Программа аудиторных занятий по курсу “Физическая химия” в разделе “Фазовые равновесия” Методические указания для студентов 2 курса химического факультета

1. 
   Укажите точно условия, при которых справедлива формула F + f = k + 2, где F – число фаз, f – число степеней свободы и n – число компонентов в системе.
   

2. 
   Объясните, почему система KCl – NaCl – H₂O должна рассматриваться как трёхкомпонентная, тогда как система KCl – NaBr – H₂O должна считаться четырёхкомпонентной.
   

3. 
   Для каждой из следующих систем установите число компонентов:
   
   1. 
      NH₄Cl(крист), NH₄⁺(aq), Cl^-(aq), H₂O(ж), H₃O⁺(aq), H₂O(г), NH₃(г), OH^-(aq), NH₄OH(aq);
      
   2. 
      NaCl(крист), KCl(крист), Na⁺(aq), Cl^-(aq), H₂O(ж), H₂O(г);
      
   3. 
      CaCl₂6H₂O(крист), Ca²⁺(aq), Cl^-(aq), H₂O(ж), H₂O(г);
      
   4. 
      NH₄Cl(крист), NH₃(г), HCl(г), где парциальное давление NH₃ всегда равно парциальному давлению HCl, как в случае, когда весь газ образует сублимированный NH₄Cl(крист);
      
   5. 
      NH₄Cl(крист), NH₃(г), HCl(г), где парциальное давление NH₃ не обязательно равно парциальному давлению HCl.
      

4. 
   Почему ошибочно применение формулы к фазовому превращению алмаз графит?
   

5. 
   Приведена фазовая диаграмма “давление-температура” для углерода.
   

1. 
   примерно 60 кБар;
   
2. 
   алмаз;
   
3. 
   при 70 кБар и 4700К.
   

6. 
   Докажите, что на диаграмме “давление - температура” линия равновесия жидкость – пар (L – V) в однокомпонентной системе всегда должна иметь положительный наклон.
   

7. 
   Согласно рисунку, покажите соотношение величин удельной энтропии s и удельного объёма v для фаз вблизи тройной точки 1-2-3.
   

8. 
   Простое вещество Х существует в трёх твёрдых аллотропных модификациях 1, 2 и 3, соответственно. Вблизи тройной точки 1-2-3 s₂>s₃>s₁; v₃>v₁>v₂. Начертите схематично линии, отвечающие двухфазному равновесию вблизи тройной точки 1 2 3, на диаграмме, согласующиеся с приведёнными данными.
   

9. 
   Покажите, что на основании знака наклона можно указать 8, и только 8, возможных уникальных расположений линий раздела двух фаз вблизи тройной точки на однокомпонентной диаграмме “давление - температура”. Изобразите их графически.
   

1. 
   Давление пара жидкого кальция при 1233 К равна 4 мм.рт.ст., а при 1261К – 6 мм.рт.ст. Найти скрытую теплоту парообразования.
   
2. 
   Давления пара жидкого теллура при 671 и 578 С соответственно равны 1.8610^-2 и 4.410^-3атм. Найти молекулярную теплоту испарения в этом температурном интервале.
   
3. 
   Плотности хрома в твёрдом и жидком состоянии в точке плавления соответственно равны 6.6 и 6.3 г/мл, температура плавления хрома 1615 С. Величина для этой температуры 220 атм/град. Найти теплоту плавления хрома.
   
4. 
   Давления пара эфира при 10 и 20 С соответственно равны 291.8 и 442.4 мм.рт.ст. Вычислить скрытую теплоту парообразования эфира.
   
5. 
   Скрытая теплота возгонки льда при 0 С равна 684 кал/г, удельный объём насыщенного пара 205 л/г. Пренебрегая удельным объёмом льда, найти значение величины мм/град при 0С.
   
6. 
   Температура плавления кадмия 320 С, скрытая теплота плавления 13.7 кал/г. Удельный вес твёрдого и жидкого кадмия соответственно равен 8.366 и 7.989 г/мл. Вычислить, на сколько повысится температура плавления кадмия при увеличении давления от 1 до 100 атм.
   
7. 
   Давление пара воды при 99.5 С равно 746.52 мм.рт.ст., а при 100.5 С – 773.69 мм.рт.ст. Удельный объём насыщенного пара при 100 С равен 1.658 л/г, плотность жидкой воды 1 г/мл. Найти теплоту испарения при 100 С.
   
8. 
   Давления пара спирта при 70 и 80 С соответственно равны 540.9 и 811.8 мм.рт.ст. Подсчитать удельную теплоту испарения.
   
9. 
   Давления пара йода при 55 и 45 С соответственно равны 3.084 и 1.498 мм.рт.ст. Найти скрытую теплоту возгонки йода в этом интервале температур.
   
10. 
    Превращение NH₄NO₃ при 32 С из ромбической в ромбоэдрическую форму сопровождается поглощением 5.02 кал/г, плотность при этом уменьшается с 1.72 до 1.66 г/мл. Найти величину .
    

1. 
   Изобразите схематически:
   

2. 
   Система, состоящая из четырёххлористого углерода (С) и диоксана (D), имеет две эвтектические точки: при 5.2 мол.% D и –24.7 С и при 49.5 мол.% D и –20.2С. Имеется одно бинарное соединение C₂D с конгруентной точкой плавления –18.2 С. Температура плавления чистого С –22.7 С, температура плавления чистого D 11.8С. Постройте фазовую диаграмму “состав-температура” этой системы, приняв, что твёрдые растворы не образуются.
   

3. 
   Обозначьте на диаграмме области. Проведите кривые охлаждения для составов х₁, х₂ и х₃ от температуры t_i до температуры t_j. Каким будет максимальный вес чистого D, полученного кристаллизацией 150 г расплавленной смеси, содержащей 90 вес.% D.
   

4. 
   Используя приведённые данные, постройте диаграмму для системы NaCl (S) – вода (W). Примите, что твёрдые растворы не образуются. Обозначьте все области.
   

5. 
   Следующие данные получены для температуры замерзания смесей этиленгликоля (К) и воды (W): Постройте диаграмму “состав-температура”, приняв, что твёрдые растворы не образуются. Обозначьте все области. Какой состав смеси К и W, не замерзающей при -10С? Какого состава наиболее низко замерзающую смесь можно приготовить?
   

6. 
   Укажите ошибки или противоречия, которые наблюдаются на диаграмме. Диаграмма содержит 0 или 1 ошибку. Покажите, как должна выглядеть правильная диаграмма.
   

7. 
   А и В образуют два твёрдых соединения. А₂В плавится при 800 С, АВ₂ разлагается при 700 С на твёрдый В и жидкую фазу. Температуры плавления А и В, 500 и 1000С, соответственно. Твёрдые растворы соединения не образуют. Постройте для системы А-В фазовую диаграмму “температура – мольная доля”. Обозначьте все области.
   

8. 
   Изобразите схематически диаграмму состояния двухкомпонентной системы А-В, для которой характерно:
   

1. 
   На основании данных “состав-температура” выпадения первого кристалла построить диаграмму состояния для системы Si – Mg. Определить на диаграмме точку химического соединения и по составу найти его формулу.
   

2. 
   На основании данных “состав-температура” выпадения первого кристалла построить диаграмму состояния для системы BaSiO₃ – CaSiO₃.
   

3. 
   На основании данных “состав-температура” выпадения первого кристалла построить диаграмму состояния для системы Ni – Mg. Определить на диаграмме точку химического соединения и по составу установить его формулу.
   

5. 
   На основании данных “состав-температура” выпадения первого кристалла построить диаграмму состояния для системы Ni – Al. Определить на диаграмме точку химического соединения и по составу установить его формулу.
   

5. 
   Построить диаграмму плавкости для системы, образованной CaSiO₃ и CaAl₂O₄. Они образуют химическое соединение – геленит Ca₂Al₂SiO₇ с температурой плавления 1590 С при содержании 58.3% CaAl₂O₄. В системе имеются две эвтектики: при 21.7% CaAl₂O₄ с температурой плавления 1316 С и при 80.8% CaAl₂O₄ с температурой плавления 1500 С. Температура плавления CaSiO₃ равна 1540 С, а CaAl₂O₄ - 1600С. Определить, при какой температуре начнёт отвердевать плав, содержащий 70% CaAl₂O₄. При какой температуре он отвердеет полностью? Каков состав первых выпавших кристаллов? Определить, при какой температуре начнёт плавиться сплав, содержащий 40% CaAl₂O₄. При какой температуре он расплавится полностью? Каков состав первых капель плава?
   

5. 
   На основании следующих данных построить диаграмму состояния для системы Cu – Ni: температура плавления меди 1083 С, температура плавления никеля 1452С. При температуре 1200 С из расплава состава 22% никеля и 78% меди выпадают первые кристаллы, содержащие 41% никеля и 59% меди, а при температуре 1300 С из расплава, содержащего 44% никеля и 56% меди, выпадают первые кристаллы, содержащие 68% никеля и 32% меди. Определить тип полученной диаграммы. При какой температуре и какого состава выпадут кристаллы, если охлаждать плав, содержащий а) 30% Ni; б) 60% Ni.
   

5. 
   На основании данных “состав-температура” выпадения первого кристалла построить диаграмму состояния для системы SiO₂ – Al₂O₃. Определить тип полученной диаграммы. В каком физическом состоянии находятся системы, содержащие 10, 30, 70, 94, 98% SiO₂ при 1700 С? Что произойдёт с этими системами, если их: а) охладить до 1540 С; б) нагреть до 1850 С.
   

5. 
   На основании данных “состав-температура” выпадения первого кристалла построить диаграмму состояния для системы Mg – Sn. Определить на диаграмме точку химического соединения и по составу установить его формулу.
   

5. 
   На основании следующих данных построить диаграмму состояния для системы Au – Pt: температура плавления Au 1063 С, температура плавления Pt 1769С. При температуре 1300 С из плава, содержащего 21% Pt и 79% Au выпадают первые кристаллы состава 61% Pt и 39% Au, а при температуре 1500 С из сплава, содержащего 47% Pt и 53% Au, выпадают первые кристаллы состава 83% никеля и 17% Au. Определить тип полученной диаграммы. При какой температуре и какого состава выпадают кристаллы, если охлаждать плав, содержащий а) 30% Pt; б) 70% Pt.
   

1. 
   Условия термодинамического равновесия гетерогенных систем. Понятия: фаза, составляющие вещества, число компонентов. Правило фаз Гиббса.
   
2. 
   Уравнение фазовых переходов первого рода (уравнение Клаузиуса-Клапейрона). Его анализ для конкретных фазовых переходов. Однокомпонентные системы, диаграмма состояния воды, серы, фосфора.
   
3. 
   Диаграммы равновесия жидкость-пар в бинарных системах. Законы Коновалова. Азеотропные растворы. Правило рычага. Ограниченная взаимная растворимость жидкостей. Перегонка с водяным паром. Общие сведения о двухкомпонентных системах. Примеры диаграмм состояния: простого эвтектического типа, с образованием химических соединений, плавящихся конгруентно и инконгруентно.
   
4. 
   Общие сведения о физико-химическом анализе систем. Принципы соответствия и непрерывности. Сингулярные точки. Дальтониды и бертоллиды.
   
5. 
   Диаграммы состояния систем с ограниченной взаимной растворимостью компонентов в твёрдом соcтоянии: перитектодное и эвтектоидное превращения в твёрдых растворах. Неограниченная растворимость компонентов.
   
6. 
   Трёхкомпонентные системы, их анализ по правилу фаз. Способы изображения составов тройных систем с помощью треугольников Гиббса и Розебома. Примеры простейших диаграмм состояния тройных систем.
   

1	Какие фазы и какого состава находятся в равновесии, если система, состоящая из 60% CH3COOH, нагрета до 107?
			1	Жидкость, содержащая 67% CH3COOH, и пар, содержащий 50% CH3COOH.
			2	Жидкость, содержащая 50% CH3COOH, и пар, содержащий 67% CH3COOH.
			3	Жидкость, содержащая 60% CH3COOH, и пар, содержащий 60% CH3COOH.
			4	Жидкость, содержащая 55% CH3COOH, и пар, содержащий 65% CH3COOH.
2	Укажите температуры начала и конца конденсации системы, содержащей 20% H2O. Каков состав первых капель жидкости в начале конденсации.
	1	102.1 и 101.2 31% CH3COOH	2	113.1 и 110.6 12% H2O
	3	110.6 и 113.1 32% H2O	4	102.1 и 102.1 12% CH3COOH
3	Сколько степеней свободы имеет система, содержащая 100% H2O при 100. Какие параметры можно менять, не нарушая фазового равновесия в этой системе?
	1	0. Ни один параметр менять нельзя.	2	1. Можно менять только температуру.
	3	1. Можно менять или температуру, или концентрацию.	4	2. Можно менять и температуру, и концентрацию.
4	Каков характер отклонений от закона Рауля для этой системы?
	1	Отклонения нет. Система подчиняется закону Рауля.	2	До 60% СН3СООН – отрицательное отклонение, при более высоких концентрациях – положительное.
	3	Отрицательное отклонение.	4	Положительное отклонение.
5	Сколько степеней свободы имеет система при температуре плавления чистого компонента?
	1	1	2	3
	3	2	4	0
6	Как зависит температура полиморфного превращения от давления?
	1	С повышением давления температура полиморфного превращения возрастает (dP/dT>0).	2	Температура фазового перехода мало изменяется с давлением, может как возрастать, так и понижаться.
	3	Необходимы данные зависимостей Н, , от температуры.	4	С повышением давления температура полиморфного превращения понижается (dP/dT<0).
7	Приведите полное название диаграммы.
			1	Диаграмма состояния бинарной системы, компоненты которой полностью взаимно растворимы в жидком состоянии и ограниченно растворимы в твёрдом состоянии.
			2	Диаграмма состояния бинарной системы, компоненты которой полностью взаимно растворимых в жидком и твёрдом состояниях.
			3	Диаграмма состояния бинарной системы, компоненты которой имеют ограниченную взаимную растворимость в жидком состоянии.
			4	Диаграмма состояния бинарной системы, компоненты которой образуют неустойчивое химическое соединение в твёрдом состоянии.
8	Какие фазы находятся в равновесии в условиях, обозначенными точками 1, 2, 3, 4?
	1	Т.1: жидкость, содержащая 30% Pb. Т.2: жидкость + тв. р-р . Т.3: тв. висмут + тв. свинец + эвтектика. Т.4: тв. р-р. .	2	Т.1: жидкость, содержащая 30% Pb. Т.2: жидкость + тв. р-р . Т.3: тв. р-р  + тв. р-р. . Т.4: тв. р-р. .
	3	Т.1: жидкость, содержащая 30% Bi. Т.2: жидкость + висмут. Т.3: тв. р-р  + тв. р-р. . Т.4: тв. р-р.  + тв. свинец.	4	Т.1: жидкость, содержащая 30% Pb. Т.2: тв. р-р + тв. р-р. . Т.3: эвтектика. Т.4: тв. р-р. .
9	Определите число степеней свободы в точках 1, 2, 3, 4.
	1	Т.1. 2. Т.2. 1. Т.3. 1. Т.4. 2.	2	Т.1. 2. Т.2. 1. Т.3. 2. Т.4. 2.
	3	Т.1. 1. Т.2. 1. Т.3. 1. Т.4. 2.	4	Т.1. 1. Т.2. 1. Т.3. 2. Т.4. 1.
10	При какой температуре начнётся и при какой закончится плавление системы, содержащей 95% свинца? Каков состав первых капель жидкости?
	1	112, 250, 42% свинца.	2	50, 250, 75% свинца.
	3	60, 250, 80% свинца.	4	250, 340, 25% свинца.
11	Что называется термическим анализом?
	1	Метод, в основе которого лежит изучение зависимости между значениями физического свойства равновесной системы и факторами, определяющими равновесие.	2	Метод, применяемый для построения диаграмм плавкости. Основан на измерении температуры охлаждаемой (или нагреваемой) смеси.
	3	Метод расчёта зависимости давления паров от температуры.	4	Способ определения температур, при которых существует равновесие между твёрдыми и жидкими фазами.
12	Что называется составляющим веществом системы?
	1	Вещество, концентрация которого в системе может быть выбрана произвольно без изменения числа фаз системы.	2	Индивидуальное химическое вещество, которое может быть выделено из системы простыми препаративными методами и существовать вне её самостоятельно.
	3	Гомогенная часть системы, одинаковая во всех точках по составу и по всем химическим и физическим свойствам.	4	Вещество, концентрация которого в системе не может быть выбрана произвольно без изменения числа фаз системы.

Литература

1. 
   Даниэльс Ф., Олберти Р. Физическая химия. М.: Мир. 1978.
   
2. 
   Стромберг А.Г., Семченко Д.П. Физическая химия. М.: Высшая школа. 1988.
   
3. 
   Эткинс П. Физическая химия. М.: Мир. 1980.
   
4. 
   Краснов К.С. и др. Физическая химия. М.: Высшая школа. 2001. Ч.2.
   
5. 
   Аносов В.Я., Озерова М.И., Фиалков Ю.Я. Основы физико-химического анализа. М., 1976.
   
6. 
   Древинг В.П. Правило фаз. М., 1954.
   
7. 
   Коган В.В. Гетерогенные равновесия Л., 1968.
   
8. 
   Краткий справочник физико-химических величин. Под. ред. Равделя А.А., Пономарёвой А.М. М., 1983.
   

Скачать 315,44 Kb.

оставить комментарий