Учебно-методическое пособие к лабораторным работам по общей химии ставрополь 2005 удк 546(07. 07) Учебно-методическое пособие к лабораторным работам по общей химии. / В. И. Гончаров, Л. И. Еременко, Т. А. Милащенко и др
Скачать 3.96 Mb.
|
2.7. Химическое равновесие. Уравнение изотермы химической реакции Химические реакции делятся на обратимые и необратимые. Обратимыми по направлению химическими реакциями называются такие реакции, которые при данных внешних условиях могут самопроизвольно протекать как в прямом, так и в обратном направлении, например: Н9^+Т „Ц2Н1„ 2 (г) 2(г)^ (г) Если при некоторых условиях прямая и обратная реакции идут, а количество реагентов и продуктов не меняется, это значит, что в системе установилось химическое равновесие. Концентрации веществ в системе при состоянии равновесия называются равновесными. Закон действующих масс формулируется следующим образом: для обратимой реакции при постоянных внешних условиях в состоянии равновесия отношение произведений концентраций продуктов к произведению концентраций реагентов с учетом стехиометрии есть величина постоянная, не зависящая от химического состава системы: К=[Н1]2/[Н2].[12] Французский химик Ле Шателье сформулировал принцип, позволяющий прогнозировать смещение равновесия: воздействие какого-либо фактора на равновесную систему стимулирует смещение равновесия в таком направлении, которое способствует восстановлению первоначальных характеристик системы. Для прогнозирования направления самопроизвольного протекания процессов в условиях, отличающихся от стандартных, применяют уравнение изотермы химической реакции (уравнение изотермы Вант-Гоффа): "r/F ; или Для обратимых реакций значения констант равновесия находятся в пределах от 10 "5 до 105. Значения констант, выходящих за пределы этого диапазона, соответствуют практически необратимым реакциям. Многие биохимические реакции являются обратимыми. Это позволяет организму экономно расходовать энергию, высвобождаемую в катаболических процессах. Протекание необратимых реакций связано с рассеянием энергии. Однако в каждом метаболическом пути имеются одна или несколько необратимых реакций. Это необходимо для того, чтобы катаболический и анаболический пути не повторяли друг друга во всех деталях, и существовала бы возможность регулирования скорости этих процессов в отдельности. Смещение химического равновесия наблюдается при воздействии возмущений (внешних факторов). В системе при этом начинает развиваться процесс, направленный в сторону установления нового состояния равновесия при изменившихся условиях. Система не может полностью компенсировать воздействие внешнего фактора, но она движется в направлении уменьшения этого воздействия. На принципе смещения равновесия основано такое универсальное свойство живых систем, как гомеостаз - относительное динамическое постоянство состава и свойств внутренней среды организма, обуславливающее устойчивость физиологических функций. 2.8. Стационарное состояние Организм взрослого человека характеризуется относительным постоянством многих параметров, в том числе и биохимических показателей, представляющих собой определенные концентрации биологически активных веществ. Однако такое состояние нельзя назвать равновесием, так как оно не приложимо к открытым системам. Организм человека, как живая система, постоянно обменивается с окружающей средой различными веществами: потребляет питательные вещества и выделяет продукты их окисления и распада. Следовательно, для организма характерно стационарное состояние, определяемое как постоянство параметров при постоянной скорости обмена системы с окружающей средой веществом и энергией. В первом приближении стационарное состояние можно рассматривать как ряд родственных состояний, связанных между собой процессами релаксации. Для поддержания стационарного состояния организму взрослого человека требуется поступление извне около 3000 ккал в сутки. Рациональное питание предусматривает сбалансированное питание при соотношении белков, жиров и углеводов по массе 1:1:4. 3. Лабораторные работы 3.1. Определение энтальпии растворения вещества Экспериментально энтальпии определяют в специальных приборах - калориметрах. Термохимические исследования применяются как для практических целей, например, для составления тепловых балансов технологических процессов, так и для решения ряда теоретических вопросов, в частности, термохимические исследования дают возможность установить связь между строением вещества и его энергетическими характеристиками. Для определения энтальпий реакций, протекающих в водных растворах, и энтальпий растворения веществ можно использовать калориметрическую установку, изображенную на рис. 7 (с. 37). В верхнюю часть стеклянного стакана емкостью 0,8 л вклеен меньший стакан емкостью 0,5 л. Нижние части стаканов не соприкасаются во избежание потерь тепла через стенки внутреннего калориметрического сосуда. Внутренний стакан закрывают пластмассовой крышкой с тремя отверстиями, в которые вставлены мешалка, точный термометр (цена деления 0,01°) и воронка для всыпания в калориметр вещества и наливания раствора. Мешалка присоединена к электромотору, который через регулятор напряжения (лабораторный автотранстформа-тор) включается в сеть. Систему из двух стаканов можно заменить сосудом Дьюара. При работе с мешалкой наиболее удобен калориметрический стакан емкостью 0,5 л, но в случае необходимости его можно заменить сосудом меньшего объема, соответственно уменьшив объем раствора и величину навески. Каждый калориметрический опыт начинают с определения температурного хода калориметрической системы. Для этого в течение нескольких минут измеряют температуру калориметра. Показания термометра фиксируются через каждую минуту до сотых долей градуса, которые не отсчитывают на глаз. Если измерения показывают, что в течение не менее 5 минут температурные изменения достаточно равномерны и невелики (они составляют так называемый начальный период опыта), то в определенный момент отсчета всыпают в калориметр через воронку приготовленную навеску соли или вносят навеску одного из реагентов химической реакции. Непрекращающееся размешивание способствует ускорению процесса растворения или реакции. С момента всыпания соли или внесения реагента начинается главный период реакции. За счет растворения соли или протекания реакции происходит резкое изменение температуры, поэтому первые 1-2 отсчета могут быть сделаны лишь с точностью до десятых долей градуса (пропуски отсчетов не допускаются). После того, как растворение соли или взаимодействие веществ закончится, температурный ход в калориметре станет снова равномерным, отсчеты температур необходимо опять производить до сотых долей градуса. Момент наступления равномерного хода в калориметре является концом главного и началом конечного периода. В последнем периоде в течение 5 минут температурные отсчеты проводят через минуту, как и в начальном периоде. Результаты температурных измерений изображают в виде графика на миллиметровой бумаге, при этом на оси абсцисс наносят время в минутах (1 см соответствует 1 мин), а на оси ординат - показания температуры по термометру. Тепловое значение калориметра К (постоянная калориметра) представляет собой сумму теплоемкостей всех составных частей, входящих в калориметрическую систему. Ее можно просчитать, если точно узнать массы и удельные теплоемкости всех деталей калориметра. Постоянную калориметра можно определить экспериментально электрическим нагревом калориметрической системы как по измерению энтальпии растворения соли, для которой известна стандартная энтальпия растворения. Так, для нитрата калия энтальпия растворения (ДНраств) равна -35,6 кДж/моль. Взяв для растворения v. моль соли и измерив в калориметре изменение температуры At., вызванное растворением этого количества соли, можно вычислить постоянную калориметра К: К=АН • v./At. . раств. 1 1 Энтальпию растворения соли типа КС1 или другой соли по заданию преподавателя (АН ) можно определить экспериментально, проводя опыты с количеством вещества v2 и измеряя изменения температуры в калориметре в ходе опыта At2: АНХ=К- At2/v2 . 3.2. Смещение химического равновесия за счет изменения концентрации одного из реагирующих веществ или продуктов реакций Для опыта воспользуемся реакцией, протекающей между хлоридом железа (III) и роданидом аммония. К 10 мл Н20 в небольшом стакане добавить 10 капель FeCl3, 1-2 капли насыщенного раствора роданида аммония. Полученный раствор разделить на 4 пробирки. В первую пробирку добавить 1 мл раствора хлорида железа (III), во вторую 1 мл раствора роданида аммония, в третью - кристаллический хлорид аммония. Четвертую пробирку оставить для сравнения. Сопоставить интенсивность окрасок полученных растворов с цветом раствора в 4-ой пробирке и, пользуясь выражением константы химического равновесия, объяснить изменение окраски растворов в 1, 2, 3 пробирках. Данные внести в таблицу: 3.3. Влияние температуры на химическое равновесие а) В водном растворе аммиака существует равновесие: NH3+H204NH3-H20 (а) NH3-H204NH4++OH- (б) В пробирку налить 5 мл водного раствора аммиака и добавить 2 капли раствора фенолфталеина. Нагреть пробирку в пламени спиртовки. Что наблюдается? Охладить пробирку водой из-под крана. Какие наблюдаются изменения? В выводе объяснить влияние температуры на равновесие в водном растворе аммиака. б) При взаимодействии йода с крахмалом образуется синее вещество - йодокрахмал. Равновесие ее можно условно представить схемой: йод + крахмал Ц йодокрахмал В две пробирки налить по 5 мл раствора крахмала и добавить 2 капли раствора йода (I) (по появлению синей окраски). Одну из пробирок нагреть в пламени спиртовки, наблюдать изменения окраски. Затем охладить пробирку водой из крана. Вторую пробирку оставить для сравнения. Как изменяется окраска? а) при нагревании смеси произошло... б) при охлаждении смеси произошло... Вывод: Реакция взаимодействия йода с крахмалом термическая (АН< О или ЛН>0)? 3.4. Обратимость смещения химического равновесия В растворах, где есть ионы, содержащие хром со степенью окисления +6, существует равновесие: 2CrO/-+2H+ Ц Сг2072"+Н20 В пробирку налить 4-5 мл раствора дихромата калия. К этому раствору по каплям добавить концентрированный раствор щелочи (NaOH) и наблюдать за изменением окраски. Затем в ту же пробирку добавляют по каплям концентрированную серную кислоту до появления новой окраски. Вывод: объяснить причину смещения равновесия в данной системе. 4. Эталоны решения задач Условие задачи № 1 В организме человека реакция окисления этилового спирта протекает в две стадии. Первая - окисление этилового спирта до уксусного альдегида: СНОП +1/20 =СН,СНО, ,+НА ,;ЛН° = -256кДж. 2 5 (ж) 2 (г) 3 (ж) 2 (ж)5 Вторая - уксусный альдегид окисляется до уксусной кислоты: CRCHO, ,+1/20 =CRCOOH, ■ ЛН° = -237кДж. 3 (ж) 2 (г) 3 (ж)5 Рассчитайте изменение энтальпии при окислении этанола до уксусной кислоты, используя закон Гесса. Эталон решения: Согласно закону Гесса, тепловой эффект реакции не зависит от пути проведения реакции, а зависит только от природы и агрегатного состояния исходных веществ и продуктов реакции д тто С Н OR , ^ CRCOOR , 2 5 (ж) +(л ^ 3 (ж) СНзСНО(ж) Ло^ ЛН° = АН^+АН^-256 + (-237) = -493 кДж Условие задачи № 2 Вычислить АН0 реакции: С2Н5ОН (ж)+02 (г) = СН3СООН (ж)+Н20 (ж) а) по известным энтальпиям образования веществ: АН°(СН3СООН(ж)) = -485 кДж/моль АН°(Н20(ж)) = - 286 кДж/моль ЛН°(С2Н5ОН(ж))=-278 кДж/моль б) по известным энтальпиям сгорания веществ: АН0 (cjlor /) = -1370 кДж/моль crop. v 2 5 (ж)-7 АН0 (crcoor 0 = -872 кДж/моль crop. v 3 (ж)-7 Эталон решения: а) согласно следствию из закона Гесса: АН0 =Z АН0 -Z АН0 х.р. прод. исх. АН^=[АНЧСН3СООН(ж))+АН°(Н20(ж))]-[АНЧС2Н5ОН(ж)) + АНЧ02(г)] = = [- 485 + (- 286)] - (-278 + 0) = - 493 кДж. б) А№ =Z А№ -Z А№ у х.р. crop. исх. crop. прод. АН0 =АН° (c.ror 0-АН0 (crcooh( Л = -1370-(-872) =-498кДж. х.р. crop. v 2 5 (ж)-7 crop.4 3 (ж)-7 v 7 Расхождение в 5 кДж (1% от найденной величины) несущественно и может быть объяснено ошибками эксперимента при определении энтальпий образования и сгорания этанола и уксусной кислоты. Условие задачи № 3 Найти изменение энтропии в реакции: СДОН(ж)+02(г) = СНзСООН(ж)+Н20(ж) если: S°298 (C2H5OH(ji)) = 161 Дж/моль-К S°298 (02(r))=205 Дж/моль-К S°298 (СН3СООН(ж)) = 160 Дж/моль • К S°298 (H2Ow)= 70 Дж/моль-К. Эталон решения: as%8=[s°298(ch3cooh(^^ a s°298 = 160 + 70- 161 -205 = -145 Дж/К = -0,136 кДж/К. Условие задачи № 4 Вычислить ag0 реакции: cr.or гЮ9, = crcoor ,+НА v Т 5 (ж) 2 (г) 3 (ж) 2 (ж)5 если: ag0 (С2Н5ОН(ж)) = -175 кДж/моль ag0 (СН3СООН(ж)) = -392 кДж/моль ag0 (Н20(ж)) = - 238 кДж/моль АН0 =-493 кДж реакции * ^ as0 =-0,136 кДж/К реакции ' * ^ Т = 298К Эталон решения: Первый способ: ag° = ah° - tas0 AG°=-493 кДж-298К- (-0,136 кДж/К) = -453 кДж. Второй способ: AG°= Z AG0 - Z AG0 г прод. исх. AG0 = AG4CH3COOHw)+AG°(H2Ow)-AG0(C2H5OHw)-AG°(02) АС° = -392-238-(-175)-0 = -455кДж. |
Похожие:
 | Практикум по общей химии Москва 2013г Лабораторный практикум по общей химии Методическое пособие предназначено, в первую очередь, для студентов факультета инженерной механики, изучающих курс общей химии в... |  | Лабораторная работа эффект Мёссбауэра Зеленодольск 2007 Печатается... Методическое пособие предназначено для студентов третьего курса физико-математического факультета Зеленодольского филиала кгу, специализирующихся... |
| Методическое пособие для студентов геолого-географического факультета... Учебно-методическое пособие разработано доцентом кафедры общей географии, краеведения и туризма В. Г. Еременко | | Методическое пособие по курсу «Картография» для студентов специальностей... Учебно-методическое пособие разработано доцентом кафедры общей географии, краеведения и туризма В. Г. Еременко, доцентом кафедры... |
| Лекция 8 Географические атласы Учебно-методическое пособие разработано доцентом кафедры общей географии, краеведения и туризма В. Г. Еременко | | В. Т. Жуков социально-экономическая картография Учебно-методическое пособие разработано доцентом кафедры общей географии, краеведения и туризма В. Г. Еременко |
| Методическое пособие к теме "диаграмма состояния железо-углерод"... Методическое пособие разработано кандидатами химических наук, доцентами кафедры общей и неорганической химии С. Н. Свирской и И.... | | Лабораторная работа №1 Шатило С. П., Ковалев А. Ю. Методическое руководство к лабораторным работам по курсу «Технология конструкционных материалов» |
| Учебно-методическое пособие для студентов специальность 050144 Дошкольное... Данное учебно-методическое пособие адресовано студентам педагогического колледжа и имеет цель оказать помощь в подготовке к зачету... | | Учебно-методическое пособие Тольятти 2011 удк ббк ахметжанова Г.... Учебно-методическое пособие предназначено для студентов магистров, обучающихся на педагогическом факультете тгу по направлению «Педагогика».... |
| Методическое пособие для самостоятельной работы студентов по подготовке... Методическое пособие для самостоятельной работы для студентов по подготовке к контрольным и курсовым работам и рейтинг программа... | | 2 Естественные науки (естествознание) 20. 1 Человек и окружающая... Учебно-методическое пособие разработано доцентом кафедры общей географии, краеведения и туризма В. Г. Еременко, доцентом кафедры... |
| Тема: «Форма и размеры Земли. Движение Земли. Смена дня и ночи» Учебно-методическое пособие разработано доцентом кафедры общей географии, краеведения и туризма В. Г. Еременко, доцентом кафедры... | | Учебно-методическое пособие Красноярск сфу 2012 удк 504. 004. 4 (07) ббк 28. 0я73 Экологическая информатика: учебно-методическое пособие [Текст] / сост. М. А. Субботин. – Красноярск: Сиб федер ун-т, 2012. – 9 с |
| Учебно-методическое пособие самара 2005 удк 657 Рецензенты Учебное пособие предназначено для студентов заочного отделения Международного института рынка, обучающихся по специальности «Финансы... | | Учебно-методическое пособие / О. Н. Углицких, И. И. Глотова, Е. П.... Учебно-методическое пособие предназначено для студентов, обучающихся по направлению подготовки 080300. 68 «Финансы и кредит» очной... |
