Полный текст:
Контрольная работа
Задание №155: От каких факторов зависит абсолютная скорость движения ионов в растворе? Какова связь между подвижностью и абсолютной скоростью? Какова размерность этих величин? Что такое число переноса?
Абсолютная скорость движения ионов в растворе при бесконечном разбавлении и постоянной температуре является особенностью каждого иона. Она зависит от величины заряда иона, его размеров, степени гидратации, свойствами растворителя. С повышением температуры гидратация ионов уменьшается и скорость движения ионов увеличивается. Ионы одинакового заряда также отличаются по скорости движения, поскольку их размеры и степень гидратации неодинаковы.
Скорость движения vi [м•с-1] иона в растворе пропорциональна напряженности приложенного электрического поля E [В·м-1]:
vi = иi•Е
Коэффициент пропорциональности иi [размерность м2•с-1•В-1] называется абсолютной подвижностью иона.
Произведение иi•F (F- постоянная Фарадея) называется подвижностью иона ?i [размерность Ом-1·м2·кг-экв-1]:
?i = иi•F
Число переноса применяющаяся в электрохимических расчётах величина — отношение количества электричества, перенесённого ионами данного рода через какое-либо поперечное сечение раствора электролита, к общему количеству электричества, прошедшего через такое же сечение этого раствора. Число переноса равно отношению скорости движения (или подвижности) данного иона к сумме скоростей движения (подвижностей) катиона и аниона. Число переноса является характеристикой, зависящей от подвижностей всех ионов в растворе электролита, от их концентрации и температуры раствора. Обычно число переноса определяют по изменению концентраций ионов у электродов (метод И. Гитторфа). При электролизе ионы за счёт сольватации переносят не только электрический заряд, но также и растворитель в своих сольватных оболочках. Поэтому определённые методом Гитторфа числа переноса называют кажущимися, в отличие от истинных, учитывающих только скорости движения ионов.
Задание №183: Как изменится масса катода при пропускании через раствор сульфата олова (II) SnSO4 (электроды графитовые) тока силой 2 ампера в течение 1,5 часа? Выход по току принять равным 0.7.
Дано:
I = 2 A
t = 1,5 часа = 5400 сек
? = 0,7
F = 96500
Найти: ?m(катода) - ?
Решение:
При пропускании тока через раствор SnSO4 (графитовые электроды) будут протекать следующие процессы:
К: Sn+2 + 2e > Sn0 – на катоде выделяется олово
А: 2H2O – 4e > O20 + 4H+ – на аноде кислород, а в растворе накапливается серная кислота.
Общее уравнение электролиза:
2SnSO4 + 2H2O > 2Cu + O2^ + H2SO4
Рассчитаем массу олова, выделившегося на аноде по формуле:
m = I·t·Э(Sn)·?/F, где
I – сила тока, А
t – время, сек
Э(Sn) – химический эквивалент, г
? – выход по току
F – число Фарадея, Кл·моль-1
Рассчитаем эквивалент олова:
Э(Sn) = M(Sn)/n, где
M(Sn) – молярная масса
n – число электронов
Э(Sn) = 118,69 / 2 = 59,345 г
Рассчитаем массу олова:
m(Sn) = 2А·5400сек·59,345г·0,7 / 96500 Кл·моль-1
m(Sn) = 4,65 г
Следовательно, масса катода увеличилась на 4,65 г
Ответ: увеличилась на 4,65 г
Задание №203: Рассчитайте ЭДС, определите анод и катод и напишите уравнение реакции, протекающей в гальваническом элементе:
Zn | ZnSO4 C(ZnSO4)=0,01 моль/л || Pb(NO3)2 C(Pb(NO3)2) = 10-4 моль/л | Pb
Дано:
C(ZnSO4)=0,01 моль/л
C(Pb(NO3)2) = 10-4 моль/л
Найти:
ЭДС - ?
Катод, анод - ?
E0(Zn0/Zn2+) = -0,763В
E0(Pb2+/Pb0) = -0,126В
Решение:
Схема данного гальванического элемента:
(-)А Zn | ZnSO4 || Pb(NO3)2 | Pb К(+)
Цинк имеет меньший потенциал (–0,763В) и является анодом, на котором протекает окислительный процесс: Zn0 – 2e > Zn2+. Свинец, потенциал которого равен –0,126В – катод, т.е. электрод, на котором протекает восстановительный процесс: Pb2+ + 2e > Pb0. Уравнение окислительно-восстановительной реакции, характеризующее работу данного гальванического элемента, можно получить, сложив электронные уравнения анодного и катодного процессов:
Zn0 + Pb2+ > Zn2+ + Pb0
Для определения ЭДС (?Е) гальванического элемента из потенциала катода следует вычесть потенциал анода.
Потенциал анода (цинка) рассчитаем по следующей формуле:
E(Zn0/Zn2+) = E0(Zn0/Zn2+) + (0,059/2)lgC(Zn2+)
C (Zn2+) = C(ZnSO4)=0,01 моль/л
E(Zn0/Zn2+) = - 0,763В + 0,0295lg0,01 = -0,763В + (-0,059) = -0,822В
Потенциал катода (свинца) рассчитаем по следующей формуле:
E(Pb2+/Pb0) = E0(Pb2+/Pb0) + (0,059/2)lgC(Pb2+)
C (Pb2+) = C(Pb(NO3)2) = 10-4 моль/л
E(Pb2+/Pb0) = - 0,126В + 0,0295lg10-4 = -0,126В + (-0,118) = -0,244В
Рассчитаем ЭДС данного гальванического элемента по формуле:
ЭДС = E(Pb2+/Pb0) – E(Zn0/Zn2+) = -0,244В – (-0,822В) = 0,578В
Ответ: анод – цинк, катод – свинец, ЭДС = 0,578В
Задание №223: Рассчитайте потенциал водородного электрода со следующим электролитом:
Рt, Н2 (Р=1,013·105 Па) | HMnO4, ? = 0,012%, ? = 1 г/см3 || E(2H+/H2)?
Дано:
P (H2) = 1,013·105 Па = 1 атм
?(HMnO4) = 0,012%
?(HMnO4) = 1 г/см3
Найти:
E(2H+/H2) - ?
M (HMnO4) = 1 г/моль + 55 г/моль + 4·16 г/моль = 120 г/моль
Решение:
Потенциал водородного электрода при давлении в 1 атмосферу рассчитывается по следующей формуле:
E(2H+/H2) = - 0,059pH
Для расчета pH нам необходимо знать молярную концентрацию ионов водорода, т.е. молярную концентрацию кислоты.
Для вычисления молярной концентрации необходимо определить число граммов HMnO4 в 1 л раствора. 0,012% раствор HMnO4 содержит 0,012 г HMnO4 в 100 г раствора. Это весовое количество раствора занимает объём
V(HMnO4) = 100 г / г/см3 = 100 см3 = 100 мл
Следовательно, в 1 л раствора содержится 0,012·1000 / 100 = 0,12 г HMnO4
Отсюда молярная концентрация данного раствора равна: 0,12 / М (HMnO4) = 0,12 / 120 =0,001 моль/л
С(H+) = C(HMnO4) = 0,001 моль/л
Рассчитаем pH данного раствора:
pH = -lgC(H+)
pH = -lg0,001 = 3
Теперь рассчитываем потенциал водородного электрода:
E(2H+/H2) = - 0,059·pH = -0,059·3 = - 0,177В
Ответ: E(2H+/H2) = - 0,177В
Задание №243: Рассчитайте потенциал металлического электрода, опущенного в насыщенный раствор своей малорастворимой соли:
Ag|насыщенный раствор Ag3PO4 || ПР(Ag3PO4) = 1,3·10-20, E(Ag+/Ag) - ?
Дано:
ПР(Ag3PO4) = 1,3·10-20
Найти:
E(Ag+/Ag0) - ?
E0(Ag+/Ag0) = 0,799В
Решение:
Потенциал серебряного электрода рассчитывается по следующей формуле:
E(Ag+/Ag0) = E0(Ag+/Ag0) + (0,059/1)lgC(Ag+)
Зная ПР фосфата серебра, можно рассчитать концентрацию ионов серебра в растворе.
В растворе Ag3PO4 диссоциирует по следующей схеме:
Ag3PO4 - 3Ag+ + PO43-
Если молярную концентрацию насыщенного раствора Ag3PO4 обозначить через х, то на основании уравнения диссоциации концентрации ионов равны:
[Ag+] = 3x, [PO43-] = x
Общее выражение произведения растворимости:
[Ag+]3·[PO43-] = 1,3·10-20
Подставляя в это уравнение алгебраическое значение концентраций ионов, выражаем x:
(3x)3·x = 1,3·10-20
27x4 = 1,3·10-20
x4 = 4,81·10-22
x = 4,684·10-6
Концентрация ионов серебра в растворе равна 3x, что составляет (4,684·10-6)·3 = 1,4052·10-5
Рассчитаем потенциал серебряного электрода:
E(Ag+/Ag0) = E0(Ag+/Ag0) + (0,059/1)lgC(Ag+)
E(Ag+/Ag0) = 0,799В
E(Ag+/Ag0) = 0,799 + (0,059/1)lg1,4052·10-5 = 0,799 + 0,059·(-4,85) = 0,51285В
Ответ: E(Ag+/Ag0) = 0,51285В
Задание №263: Что такое активные молекулы? Какому закону подчиняется распределение молекул по скоростям? Способы активации молекул.
Активные молекулы – молекулы, обладающее в момент столкновения необходимым избытком энергии (в нужной форме), они могут вступать в соответствующее химическое взаимодействие.
«Активные молекулы» первоначально рассматривали как особую, как бы таутомерную форму молекул реагирующего вещества. Только значительно позднее представление об активных молекулах стало принимать современный вид, для объяснения природы активных молекул был выведен закон распределения молекул по скоростям, показав статистический характер зависимости.
Закон распределения молекул по скоростям (закон Максвелла). Этот закон дает возможность определить, какая доля общего числа молекул в данных условиях обладает скоростью, точно отвечающей средней скорости, и какая отличается от нее на ту или другую заданную величину. В математической форме этот закон выражается сложным соотношением.
Молекулы газа вследствие теплового движения испытывают многочисленные соударения друг с другом. При каждом соударении скорости молекул изменяются как по величине, так и по направлению. В результате в сосуде, содержащем большое число молекул, устанавливается некоторое статистическое распределение молекул по скоростям, зависящее от абсолютной температуры Т. При этом все направления векторов скоростей молекул оказываются равноправными (равновероятными), а величины скоростей подчиняются определенной закономерности. Распределение молекул газа по величине скоростей называется распределением Максвелла.
Если одновременно измерить скорости большого числа N молекул газа и выделить некоторый малый интервал скоростей от v до v + ?v, то в выделенный интервал ?v попадает некоторое число ?N молекул. На графике удобно изображать зависимость величины ?N/?v от скорости v. При достаточно большом числе N эта зависимость изображается плавной кривой, имеющей максимум при (наиболее вероятная скорость). Здесь m - масса молекулы, - постоянная Больцмана.
Характерным параметром распределения Максвелла является так называемая среднеквадратичная скорость означает среднее значение квадрата скорости. В молекулярной физике доказывается, что где ? - молярная масса.
Из выражения для среднеквадратичной скорости следует, что средняя кинетическая энергия поступательного движения молекул газа есть .
Активированные молекулы - это молекулы, претерпевшие активацию и находящиеся в особых, активированных состояниях, отличных от активированных комплексов реакционной системы.
Активация есть снижение энергетического барьера реакции, вызванное определенным воздействием на молекулы, участвующие в элементарном акте реакции. Способы активации молекул весьма различны, но всегда оказывают такое влияние на электронно-ядерную структуру молекулы, в результате которого молекула перестраивается энергетически наиболее выгодным образом для дальнейшего превращения.
Активация молекул происходит при воздействии внешних факторов: повышении температуры, воздействии ультразвуком, лучистой энергией, плазмохимией, радиационной химией, лазерной химией и др.
Задание №283: Вещество А смешано с В и С в равных концентрациях (С0 = 1 моль/л). Через 1000 с осталось 50% А. Сколько вещества останется через 2000 с, если реакция имеет третий порядок?
Дано:
С0 (A, B, C) = 1 моль/л
t1/2 = 1000 с
t = 2000 с
Найти: С - ?
Решение:
1. Для реакций третьего порядка существуют следующие формулы расчета:
k•t = 1/2•(1/C2 – 1/C02) (1)
t1/2 = 3/(k•2• C02) (2)
2. Из формулы (2) выражаем константу – k:
k = 3/(t1/2 •2• C02)
3.Подставляем значение k в формулу (1):
3t/(t1/2 •2• C02) = 1/2•(1/C2 – 1/C02)
4. Преобразуем формулу и выразим из нее концентрацию – C:
(3t + t1/2) / (t1/2 • C02) = 1/C2
C2 = (t1/2 • C02) / (3t + t1/2)
C = v(t1/2 • C02) / (3t + t1/2) (3)
5. Подставляем значения в формулу (3) и рассчитываем концентрацию вещества через 2000 с:
C = v(1000 • 12) / (3•2000 + 1000) = v1000 / 7000 = 0,378 моль/л
6. Рассчитаем концентрацию вещества в % от начальной:
C, % = (С / С0) • 100%
C, % = (0,378 / 1) • 100% = 37,8%
Ответ: С = 0,378 моль/л или 37,8%
Задание №303: Для реакции: НI(г) + СН3I(г) > СН4(г) + I2(г) константа скорости имеет величину 1,7·10-2 с-1 при 430 К и 9,5·10-2 с-1 при 450 К. Рассчитайте энергию активации этой реакции.
Дано:
k1 = 1,7·10-2 с-1
k2 = 9,5·10-2 с-1
T1 = 430 K
T2 = 450 K
Найти: EА - ?
Решение:
Энергию активации можно рассчитать по формуле:
EА = R·T1·T2/(T2 — T1)·lnk2/k1
EА = 8,314·430·450/(450 - 430)·ln9,5·10-2/1,7·10-2 = 138353,3 Дж/моль = 138,3533 кДж/моль
Ответ: EА = 138,3533 кДж/моль
Задание №322: Какая зависимость между температурой плавления и давлением наиболее типична для большинства веществ? В чем отличие этой зависимости у воды и некоторых других веществ. Дайте объяснение.
Зависимость между температурой плавления и давлением описывается уравнением Клапейрона-Клаузиуса:
В соответствии с уравнением Клапейрона-Клаузиуса знак производной зависит от соотношения удельных объем фаз. Если при подводе теплоты твердое вещество переходит в жидкое или газообразное состояние, что сопровождается увеличением удельного объема: , то производная . Поэтому при таком переходе повышение давления приводит к увеличению температуры плавления. Исключение составляют вещества, для которых плавление сопровождается уменьшением их удельного объема: . Примером такого вещества является вода, которая при переходе из замерзшего состояния в жидкое уменьшает свой удельный объем (плотность воды больше плотности льда). Для таких веществ характерно понижение температуры плавления при повышении давления.
Литература:
1. Равич-Щербо М. И., Новиков В. В. Физическая и коллоидная химия. Учебник для мед. ин-тов. «Высш. школа», 1975. – 255 с с ил.
2. Основы физической химии. Теория и задачи: Учеб. пособие для вузов / В.В. Еремин, С.И. Каргов, И.Л. Успенская, H.Е. Кузьменко, В.В. Лунин. - М: Издательство «Экзамен». 2005. — 480 с. (Серия «Классический университетский учебник»)
3. Киреев В.А. Краткий курс физической химии. Издательство «Химия», М, 1970 г. 600 стр.
4. Салем Р. Р. Физическая химия. Термодинамика. М.: ФИЗМЛТЛИТ. 2004. 352 с.
5. Кудряшов И. В., Каретников Г. С. Сборник примеров и задач но физической химии; Учеб. пособие Для хим.-техиол. спей, вузов.—6-е изд.. нерераб. и доп. — М.: Высш. шк., 1991. — 527 с: ил.
6. Кнорре Д. Г., Крылова Л. Ф., Музыкантов В. С. Физическая химия: Учеб. для биол. ф-тов университетов и пед. вузов. — 2-е изд., испр. и доп. — М.: Высш. шк., 1990.— 416 с: ил.