, ∆Hƒ(C2H5OH) = −278

кДж/моль

∆Hƒ(CO2 (г)) = −393 кДж/моль, ∆Hƒ(H2O(ж) ) = −286 кДж/моль

Ответ: а) −69 кДж; б) −2801 кДж.

25. Теплоты сгорания углеводов, белков и жиров в организме чело-века составляют соответственно 4,6; 4,2;

9,3 ккал/г. Среднесуточная потребность в углеводах, белках и жирах для студентов − мужчин сос-тавляет 451, 113 и 106

г, для студентов − женщин 383, 96 и 90 г. Ка-кова суточная потребность студентов в энергии?

Ответ: 3535 ккал и 3002 ккал.

26. Теплоты образования Н2О (ж) и Н2О (г) равны соответственно −286 и −242 кДж/моль. Определите теплоту испарения воды. Сколько тепло-

58

3.Что называют функцией состояния системы? Перечислите функ-ции состояния.

4.Какую энергию называют внутренней энергией системы

(U)?

5.Какова формулировка I начала термодинамики? Запишите матема-тическое выражение этого закона.

6.При каких условиях изменение внутренней энергии (∆U)

равно теплоте, получаемой системой из окружающей среды?

7.Какой процесс называют изобарным? На что затрачивается теп-лота, получаемая системой в условиях постоянного давления?

8.К какому изменению внутренней энергии проявляет стремление каждая система? В чём это находит выражение?

9.Каким уравнением определяется энтальпия и её изменение?

10.При каких условиях изменение энтальпии (∆H) равно теплоте, получаемой системой из окружающей среды?

11.Какой закон является основным законом термохимии? Кто ав-тор? Дайте формулировку.

12.Что называется тепловым эффектом химической реакции?

Какие уравнения называются термохимическими?

13. Что называют теплотой: а) образования; б) сгорания веществ? В каких единицах их выражают?

14. Перечислите следствия, вытекающие из закона Гесса.

Для каких определений они используются в термохимических расчётах?

15.В изолированных системах все самопроизвольные процессы про-текают в сторону увеличения беспорядка. Как изменяется при этом энтропия?

16.Какую тенденцию системы выражает: а) энтальпийный; б)

энтро-пийный фактор?

17. Какая функция состояния системы даёт количественную харак-теристику одновременного влияния энтальпийного и энтропийного факторов? Каким уравнением это выражается?

18.Какую энергию называют энергией Гиббса

(свободной энергией,

2. Определите молярную массу вещества, если в 5 л его

3. Сколько (г) глюкозы С6Н12О6 должен содержать 1 л

раствора, что-бы его осмотическое давление было таким же,

как и раствора, содер-жащего в 1 л при той же температуре

ной кислоты в 0,01 М растворе, если при 300 K этот раствор создает осмотическое давление 43596,4 Па?

2) α = ni−−11 , где n − число ионов, на которые распадается

По уравнению n = 2, α = 1,752−1−1 = 0,75 .

6. Вычислите давление пара раствора, содержащего 34,2 г

−72,9 − 18,02 = −90,92 (кДж/моль). Ответ: − 90,92

кДж/моль.

4. Рассчитайте изменение энергии Гиббса для процесса окисления глюкозы C6H12O6(к) + 6O2(г) = 6СО2(г) + 6Н2О(ж) при температуре 37°, ес-ли ∆Нсгор.(С6Н12О6) = − 2801 кДж/моль, а энтропии веществ равны (в Дж/моль.K): S(C6H12O6) = 210, S(O2) = 205, S(CO2) = 213, S (H2O) = 70.

Решение:

1)∆Sреакции = ΣSƒ(продуктов) − ΣSƒ(исх. в-в) = [6.Sƒ(CO2) + 6.Sƒ(H2O)] − [Sƒ(C6H12O6) + 6.Sƒ(O2)] = 6.213 + 6.70 − (210 + 6.205) = 58 (Дж/моль.K)

2)∆G = ∆H − T.∆S = −2801 − 310.258.10−3 = −2881(кДж/моль )

3)∆G << 0, что свидетельствует о самопроизвольном протекании про-цесса окисления глюкозы в организме. ∆H < 0

(экзотермическая реак-ция), ∆S > 0, т.е. и энтальпийный, и

энтропийный факторы способ-ствуют протеканию реакции.

∆Sреакции; б) знак ∆Gреакции В → А при температуре Т; в) возможность протекания реак-ции В → А при низких

б) ∆G > 0 для реакции В → А, ∆H < 0 и ∆S < 0;

в) реакция В → А возможна, при низких температурах T.∆S

мало и ∆H > T.∆S (по абсолютной величине), поэтому ∆G < 0.

Вопросы и задачи для самоподготовки.

1.Что называют системой в химической термодинамике?

Какова классификация систем?

2. Теплоты сгорания ацетилена и этана равны соответственно

−1300 и −1540 кДж/моль. Чему равна теплота гидрирования

СaCl2.6H2O из безводной соли (теплоту гидратации) по следующим данным: теплота растворения CaCl2.6H2O равна

+18,02 кДж/моль, теплота растворе-ния CaCl2 равна −72,9

кДж/моль.

Решение: 1) составим треугольник Гесса:

CaCl2.6H2O

∆Hгидрат.

∆Hрастворения (CaCl2.6H2O)

CaCl2, H2O

CaCl2

∆Hрастворения (CaCl2)

0) По треугольнику Гесса:

∆Hрастворения (CaCl2) = ∆Hгидр. + ∆Hрастворения

(CaCl2.6H2O)

∆Hгидр. = ∆Нрастворения (CaCl2) − ∆Hрастворения (CaCl2.6H2O) =

45 7. Определите молярную массу вещества, если над раствором,

содер-жащим 21 г вещества в 400 г ацетона, давление пара равно 21854,4 Па. Давление пара ацетона при этой

3)M(в-ва) = 21/ 0,658 = 32 (г/моль).

Ответ: 32 г/моль.

8. Определите температуру кипения и замерзания раствора,

содержа-щего 1 г нитробензола в 10 г бензола. Е(С6Н6) =

2,570, K(C6H6) = 5,10. Температура кипения чистого бензола равна 80,20С, а замерзания −5,40С.

раствор кипит при

46 78,620С, зная, что Е(С2Н5ОН) = 1,220, температура кипения спирта 78,30С.

Ответ: 138,64 г/моль.

Вопросы и задачи для самоподготовки.

1.Какие физико-химические свойства называют коллигативными? Перечислите.

2.От чего зависит количественное выражение этих свойств?

3.Какие мембраны называются полупроницаемыми? Приведите при-меры материалов, обладающих свойством избирательной проницае-мости.

4.Какое давление называют осмотическим? В каких приборах оно оп-ределяется?

5.От каких факторов зависит осмотическое давление и каким урав-нением эта зависимость выражается?

Как называют та-кие растворы?

7.Какой раствор по отношению к другому называют: а)

гипертони-ческим; б) гипотоническим? В сторону какого из них должен быть направлен осмос?

8. Дайте формулировку и приведите математическое выражение зако-на Рауля.

55

Самопроизвольный переход системы из начального состояния (G1) в конечное (G2) возможен при условии G1 > G2

(∆G < 0). Если G1 = G2, (∆G = 0), то система находится в равновесии.

Энергия Гиббса связана с энтальпийным и энтропийным факторами:

∆G = ∆H − T.∆S (2ое начало термодинамики).

Для вычисления ∆G реакции пользуются первым следствием

из за-кона Гесса:

∆Gреакции = Σ∆Gƒ(продуктов) − Σ∆Gƒ(исх. в-в)

Обычно расчеты ∆H, ∆S, ∆G производят при стандартных усло-виях: р = 101,3 кПа, Т = 298 К.

Способность веществ к химическому взаимодействию называют химическим сродством, мерой химического сродства служит измене-ние энергии Гиббса. Чем более отрицательна величина ∆G, тем больше реакционная способность веществ.

Анализ соотношения ∆G = ∆Н − T.∆S показывает, что:

1)если ∆H < 0 и ∆S > 0, то ∆G < 0 − при любых температурах;

2)если ∆H < 0 и ∆S < 0, то ∆G < 0 при достаточных низких темпе-ратурах, т.е. при |∆H| > |T.∆S|;

3)если ∆H > 0 и ∆S > 0, то ∆G < 0 при достаточно высоких темпе-ратурах, т.е. при |T.∆ S| > |∆H|;

4)если ∆H > 0 и ∆S < 0, то ∆G > 0 при любых температурах.

Задачи с решениями.

1. Энтальпии образования NO и NO2 равны соответственно

21,6 и 7,43 ккал/моль. Вычислите тепловой эффект реакции:

54

дии равен: ∆H = ∆H1 + ∆H2 Закон Гесса распространяется не только на химические реакции, но и на все процессы, сопровож-дающиеся тепловыми эффектами:

фазовые превращения, растворение, кристаллизацию,

испарение и т.д.

В соответствии со следствиями из закона Гесса для

∆Hреак.= Σ∆Hƒ(прод.) − Σ∆Hƒ(исх. веществ) = [c.∆Hƒ(C) + d.∆Hƒ(D)] − [a.∆Hƒ(A) + b.∆Hƒ(B)]

∆Hреак. = Σ∆Hсгор.(исх. веществ) − Σ∆Hсгор. (продуктов) = [a.∆Hсгор. (A) + b.∆Hсгор. (B)] − [с.∆Hсгор. (C) + d.∆Hсгор. (D)]

Химические реакции протекают как с уменьшением энтальпии (экзотермические реакции, ∆H < 0), так и с

увеличением энтальпии (эндотермические реакции, ∆H > 0).

Направление, в котором самопроизвольно (т.е. без каких-либо внешних воздействий ) протекает химическая

реакция, определяется совместным действием двух факторов:

В природе самопроизвольно протекают только те процессы, кото-рые сопровождаются уменьшением энергии Гиббса: ∆G < 0 при p=const, T = const (∆G = G2 – G1 ).

47

9.Какие два следствия вытекают из закона Рауля?

10.Когда жидкости затвердевают (кристаллизуются),

закипают?

11.Какие константы называют криоскопической,

эбулиоскопической константой? Зависят ли они от природы растворённого вещества и растворителя?

12. Верно ли утверждение, что все одномоляльные водные растворы неэлектролитов а) закипают при 100,520С, б)

кристаллизуются при −1,860С? Ответ мотивируйте.

13.Что называют изотоническим коэффициентом (i)? Каков физи-ческий смысл i? Каковы методы экспериментального определения?

14.Как связаны между собой степень электролитической диссоциа-ции (ионизации) и изотонический коэффициент?

15.Как определяют молекулярные массы растворённых веществ по коллигативным свойствам? Приведите формулы для расчёта.

16.Определите осмотическое давление раствора, в 1 л

которого содер-жится 18,4 г глицерина (С3Н8О3) при 00С.

Ответ: 4,54.105 Па.

17.Вычислите осмотическое давление раствора, в 5 л

которого содер-жится 171 г сахара С12Н22О11 при 250С. Ответ: 2,477.105 Па.

18.400 мл раствора содержит 2 г растворённого вещества при 270С. Осмотическое давление раствора 1,216.105 Па.

Определите молярную массу растворённого вещества. Ответ: 102,5 г/моль.

19.Раствор сахарозы С12Н22О11 при 00С оказывает осмотическое дав-ление 7,1.105 Па. Сколько (г) сахарозы

содержится в 250 мл такого раствора? Ответ: 18 г.

20.Сколько (г) этанола С2Н5ОН надо растворить в 500 мл воды, чтобы осмотическое давление этого раствора при 200С

составляло 4,052.105 Па. Ответ: 3,8 г.

21.Осмотическое давление раствора, объём которого 5 л,

при 270С равно 1,2.105 Па. Какова молярная концентрация этого раствора? Ответ: 0,053 моль/л.

22. Сколько (г) этанола С2Н5ОН должен содержать 1 л

раствора, чтобы

48

его осмотическое давление было таким же, как и раствора,

содер-жащего в 1 л при той же температуре 4,5 г

формальдегида СН2О? Ответ: 6,9 г.

23. 200 мл раствора содержит 1 г растворённого вещества.

При 200С раствор имеет осмотическое давление 4,3.105 Па.

Определите моляр-ную массу растворённого вещества. Ответ:

25.Вычислите осмотическое давление раствора, в 1 л

которого содер-жится 0,2 моля неэлектролита: а) при 00С; б) при 180С.

Ответ: 4,54.105 Па; 4,84.105 Па.

26. Определите будут ли при одной и той же температуре изотоничес-ким 3%-ные водные растворы сахарозы С12Н22О11 и

глицерина С3Н8О3. Плотности растворов примите равными 1

г/мл.

Ответ: не будут.

27. Осмотическое давление раствора, объём которого 3 л при

100С рав-но 1,2.105 Па. Какова молярность этого раствора?

Ответ: 0,05 моль/л.

28. Рассчитайте осмотическое давление при 310 K 20%-ного водного раствора глюкозы (ρ = 1,08 г/мл), применяемого для внутривенного введения при отёке лёгкого. Каким будет этот раствор по отношению к крови, если учесть, что Росм. крови равно 740 − 780 кПа?

Ответ: 3091,3 кПа; гипертоническим.

29. Рассчитайте осмотическое давление 0,01 М раствора хлорида ка-лия при 310 K, если изотонический коэффициент равен 1,96. Каким будет этот раствор по отношению к плазме крови?

Ответ: 50,5 кПа; гипотоничен.

30.Вычислите давление пара 30%-ного водного раствора карбамида СО(NН2)2 при 500С. Давление пара воды при этой температуре равно 12,33 кПа. Ответ: 10,93 кПа.

31.Определите давление пара раствора, содержащего

1,212.1023 моле-

53

Q = ∆U + A (I начало термодинамики)

Qp = (U2 − U1) + p.(V2 − V1) = (U2 + p.V2) − (U1 + p.V1).

Сумму U + p.v называют энтальной и обозначают Н: ∆H = ∆U +

p.∆V.

Тепловой эффект реакции при изобарном процессе Qp

равен изменению внутренней энергии системы: Qv = U2 – U1 =

∆U.

Для изохорного процесса: ∆U = ∆Uкон – ∆Uисх. Термохимические расчеты основаны на законе Гесса и

следствиях из него.

Для реакции А → D , ∆H, протекающей через

промежуточные стадии:

B → C, ∆H2

C → D, ∆H3

по закону Гесса: ∆H = ∆H1 + ∆H2 + ∆H3 или по многоугольнику Гесса (в нашем примере четырехугольнику):

∆H1

52

ЗАНЯТИЕ 6

Тема: Обобщение знаний по объёмному анализу (1 час)

Контрольная работа по разделам:

«Учение о растворах», «Объёмный анализ» (2часа)

Образец билета контрольной работы

0.До какого объёма надо разбавить 500 мл 20%-ного (по массе) рас-

твора NaCl (ρ=1,152 г/мл), чтобы приготовить 4,5%-ный раствор (ρ=1,029 г/мл)? Ответ: до 2,49 л.

0.Чему равны концентрация ионов водорода и pH раствора муравьи-

ной кислоты (HCOOH), если α = 0,03, Ka = 1,8 . 10−4 ?

Ответ: 6. 10−3 моль/л, 2,22.

0. При растворении 13,0 г неэлектролита в 400 г

диэтилового эфира

температура кипения повысилась на 0,453 K. Определите молеку-лярную массу растворенного вещества. Е(эфира) = 2,02. Ответ: 145.

0.Определите титр и нормальную концентрацию раствора перманга-

ната калия, если на титрование навески оксалата натрия,

равной 0,0165 г, затрачено 20 мл раствора KMnO4.

Ответ: 0,000367 г/мл, 0,0116 моль/л.

ЗАНЯТИЕ 7

Тема: «Элементы химической термодинамики и биоэнергетики.

Термохимия».

Тепловые эффекты химических реакций связаны с изменением внутренней энергии системы при переходе от исходных веществ (U1) к продуктам реакции (U2): ∆U = U2 −

U1. Изменение внутренней энер-гии не зависит от пути перехода, а зависит от начального и конечного состояний системы, определяемых давлением (р), объёмом (V) и

температурой (Т):

49

кул вещества в 500 г воды при 1000С, если давление пара воды при этой температуре равно 101,3 кПа. Ответ: 100,58

кПа.

32. Давление пара раствора, содержащего 20 г растворённого ве-щества в 180 г воды равно 3,64 кПа. Определите молярную массу рас-творённого вещества, если давление пара воды при этой температуре равно 3,78 кПа. Ответ: 52 г/моль.

33. Понижение давления пара над раствором, содержащим 5,4

г ве-щества в 180 г воды, при 800С и над чистым растворителем при той же температуре равно 144 Па.

Определите молярную массу раство-рённого вещества. Ответ: 180 г/моль.

34.Давление пара воды при 300С составляет 4245,2 Па.

Сколько (г) сахарозы С12Н22О11 следует растворить в 800 г

воды, для получения раствора, давление пара которого на

33,3 Па меньше давления пара воды? Вычислите процентную концентрацию сахарозы в растворе. Ответ: 119,8 г; 13%.

35.Давление пара воды при 500С равно 12334 Па. Вычислите давле-ние пара раствора, содержащего 50 г этиленгликоля С2Н4(ОН)2 в 900 г воды. Ответ: 12140 Па.

36.Давление пара водного раствора неэлектролита при 800С

равно 33310 Па. Сколько (моль) воды приходится на 1 моль растворённого вещества в этом растворе? Давление пара воды при этой температуре равно 47375 Па. Ответ: 2,4 моль.

37.Рассчитайте молярную массу неэлектролита, если при

200С давле-ние пара над 63%-ным водным раствором этого