Домашние задания по физической химии I №1

Домашние задания по физической химии
I
№1
1.Газ, расширяясь от 5 до 32 л при постоянном давлении 101,3 кПа, поглощает 252
кДж. Определите изменение внутренней энергии газа.
2.Рассчитайте стандартную энтальпию (стандартный тепловой эффект реакции при
постоянном давлении) реакции, предварительно подобрав стехиометрические
коэффициенты
NH3(г) + O2(г) N2(г) +H2O(ж)
№2
1. Определите изменение внутренней энергии, количество тепла и работу,
совершаемую при изотермическом расширении азота от 0,5 до 4 м3 (начальные
условия: температура 26,8оС, давление 93,2 кПа).
2.Рассчитайте стандартную энтальпию (стандартный тепловой эффект реакции при
постоянном давлении) реакции, предварительно подобрав стехиометрические
коэффициенты
FeO (кр.) + Al(кр) Al2O3 (кр) + Fe(кр)
№3
1. Один моль идеального газа, взятого при 25о и 100 атм., расширяется
изотермически до 5 атм. Рассчитайте работу, поглощенную теплоту, U.
2.Рассчитайте стандартную энтальпию (стандартный тепловой эффект реакции при
постоянном давлении) реакции, предварительно подобрав стехиометрические
коэффициенты
HCl(г) + O2(г) Cl2(г) +H2O(ж)
№4
Один моль метана, взятый при 25оС и 1 атм., нагрет при постоянном давлении до
удвоения объема. Мольная теплоемкость метана выражается: Ср=5,34+0,0115Т
(Дж.моль-1.К-1). Метан можно считать идеальным газом. Рассчитайте U, Р.
2.Рассчитайте стандартную энтальпию (стандартный тепловой эффект реакции при
постоянном давлении) реакции, предварительно подобрав стехиометрические
коэффициенты
Н2S (г) + O2(г) SO2 (г) + H2O(ж)
№5
1.Один моль дифторметана (идеальный газ), взятый при 0 оС и 1 атм., нагрет при
постоянном давлении до утроения объема. Рассчитайте изменение энтальпии,
внутренней энергии, если теплоемкость газа зависит от температуры следующим
образом: Ср= 20,26 + 7,59.10-2Т (Дж.моль-1.К-1).
2.Рассчитайте стандартную энтальпию (стандартный тепловой эффект реакции при
постоянном давлении) реакции, предварительно подобрав стехиометрические
коэффициенты
FeS2 (к.) + O2(г) Fe2O3 (кр.) + SO2(г)
№6
1. Один моль аммиака, взятый при 0оС и 1 атм., нагрет при постоянном давлении
до удвоения объема. Рассчитайте изменение энтальпии и внутренней энергии,
если теплоемкость аммиака зависит от температуры: Ср=26,13+3,18.10-2 (Дж/моль
л)
2. По термохимическому уравнению рассчитать стандартную энтальпию
образования исходного вещества (fHo298, кДж/моль),если известен тепловой
эффект химической реакции:
NH4NO3(кр.) N2O(г) +2H2O(ж)
rHo298=-124,2 кДж
№7
1.Определите изменение внутренней энергии 1 моля гелия (ид.газ) при нагревании
от Т1 до Т2 в а) изохорном процессе; б) изобарном процессе.
2. По термохимическому уравнению рассчитать стандартную энтальпию
образования исходного вещества (fHo298, кДж/моль), если известен тепловой
эффект химической реакции:
(NH4)Cr2O7 (кр.) Cr2O3(кр) + N2(г)+4H2O(ж)
rHo298=-475,8 кДж
№8
1. Определите изменение внутренней энергии, количества тепла и работу,
совершаемую при изотермическом сжатии ксенона от 5 до 1 м3 (начальные
условия: температура – 25оС, давление 95 кПа).
1. По термохимическому уравнению рассчитать стандартную энтальпию
образования исходного вещества (fHo298, кДж/моль), если известен тепловой
эффект химической реакции:
2Cu(NO3)2 (кр.) 2CuO(кр) +4NO2(г) +O(г)
rHo298=432,8 кДж
№9
1.Какое количество теплоты потребуется на нагревание 28 кг азота при нагреве от
300 до 500 K при давлении 1 атм., если известна зависимость теплоемкости от
температуры: Ср= 5,5+ 7.10-3Т (кал/моль л).
2.По термохимическим уравнениям рассчитайте стандартную энтальпию
образования продукта (fHo298, кДж/моль), если известен тепловой эффект
химической реакции:
4К(кр.) + 2Al2O3 (кр) + 8SO2(г)+ 5O2 (г) 4КАl(SO4)2(кр)
rHo298=-41133,4 кДж
№10
1. Определите изменение внутренней энергии, количество тепла и работу,
совершаемую при изотермическом расширении гелия (ид. газ) от 5 до 10 л под
давлением 196 кПа. (начальные условия: температура 20оС , давление 101325 Па).
2.По термохимическому уравнению рассчитайте стандартную энтальпию
образования продукта (fHo298, кДж/моль), если известен тепловой эффект
химической реакции:
4NH3(г) +4 NO2(г) +O2 (г) +2H2O(ж) 4NH4NO3 (кр)
rHo298=-843,4 кДж
№11
1. Один моль водяных паров изотермически сконденсировали в жидкость при
температуре 100оС. Рассчитайте работу расширения, внутренней энергии и
знтальпию.
2. Используя стандартные энтальпии реакций окисления оксида железа (11)
кислородом и озоном, рассчитайте стандартную энтальпию образования озона из
молекулярного кислорода
rHo298, кДж
2FeO (кр)+0,5O2(г)Fe2O3 (кр)
-292,5
2FeO (кр)+1/3O3(г)Fe2O3 (кр)
-339,9
№12
1. Определите количество теплоты и работу, совершаемую при изотермическом
расширении 0,032 кг кислорода от 80 до 100 л при стандартных условиях
2. Для реакции 4HCl(г)+ O2(г) Cl2(г) +2H2O(ж) рассчитайте стандартный тепловой
эффект при постоянном давлении rHo298.
№13
1.Какое количество тепла необходимо для повышения температуры 16 г кислорода
от 300 до 500 К при давлении 1 атм. СV =
5
nR (для двухатомного газа)
2
2.Стандартные энтальпии сгорания этана С2Н6 и ацетилена С2Н2 соответственно
равны -1560 и –1300 кДж/моль. Рассчитайте стандартную энтальпию реакции
гидрирования ацетилена
С2Н2(г) + 2Н2(г)  С2Н6(г)
№14
1.Объясните, почему для любой термодинамической системы Ср  СV. Докажите
математичеси.
2.Сколько теплоты выделяется при сжигании 195 г бензола.
№15
1.Сколько потребуется тепла для нагревания 31 г фторуглерода от –80 оС до 80оС
при давлении 1 атм., если известна зависимость теплоемкости Ср=0,4+6.103T
(кал/моль л)
2.При сгорании 1л (н.у.) пропана выделяется 99,1 кДж теплоты. Рассчитайте
стандартную энтальпию образования пропана.
№16
1. Сколько тепла выделится при изотермическом (температура –73оС) сжатии 31 г
фторуглерода от 4 атм. до 40 атм. Температура составляет 73оС.
2. Рассчитайте энтальпию сгорания метана при 1000К, если даны энтальпии
образования при 298К:
СН4
СО2
Н2О(г)
О2
о
.
-1
fH 298,ккал моль
-17,9
-94,1
-57,8
.
-1 -1
Ср,кал моль К 3,422+0,0178Т 6,396+0,0102Т 7,188+0,0024Т 6,095+0,0033Т
№17
1.Один моль брома изотермически сконденсировали в жидкость при 59 ОС и 1 атм.
Рассчитайте работу сжатия при постоянном давлении.
2.Зависимость теплового эффекта реакции СН3ОН(г)+3/2О2(г)= СО2(г)+2Н2О(г) от
температуры выражается уравнением:
2,88.105
rHoТ(Дж) = - 684,7.103 + 36,77Т - 38,56.10-3 Т2 + 8,21.10-6Т3 + ---------Т
Определить теплоту образования метилового спирта.
№18
1. Определите изменение энтальпии в изобарном процессе при нагревании 39,95 г
брома от –27о С до 73 оС, если известна зависимость теплоемкости Ср=5,34+
0,0115Т (кал/моль л).
2. Рассчитайте тепловой эффект реакции NH3(г) +5/4O2 г)= NO(г) +2H2O(u)
№19
1. Определите изменение энтальпии в изобарном процессе при нагревании 70,906 г
хлора от –40о С до 100 оС, если известна зависимость теплоемкости Ср=7,74+
0,0128Т (кал/моль л).
2. Рассчитайте тепловой эффект реакции:
4NH3(г) +4 NO2(г) +O2 (г) +2H2O(ж) 4NH4NO3 (кр)
№20
1. 1 кг водяных паров обратимо и изотермически сконденсировали в жидкость при
100оС. Рассчитайте работу, теплоту, изменений внутренней энергии и энтальпии
в этом процессе. Удельная теплота испарения при 100оС равна 2260 Дж/г.
2. Рассчитайте тепловой эффект реакции:
CaCO3(т) = CaO(т) + CO2(г)
Первый закон термодинамики
Q = U + W
изотермический QT = W = pdV;
dU=0;
W = RTlnV2/V1=RTlnp1/p2
T2
изорический QV=U; dU = CvdT; U   nCV dT  nCV (T2  T1 ) ;
T1
Cv=3/2(nR) для одноат газа; 5/2(nR) – для двухат. Газа.
T2
V2
T1
V1
изобарный Qp=H=U+pdV; Н   nC р dT ; W=  pdV  p(V2  V1 ) ;
Агрегатное состояние
Пример. Сопоставим мольные объемы жидкой воды и ее идеализированного пара
при норамльных условиях (273К и 101325 Па):
МН2О=18 г/моль; Н2О=1 г/мл (молярная масса и плотность жидкой воды).
Vm(ж)= М/ = 18 мл/моль= 0,018 л/моль
Для пара Vm(г)=22,4л/моль. Тогда Vm(г) / Vm(г)=22,4 : 0,018 =1244.
При одних и тех же условиях объем газа более, чем в 1000 раз превосходит
объем жидкости, поэтому в термодинамике пренебрегают объемами
конденсированных (тв. и ж.) веществ и изменениями их объемов в сравнении с
газообразными.
Задача 1. Один моль водяных паров обратимо и изотермически сконденсировали в
жидкость при 100оС. Рассчитайте работу, теплоту, изменений внутренней энергии и
энтальпии в этом процессе. Удельная теплота испарения при 100оС равна 2260 Дж/г.
Решение. В процессе Н2О(г) Н2О(ж) произошло обратимое сжатие газа при
постоянном давлении р= 1 атм.
от объема V1 =nRT/p = 1 8,314373/101325 = 0.0306 м3 = 30,6 л до V2 = 0,018 л.
Работа сжатия при постоянном давлении равна
W = p(V2V1) = pV1 = 101325.30,6.10-3 = 3100 Дж
Для испарения 1 моля затрачивается 226018 = 40700 Дж, поэтому для конденсации
1 моля воды эта теплота выделяется в окружающую среду
Q = –40700 Дж (экзо)
Изменение внутренней энергии рассчитывается
термодинамики:
U = Q –W = –40700 –(–3100) = –37600 Дж
по
первому
закону
а изменение энтальпии - через изменение внутренней энергии:
Н = U + pV = U + W = Q =  40 700 Дж
Изменение энтальпии равно теплоте, т.к. процесс происходит при постоянном
давлении
Ответ: W = 3100 Дж; Q = –40700 Дж; U=  40 700 Дж; Н =  40 700 Дж
Задача 2. Определите изменение внутренней энергии, работу, совершаемую
системой, количество выделившегося тепла при изотермическом сжатии 2,016 кг
газобр. Н2 от 2 атм. до 50 атм. и температуре – 73оС.
Решение. По первому закону термодинамики Q = U + W; Т = сonst; U= сonst;
V2
QТ = W; W = pdV = nRTdV = nRT  dV = nRTln
V1
QТ = W =
V2
p
= nRTln 1 ; Т =(– 73) + 273 = 200К
V1
p2
2016
2
8.314200ln = 10704,693 кДж
1.008
50
Задача 3. Определите количество тепла, необходимого для нагрева 1 моля газобр. Н2
от –73оС до 27оС при изобарном сжатии, если известна зависимость теплоемкости от
температуры: Ср=6,5 + 9.10-4Т (кал/моль.К).
Решение.
Qp =H =
Т2
300
Т1
200
 С р dТ 
 (6.5  9  10
4
Т )dТ =6.5(300-200) + 9.10-4(30022002)=695 кал/моль
Задача 4. Определите изменение энтальпии кислорода (идеальный газ) при
изобарном расширении от 80 л до 200 л при нормальном атмосферном давлении.
T2
Решение. Qp = H =  С р dT = 3,5R (Т2Т1) = 3.58.314 (2437,5975) = 42557 Дж
T1
H = 42,6 кДж
80 л = 8010-3 м3; Cp = CV + R = 7/2R ;
CV = 3/2R (одноатомные газы); 5/2R (двухатомные газы)
pV1 101325  80  10 3
T1 

 975K ; Т2= 9752.5=2437,5 К
R
8.314
Задача 5. Газ расширяясь от 20 до 32 л при постоянном давлении 101325 Па,
поглощает 252 Дж теплоты. Определите изменение внутренней энергии газа.
Решение. Q = U + W = U + pV;
U = Q – W = 252  101325(32  20) 103 = 252 1215.9 = 963.9 Дж
II
№1.
По термохимическому уравнению рассчитайте стандартную энтропию образования
исходного вещества:
2KClO3(кр.) = 2KCl(кр.) + 3O2(г)
Рассчитайте при Т = 298К
Cu(NO3)2(кр)
изменение энергии Гиббса (стандартную) реакции:
2CuO(кр)+4NO2(г)+H2O(г).
Будет
ли
эта
реакция
протекать
самопроизвольно в закрытой системе при указанных условиях?
№2. По термохимическому уравнению рассчитайте стандартную энтропию
образования исходного вещества:
ZnS = Zn + S
Не производя вычислений, определить высоко- или низкотемпературный режим
способствует проведению в закрытой системе реакции:
2SnO2(кр)+ 3О2(г) 2SnO2 (кр), если rHo298  0?
№3. По термохимическому уравнению рассчитайте стандартную энтропию
образования исходного вещества:
ZnSO4 =ZnO + SO3
Рассчитайте
предельную температуру (равновероятности протекания прямой и
обратной реакции) для процесса термического разложения СаCO3(кр)СаO(кр)+CO2(г),
приняв стандартные значения энтальпии и энтропии
температуры.
реакции независящими от
№4. По термохимическому уравнению рассчитайте стандартную энтропию
образования исходного вещества:
Cu(NO3)2(кр) 2CuO(кр)+4NO2(г)+H2O(г)
Для реакции PCl3(г) + Cl2(г)
 PCl5(г) рассчитайте в первом приближении
стандартную энергию Гиббса при Т=1000К и сделайте вывод
о возможности ее самопроизвольного протекания в закрытой системе при
указанных условиях.
№5. По термохимическому уравнению рассчитайте стандартную энтропию
образования исходного вещества (В2Н6(г)):
В2Н6(г)+ 3О2(г) В2О3(тв) + 3H2O(г)
Для
реакции
Cu(NO3)2(кр)
2CuO(кр)+4NO2(г)+H2O(г)
рассчитайте
в
приближении стандартную энергию Гиббса при Т=2000К и сделайте вывод
о возможности ее самопроизвольного протекания в закрытой системе при
указанных условиях.
первом
№6. Рассчитайте изменение энтропии в реакции и сделайте вывод о возможности ее
самопроизвольного
протеканияв
закрытой
системе
при
стандартных
термодинамических условиях:
PCl3(г) + Cl2(г)  PCl5(г)
Вычислите предельную температуру (равновероятности протекания прямой и
обратной реакции) для процесса: Cu(NO3)2(кр) 2CuO(кр)+4NO2(г)+H2O(г), приняв
значения энтропии и энтальпии не зависящими от температуры.
№7. Рассчитайте изменение энтропии в реакции и сделайте вывод о возможности ее
самопроизвольного
протеканияв
изолированной
системе
при
стандартных
термодинамических условиях:
CO2(г)+ H2(г) CO(г) + H2O(г)
Вычислите предельную температуру (равновероятности протекания прямой и
обратной реакции) для процесса: PCl3(г) + Cl2(г)  PCl5(г), приняв значения энтропии
и энтальпии не зависящими от температуры.
№8. Рассчитайте изменение энтропии в реакции и сделайте вывод о возможности ее
самопроизвольного
протеканияв
термодинамических условиях:
2SnO2(кр)+ 3О2(г) 2SnO2 (кр)
изолированной
системе
при
стандартных
Вычислите предельную температуру (равновероятности протекания прямой и
обратной реакции) для процесса: 2SnO2(кр)+ 3О2(г) 2SnO2(кр), приняв значения
энтропии и энтальпии не зависящими от температуры.
№9. Рассчитайте изменение энтропии в реакции и сделайте вывод о возможности ее
самопроизвольного
протеканияв
закрытой
системе
при
стандартных
термодинамических условиях:
S2(г) + 2Cl2(г)  2SCl5(г)
Вычислите предельную температуру (равновероятности протекания прямой и
обратной реакции) для процесса: S2(г) + 2Cl2(г)  2SCl5(г), приняв значения энтропии
и энтальпии не зависящими от температуры.
№10. 1.Рассчитайте изменение энтропии в реакции и сделайте вывод о возможности
ее
самопроизвольного
протеканияв
закрытой
системе
при
стандартных
термодинамических условиях:
Cl2(г)+2 H2O(г)  4HCl(г) +О2(г)
2.Вычислите предельную температуру (равновероятности протекания прямой и
обратной реакции) для процесса:
Cl2(г)+2 H2O(г)  4HCl(г) +О2(г), приняв значения энтропии и энтальпии не
зависящими от температуры.
№11. Рассчитайте изменение энтропии в реакции и сделайте вывод о возможности
ее самопроизвольного протеканияв изолированной системе при стандартных
термодинамических условиях:
Cu(NO3)2(кр) Cu(NO2)2(кр) +О2(г)
Не производя вычислений, определить высоко- или низкотемпературный режим
способствует проведению в закрытой системе реакции:
Cu(NO3)2(кр) Cu(NO2)2(кр) +О2(г), если rHo298  0?
№12. Вычислите изменение энтропии при плавлении 0.8 кг серебра, если известны
молярная теплота плавления плН =11.92 кДж/моль и температура плавления 1234 К
при давлении з = 101325 Па.
Найдите стандартную энергию Гиббса образования аммиака при температурах 298
К и 500 К. Примите, что теплоемкости в указанных интервалах температур
постоянны.
№13. Рассчитайте изменение энтропии при изобарном и изохорном охлаждении 3 кг
хлорида натрия от 1000 до 300 К. Среднюю молярную теплоемкость соли при
постоянном давлении в указанном темпера-турном интервале считать постоянной и
равной 56.5 Дж/(моль К).
Найдите стандартную энергию Гиббса образования хлора при температурах 298 К и
600 К. Примите, что теплоемкости в указанных интервалах температур постоянны.
№14. Рассчитайте изменение энтропии при изобарном и изохорном нагреве 1.4 кг
азота от 300 до 700 К. Среднюю молярную теплоемкость азота при постоянном
давлении в указанном температурном интервале считать постоянной и равной 30.
Дж/(моль К).
Найдите
стандартную
энергию
Гиббса
образования
диоксида
азота
при
температурах 298 К и 900 К. Примите, что теплоемкости в указанных интервалах
температур постоянны.
№15.Рассчитайте изменение энтропии при изобарном и изохорном нагревании 0.4
моль хлорида натрия от 20 до 850оС. Среднюю молярную теплоемкость соли
Ср(NaCl(т))=45.94+16.3210-3Т
Дж/(моль
К).
Ср(NaCl(ж))=66.53
Дж/(моль
К).
Температура плавления хлорида натрия – 800оС, теплота плавления плН =31.00
кДж/моль.
Найдите стандартную энергию Гиббса образования РCl3 при температурах 298
К и 600 К. Примите, что теплоемкости в указанных интервалах температур
постоянны.
№16. Рассчитайте изменение энтропии при изобарном и изохорном нагреве 1.6 кг
кислорода от 500 до 900 К. Среднюю молярную теплоемкость кислорода при
постоянном давлении в указанном темпе-ратурном интервале считать постоянной и
равной 46.0 Дж/(моль К).
Найдите стандартную энергию Гиббса образования NaОН при температурах 298 К и
650 К. Примите, что теплоемкости в указанных интервалах температур постоянны.
№17. Рассчитайте изменение энтропии (р,Т= const) при смешении 140 г азота, 40 г
неона, 80 г аргона.
Найдите стандартную энергию Гиббса образования NaСО3(кр) при температурах 298
К и 600 К. Примите, что теплоемкости в указанных интервалах температур
постоянны.
№18. Рассчитайте изменение энтропии (р,Т= const) при смешении 160 г кислорода,
40 г неона, 84 г криптона.
Найдите стандартную энергию Гиббса образования NaBr(кр) при температурах
298 К и 700 К. Примите, что теплоемкости в указанных интервалах температур
постоянны.
№19. Рассчитайте изменение энтропии (р,Т= const) при смешении 140 г азота, 40 г
неона, 80 г гелия.
Найдите стандартную энергию Гиббса образования PbCl2(кр) при температурах 298 К
и 400 К. Примите, что теплоемкости в указанных интервалах температур постоянны.
№20. Рассчитайте изменение энтропии (р,Т= const) при смешении 350 г хлора, 40 г
гелия, 84 г криптона.
Найдите стандартную энергию Гиббса образования PbCO3(кр) при температурах 298
К и 600 К. Примите, что теплоемкости в указанных интервалах температур
постоянны.
№21. Рассчитайте изменение энтропии (р,Т= const) при смешении 140 г азота, 20 г
гелия, 80 г аргона.
Найдите стандартную энергию Гиббса образования PbO2(кр) при температурах 298 К
и 800 К. Примите, что теплоемкости в указанных интервалах температур постоянны.