Об’єднаний газовий закон

Кондитерських, макаронних

виробів та харчоконцентратів"

 

Одеса - 2011

Виконавець: Девятьярова Л.І., викладач коледжу, голова облметодоб’єднання викладачів хімії

Рецензент: доктор технічних наук, старший науковий співробітник

Коваленко Олена Олександрівна, зав кафедрою «Технологія питної води» ОНАХТ

 

 

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ, МОЛОДІ ТА СПОРТУ УКРАЇНИ

ОДЕСЬКИЙ ТЕХНІЧНИЙ КОЛЕДЖ

ОДЕСЬКОЇ НАЦІОНАЛЬНОЇ АКАДЕМІЇ ХАРЧОВИХ ТЕХНОЛОГІЙ

 

ЗАТВЕРДЖУЮ

Заст. директора з НР

___________В.І.Уманська

“____“___________2011 р.

 

Методичні вказівки

для виконання практичних робіт

з предмету: “Фізколоїдна хімія”

для студентів технологічного відділення

за спеціальністю: 5.05170104 "Виробництво хліба,

Кондитерських, макаронних

виробів та харчоконцентратів"

 

 

Автор: Девятьярова Л.І.

 

РОЗГЛЯНУТО ТА СХВАЛЕНО

Предметною комісією хімічних дисциплін

Протокол №_________________________

Від “___“_____________________2011 р.

Голова комісії _____________ Швець Л.І.

Одеса - 2011

ЗМІСТ

 

1. Практична робота № 1. Тема: «Розв’язання задач за основними газовими законами та рівнянням Менделєєва-Клайперона». ……………………………………. 5

2. Практична робота № 2. Тема: «Розрахунки теплових ефектів хімічних реакцій. Теплота утворення та теплота розкладання»…………………………………………… 8

3. Практична робота № 3. Тема: «Рішення задач за законами Рауля та Вант-Гоффа»……………………………………………………………………………………. 11

4. Практична робота № 4. Тема: «Визначення напряму зміщення хімічної рівноваги»……………………………………………………………………………….. 13

5. Практична робота № 5. Тема: «Закони Фарадея. Електродні потенціали та Е.Р.С. гальванічних елементів»……………………………………………………………….. 15

6. Практична робота № 6. Тема: «Будова ізотерми адсорбції оцтової кислоти від концентрації»…………………………………………………………………………… 17

7. Практична робота № 7. Тема: «Порівняльна характеристика колоїдних систем з істинними розчинами»………………………………………………………………. 18

8. Практична робота № 8. Тема: «Отримання та очищення дисперсних систем, їх властивості»……………………………………………………………………………… 19

9. Практична робота № 9. Тема: «Складання формул та схем будови міцел

гідрозолю та золю»……………………………………………………………………… 20

10. Практична робота № 10. Тема: «Порівняльна характеристика грубодисперсних систем та ВМС»………………………………………………………………………….. 22

Література ………………………………………………………………………………. 23

 

Практична робота № 1

 

Тема: Розв’язання задач за основними газовими законами та рівнянням Менделєєва-Клайперона, Ван-дер-Ваальса.

Мета: Навчитися розв’язувати задачі за основними газовими законами та рівнянням Менделєєва-Клайперона, Ван-дер-Ваальса.

 

 

Методичні вказівки.

Стан газу можна охарактеризувати трьома параметрами: температурою, тиком та об’ємом.

“Рівняння стану ідеального газу”

Об’єднаний газовий закон

Залежність між об’ємами, тисками та температурами для однієї й тієї ж маси газу виражається рівнянням:

р₁v₁ /T₁ = р₂v₂ /T₂ = р₃v₃ /T₃ = ….

 

де, v₁ – об’єм газу при температурі Т₁ і тиску р₁, м³

v₂ – об’єм газу при температурі Т₂ і тиску р₂, м³

 

При розрахунках газів та газових сумішей використовують рівняння стану Клайперона-Менделєєва:

 

pV = RT

 

де, V – об’єм одного молю ідеального газу, м³

R - молярна газова постійна.

Для n молей ідеального газу рівняння стану пишеться так:

pn=nRT

n = m/M

pn=mRT/M

 

Гази, які знаходяться в умовах, для яких не використовуються закони ідеальних газів та рівняння газового стану, називають реальними чи неідеальними. Параметри стану p, V, T таких газів для 1 молю зв’язані між собою рівнянням Ван-дер-Ваальса:

(p + a / V²) (V – b) = RT

де, р – тиск, Па;

V – об’єм 1 молю газу, м³

а – постійна, яка враховує сили взаємодії між молекулами газу, Дж×м³ /кмоль;

b - постійна, яка враховує власний об’єм молекул, Дж×м³ /кмоль.

Постійні а і b залежать від природи газу.

 

“Ідеальні газові суміші. Закон Дальтона”

Ідеальними газовими сумішами називають суміші газів, які підкоряються законам ідеальних газів. При відсутності хімічних реакцій загальний тиск ідеальної газової суміші Р_заг дорівнює сумі парціальних тисків усіх газів, які входять в неї р₁, р₂, р₃, …, р_n (закон Дальтона). Парціальний тиск сумуші газів дорівнює тому тиску газу, котрим він володів би, якщо займав би об’єм суміші при постійній температурі:

Р_заг = р₁ + р₂ + р₃ + …+ р_n

Об’єм окремого газу, який входить до суміші, приведений до тиску суміші, називають приведеним об’ємом. Для знаходження приведеного об’єму газу при тиску газової суміші Р_заг та температурі Т необхідно користуватися законом Бойля-Маріотта:

р_kV_заг = n_kР_заг

де, n_k - приведений об’єм окремих газів, які складають суміш;

р_k - парціальні тиски окремих газів.

n_k =

Відношення приведених об’ємів окремих газів до загального об’єму суміші називається об’ємною долею r:

r_k = n_k / V_заг

Кількість кмолей можна визначити відношенням маси m_k (кг) до молекулярної маси газу в суміші:

n_k = m_k/ M_k

Якщо відомі маси газів та температура суміші, то для окремого газу використовують рівняння стану ідеального газу:

р_k =

Рівняння стану ідеального газу для суміші газів:

Р_загV_заг = SnRT

чи

Р_загV_заг = (m_см / М_ср) RT

де, m_см – маса суміші газів, кг

Sn – сума газів, які складають суміш, кмоль;

М_ср – середня молекулярна маса газової суміші, яку визначають за формулою правила зміщення, враховуючи молекулярні маси газів, які складають суміш, та їх об’ємні долі.

 

М_ср = M₁r₁ + M₂r₂ + M₃r₃ + …+M_кr_к

 

де, М_к – молекулярна маса даного газу;

М_ср – середня молекулярна маса суміші газів.

 

Приклад № 1: Розрахувати тиск, який діє на 1 кмоль диоксиду вуглецю при

50 ^оС, об’єм якого 1 м³, по рівнянню Ван-дер-Ваальса та Менделєєва-Клайперона. Порівняти отримані результати.

 

 

Рішення

Із рівняння (p + ) (V – b) = RT маємо:

р = () – (); Т = 273 + 50 = 323 К

Константи а і b для СО₂ знаходять по таблиці.

р = () – () = 2804999,6 Па» 2805 кПа.

Із рівняння рV = RT маємо:

р = RT / V = (8,314 × 10³ × 323) / 1 = 2685000 Па = 2685 кПа

 

Різниця в результатах складає 4,27 %. При такому великому тиску диоксид вуглецю відхилюється від ідеального стану і більш точні результати отримання при використанні рівняння Ван-дер-Ваальса.

 

Приклад № 2: Газова суміш складається з 3 м³ диоксиду вуглецю, який беруть під тиском 95940 Па, 4 м³ кисню під тиском 106600 Па, 6 м³ нітрогену під тиском 93280 Па. Об’єм суміші 10 м³. Визначити парціальний тиск газів в суміші та загальний тиск суміші. Температура постійна.

Рішення

Дано: Парціальний тиск кожного із газів розраховуємо,

V(СО₂) = 3 м³ використовуючи формулу закона Бойля-Маріотта:

Р(СО₂) = 95940 Па р₁ / р₂ = n₂ / n₁

V(О₂) = 4 м³ р¢(СО₂) = = 28782 Па; р¢(О₂) = = 42640 Па;

Р(О₂) = 106600 Па р¢(N₂) = = 55968 Па

V(N₂) = 6 м³ За законом Дальтона: Р_заг = 28782 + 42640 + 55968 = 127390 Па

Р(N₂) = 93280 Па

V = 10 м³

Відповідь: Р = 127390 Па.

Р -?

 

Приклад № 3: Сухе повітря має слідуючий склад (%): N₂ – 78,09; O₂ – 20,95; Ar – 0,93; CO₂ – 0,03. Визначити масу 40 м³ сухого повітря при 22 ^оС та нормальному тиску.

Дано: CІ Рішення

r (N₂) = 78,09 % 0,7809 М_СР = М_N r_N + M_O r_o + M_Ar r_Ar + M_CO r_CO

r (O₂) = 20,95 % 0,2095 M_СР = 28,02 × 0,7809 + 32 × 0,2095 + 39,94 × 0,0093 +

r (Ar) = 0,93 % 0,0093 + 44 × 0,0003 = 28,97 г /моль.

r (CO₂) = 0?03 % 0,0003 Для визначення m_пов використовуємо рівняння:

V = 40 м³ m_пов = кг

t = 22 ^oC 295 К Відповідь: m_пов = 47,86 кг

Р_о = 101325 Па

m_пов -?

 

Завдання для самостійного рішення

1. Розрахуйте тиск, який складає 1 кмоль діоксиду сірки, який знаходиться в об’ємі 10 м³ при 100 ^оС, використовуючи для цього рівняння стану ідеального та реального газів. Порівняти добуті результати і зробити висновок при можливості використання при розрахунку за даними умовами рівняння Менделєєва-Клайперона.

2. Розрахуйте тиск 1 кмоль диоксиду сірки при 100 ^оС, який міститься в сосуді ємкістю 1 л, використав для цього рівняння Ван-дер-Ваальса та стану ідеального газу. Порівняти отримані результати.

3. За рівнянням Ван-дер-Ваальса розрахувати, який об’єм 1 кмоль сірководню під тиском 6,66 × 10⁶ Па буде дорівнювати 500 л.

4. В балоні ємкістю 20 л при 17 ^оС знаходиться суміш із 28 кг кисню та 24 г аміаку. Визначте парціальний тиск кожного із газів та загальний тиск суміші.

5. Змішують 3 л азота, який знаходиться під тиском 95940 Па з 2 л кисню. Об’єм суміші 5 л, загальний тиск 104200 Па. Під яким тиском був введений кисень?

6. Сухе повітря має такий склад (%): N₂ – 78,09; O₂ – 20,95; Ar – 0,93; CO₂ – 0,03. Які парціальні тиски, які входять у склад повітря при нормальному атмосферному тиску?

 

Практична робота № 2

Тема: Розрахунки теплових ефектів хімічних реакцій. Теплота утворення та теплота розкладання.

Мета: Навчитися визначати теплові ефекти реакцій та умови перебігу реакцій.

 

 

Методичні вказівки.

Рівняння хімічних реакцій, в яких вказані їх теплові ефекти, називають термохімічними.

Термохімічне рівняння реакції згорання 12 г графіту має вигляд:

 

С + О₂ = СО₂ + 393,5 кДж/моль

С + О₂ = СО₂; DН = -393,5 кДж/моль

 

Із реакції слідує, що згорання 1 молю графіту - реакція екзотермічна. Ендотермічну реакцію розкладу 16г металу можна записати в такому вигляді:

 

СН₄ = С + 2Н₂ - 75,18 кДж/моль

СН₄ = С + 2Н₂; DН = 75,8 кДж/моль

 

Згідно із законом Гесса: тепловий ефект реакції залежить від стану вихідних речовин та кінцевих продуктів, але не залежить від проміжних стадій реакції. Записуючи рівняння реакції, в дужках біля відповідних символів або формул вказують агрегатний стан речовин: твердий (тв), кристалічний (к.), розчин (роз.), рідина (р), газоподібний (г.), наприклад:

 

Н₂(г.) + ¹/₂ О₂ (г.) = Н₂О (г.); DН = -242 кДж/моль

Н₂(г.) + ½ О₂ (г.) = Н₂О (р.); DН = -286 кДж/моль

 

Теплота утворення сполуки (DH_утв.) - це кількість тепла, що виділяється чи поглинається при утворенні одного моля хімічної сполуки з простих сполук.Тепловий ефект реакції дорівнює сумі теплот утворення продуктів реакції мінус сума теплот утворення вихідних сполук.

DH_реак. = DH_утв._прод. - DH_утв.вих. реч.

 

Теплота згорання ( DH_зг.) - це теплота, що виділяється при згоранні в кисні.

Тепловий ефект реакції дорівнює сумі теплот згорання вихідних речовин мінус сума теплот згорання продуктів реакції.

DH_реак. = DH_зг. вих. реч. - DH_зг. _прод.

Теплота утворення простих речовин = 0.

DH_{гідротації}. = DH_р. солі - DH_{р. кристало-гідрату}

Приклад1: Визначіть теплоту утворення аміаку, виходячи з реакції:

2NН₃ = 1 1/2О₂ = N + 3Н₂О DН = -766кДж/моль. Теплота утворення Н₂О_(Р) = -286,2 кДж/моль.

Рішення:

2NН₃ + 1 І/2О₂ = N₂+ 3Н₂О DН = -766кДж/моль

Теплота утворення О₂ і N₂ як простих речовин = 0

Виходячи з рішення DH_реак. = DH_утв._прод. - DH_утв.вих. реч.

-766 = -286,2 × 3 - 2х

2х = -92,6

х = -46,3 кДж/моль

Приклад 2. При розчинні 1 моль Na₂СО₃ в воді виділяється 25,1 кДж/моль тепла. При розчиненні 1 моль кристалогідрату Nа₂СО₃ × 10Н₂О поглинається

66,9 кДж/моль. Визначить теплоту гідратації Na₂СО₃ × 10Н₂О.

Рішення:

Запишемо рівняння реакції:

Na₂СОз_(тв) + аq= Na₂CO₃(p.) DН = -25,1 кДж/моль

Na₂СО₃ × 10Н₂О _(ТВ) + аq = Na₂CO₃(p.) DН = 66,9 кДж/моль

 

Теплоту гідратації Na₂СОз визначаємо як реакція між DН розчинення Na₂СО₃ та DН розчинення Na₂СО₃ × 10Н₂О

 

DH_{гідротації} Na₂СО₃ = -25,1 - 66,9 = -92кДж/моль.

Приклад 3: Визначити тепловий ефект реакції отримання гідроксиду кальція при взаємодії оксида кальція з водою.

Рішення:

Запишемо термохімічне рівняння:

СаО_(тв)+ Н₂0 = Са(ОН)_2(р) +/-Q

По таблиці знаходимо теплоти утворення вихідних сполук та продуктів реакції.

DН_утв.СаО_(т.) = -635,60 кДж/моль

DН_утв. Н₂О_(р.) = -285,84 кДж/моль

DН_утв.Са(ОН)_{2 (тв.)} = -986,50 кДж/моль

DH_реак. = DH_утв._прод. - DH_утв.вих. реч.

DH_реак = -986,50 - (-635,60 - 285,84) = -65,06 кДж/моль

 

Отже, термохімічне рівняння реакції має вигляд:

СаО_(т) + Н₂О_(Р.₎ = Са(ОН)_{2 (т)} + 65,06 кДж/моль

або СаО_(т) + Н₂О_(Р.) = Са(ОН)_{2 (Т)}; DН = -65,06 Дж/моль.

Приклад 4: Визначити теплоту розчинення гідроксиду калію, якщо при розчиненні 7 г його виділяється 6,69 кДж/моль.

Рішення:

Знайдемо масу 1 моль КОН: Мг(КОН) = 56г/моль.

Знайдемо, яку частину маси становить 7 г КОН: u_кон = 7/56 = 0,125

Теплоту розчинення гідроксиду калію позначимо через X.

Тоді 0,125Х = 6,65

Звідси Х = 6,65/0,125

Х = 53,58кДж/моль

Тобто DН_{розчинення}КОН = 53,58 кДж/моль

 

Завдання для самостійного рішення.

1. При утворенні 4,6г хлороводню із хлориду та водню виділилося 36,924кДж тепла. Визначить теплоту утворення хлороводню.?

2. При згоранні 26г залізомагнітних стружок виділилося 372,97 кДж теплоти. Скільки грамів заліза і магнію знаходилося в суміші?

3. Визначить тепловий ефект реакції між оксидом заліза (ІІІ) та алюмінієм, якщо теплота утворення першого - 821,5 кДж/моль, а другого - 1675,7кДж/моль.

4. Теплота утворення оксиду вуглецю (IV) -393,5 кДж/моль, а оксиду вуглецю (II) -110кДж/моль. Скільки теплоти виділиться при згоранні 212 дм³ СО?

5. Визначить кількість теплоти, яка виділяється при отриманні 360 г метафосфорної кислоти із оксиду фосфору (V), якщо теплота утворення Р₂О₃; НРО₃ і Н₂О дорівнюють відповідно - 1554; 942,2 та - 286,2 кДж/моль?

6. Теплоти розчинення і гідратації СuSО₄ відповідно складають -66,1 та -77,8 кДж/моль. Визначить теплоту розчинення СuSО₄ × 5Н₂О?

 

Практична робота № 3

Тема: Рішення задач за законами Рауля та Вант-Гоффа.

Мета: Навчитися вирішувати задачі за законами Рауля та Вант-Гоффа.

Методичні вказівки.

 

Осмотичний тиск розведених розчинів неелектролітів підпорядковується законом ідеального газу:

 

П = СRT

 

де, С- концентрація розчинів, кмоль/м³

R – молярна газова постійна, R= 8,314 × 10³ кДж/кмоль∙К

T – температура, К

 

C = n / V

n = m / M

n – кількість молей речовини, моль

m – маса речовини, г або кг

M – молекулярна маса, г/моль або кг/моль

V - об’єм, м³

У розчинах електролітів внаслідок електричної дисоціації і збільшення числа часток дослідний осмотичний тиск завжди більше, ніж в розчинах неелектролітів

 

і = П_ел/ П_неел

 

П = іСRT

де, і – поправочний ізотонічний коефіцієнт.

 

і = 1 + (К-1) ×a

де, a - ступінь дисоціації, %

К – кількість іонів, на які дисоціює молекула.

 

K₂SO₄ Û 2K⁺ + SO₄^2- K = 3 іони