Программа по изучению курса физической и коллоидной химии Методические указания для изучения дисциплины. Варианты для контрольных заданий



страница4/8
Дата14.08.2016
Размер1.76 Mb.
ТипПрограмма
1   2   3   4   5   6   7   8

                                        Рис.1


  tg a = -2,02-1,5 / 3,41 -3,02 = -9,02 ;  

Е = -2,303* 8,32 * -9,02  =172,8 кДж/кмоль

Ответ: Е =172,8 кДж/кмоль

 Пример 5. Реакция при температуре 50С протекает за 2 мин. 15с. За сколько времени закончится эта реакция при температуре 70С, если в данном температурном интервале температурный коэффициент скорости реакции равен 3?

          Решение. При увеличении температуры с 50 до 70С скорость реакции в соответствии с правилом Вант-Гоффа возрастает:

                            V(T2) /V(T1)  =

где Т2 = 70C, Т1 = 50C, а V(T2) и V(T1)   – скорости реакции при данных температурах. Получаем

                 V(T2) /V(T1)  =  3   =32  = 9,

т. е. скорость реакции увеличивается в 9 раз.

          В соответствии с определением скорость реакции обратно пропорциональна времени реакции, следовательно,

                   V(T2) /V(T1) = t (Т1)  /  t (Т2 )

где t (Т1)   и t (Т2 ) – время реакции при температурах Т1 и Т2. отсюда получаем

                              t (Т2 )=  t (Т1 )

Учитывая, что t (Т1 )= 135 сек (2мин 15с), определяем время реакции при температуре Т2:

                            t (Т2 )=   135   cек = 15cек.

         Задачи и вопросы для индивидуальных заданий



Вопрос 53-57. Что понимается под скоростью реакции и какие основные факторы на нее влияют?

Задача 53. При изучении реакции разложения PH3  было определено время полураспада.

Начальное давление         139                  52,5


PH3 (мм рт ст)

   t1/2(сек)                              84                     83

Определить порядок реакции.

 Задача 54. Для изучения разложения щавелевой кислоты в концентрированной серной кислоте при 50С  готовили раствор 1/40 М щавелевой кислоты в 99,5 %-ной серной кислоте. Через определенные промежутки времени t из смеси отбирали пробы и определяли объем раствора перманганата калия V, необходимый для титрования порции в 10 см 3. Получили следующие данные:

t, мин     0           120         240        420       600        900       1440

V, cм 3   11,45     9,63       8,11        6,22     4,79       2,97       1,44

Определить порядок реакции относительно щавелевой кислоты и         рассчитать   константу скорости.

  Задача 55. Превращение перекиси бензоила в диэтиловый эфир (реакция первого порядка) при температуре 60С прошло за 10 мин на 75,2 % . Вычислить константу скорости реакции.

 Задача 56. Для скорости инверсии тростникового сахара в присутствии соляной кислоты были получены следующие данные :

 Время t, с                               Наблюдаемый угол вращения a, град

         0                                                         11,20

  1035                                                         10,35

  3113                                                           8,87

  4857                                                           7,64

  9231                                                           5,19

12834                                                           3,61

18520                                                           1,60

26320                                                          -0,16

32640                                                          -1,10

76969                                                          -3,26

                                                                 -3,37

Определить порядок реакции и константу скорости.

 Задача 57. Для изучения кинетики реакции

H2C  CH2 + H2O  H2C  CH2


         O                                 HO      OH


готовили раствор с исходными концентрациями 0,007574 М хлорной кислоты и 0,12 М окиси этилена. Ход реакции контролировали дилатометрически  (измерение объема раствора как функции времени). При 20С получены следующие данные:

t, мин               0         30       60        135         300           

Показания       18,48  18,05  17,62   16,71      15,22     12,29


дилатометра

Определить порядок реакции по этилену и константу скорости.

где a – начальная концентрация вещества      A,

t1/2 – период полураспада



Вопрос 58-62. Что такое молекулярность и порядок реакции. Опишите методы их определения.

Задача 58. При изучении реакции

                                         N2 + O2  2NO

были найдены следующие константы скорости

T, K                             586                 910

K, см3 моль-1 сек-1     1,631010        1,771011

Определить энергию активизации реакции.



Задача 59. При каталитическом разложении пероксида водорода его концентрация изменилась следующим образом:

Время, мин             0       5         10          20          25

CH2O2, моль/дм3       2       1,46     1,06       0,57      0,42

Определить порядок и константу скорости разложения H2O2

 Задача 60. Реакция разложения 2,3-дибромянтарной кислоты протекает по уравнению

                  COOH           COOH

              HC  Br    НC Br + HBr

              HC  Br        HC

                 COOH            COOH

и имеет первый порядок. Через 10 мин после начала реакции осталось 1,34 г кислоты, а еще через 10 мин – 1,03 г. Вычислить на основании этих данных константу скорости реакции и начальную количество кислоты.



Задача 61. Порядок реакции щелочного гидролиза (омыления) этилацетата раствором гидроксида натрия равен 2. На основе данных, представленных ниже, вычислите константу скорости этой реакции:

Время, сек                     0                                   10

CNaOH, моль/л             0,5638                       0,4113

СCH3COOC2H5, моль/л   0,3114                       0,1598

  Задача 62. Определить остаточное количество 2,4-дихлорфеноксиуксусной кислоты (в %) через 30 дней после обработки, если период полураспада его при 25С равен 17 дням.

 Вопрос 63-67. Что  характеризует константа скорости химической реакции .Запишите кинетические уравнения реакций  1-го и 2-го порядков и расчетные формулы полупериодов реакций.

 Задача 63. Рассчитать энергию активации реакции

CaCO3  CaO + CO2

при 3ОО К и имеющую температурный коэффициент 3,4.

                   Ответ: 340 кДж /моль

 Задача 64. Определить энергию активации реакции

2Ag + (NH4)2S2O8  Ag2SO4 + (NH4)2SO4

если известны константы скорости:

tC                       20              40              60

k104                   0.54           0.66           1.77                           

 Задача 65. Определить константу скорости реакции разложения Cl2 при t = 110С, если энергия активации Е = 21 150кал.

 Задача 66. Константа скорости разложения N2O5 в газовой фазе при t = 65С равна 0,292 мин-1, энергия активации Е = 24,7ккал/моль. Найти константу скорости и период полураспада при 80С.

 Задача 67. При 20С реакция протекает за 2 мин. За сколько времени будет протекать этаже реакция: а) при 0С; б) при 50С? Температурный коэффициент скорости реакции равен 2.

                          Ответ: а) 8 мин; б) 15мин

Вопрос 68-70. Опишите влияние температуры на скорость реакции. Запишите выражение правила Вант-Гоффа и уравнения Аррениуса.

 Задача 68. Известны константы скорости реакции распада от рейтомедина при 30С, и 38С, соответственно равны k1 = 0,1час-1 и k2 = 0,23 час-1. Рассчитать энергию активации  и вычислить период полураспада при 20С, считая что реакция I полураспада.

 Задача 69. При температуре 20С реакция протекает за 25 мин. при 50С – за 4 мин. Рассчитать температурный коэффициент скорости реакции.

 Задача 70. Определить константу омыления уксусноэтилового эфира, если начальная концентрация CH3COOC2H5 была – 0,005 моль/дм3, а концентрация NaOH –0,01 моль/дм3. Через 530 сек. концентрация CH3COOC2H5 стала 0,003 моль/дм3,  а NaOH – 0,008 моль/дм3 (реакция II-го порядка).

  Вопрос 71-73. Что такое энергия активации, опишите методы ее определения.

Задача 71. Скорость реакции при 0С равна 1 моль/лс. Вычислить скорость этой реакции при 30С, если температурный коэффициент скорости реакции равен 3.

Задача 72. Рассчитать на сколько градусов надо увеличить температуру, чтобы скорость реакции возросла в 27 раз? Температурный коэффициент реакции равен 3.

 Задача 73. Период полураспада Fe59  составляет 44 дня. Определить константу скорости и время за которое концентрация этого вещества станет 85 %.

 

                           



ТЕМА 4. Химическое равновесие.

                                                                                                 

          Если химическая реакция идет как в прямом, так и в обратном направлениях, она называется обратимой.   Обратимые реакции не идут до конца, в системе устанавливается химическое равновесие.

     Химическое равновесие - это такое состояние системы реагирующих веществ,  при котором скорости прямой и обратной реакции равны между собой.

     Обратимые реакции, протекающие в растворах или газообразной среде, можно характеризовать константой химического равновесия.

    Если протекает обратимая реакция

  nA + mB  pC + qD,

то константа равновесия может быть представлена выражением:

                        Кр = К1 / К2 = [C]p [D]q /[A]n [B]m   

где К1, К2 - константы скорости прямой и обратной реакций,

        [C] , [D] - концентрации продуктов реакций,

        [A] , [B] - концентрация реагентов,

        n, m, p, q - стехиометрические коэффициенты, с которыми данные вещества входят в химическое уравнение реакции.

     Химическое равновесие является динамическим, то есть в состоянии химического равновесия прямая и обратная реакции не прекращаются. При постоянных внешних условиях химическое равновесие сохраняется сколь угодно долго. Изменение хотя бы одного параметра (давления, концентрации, температуры) ведёт к нарушению равновесия, смещая его в ту или иную сторону. Влияние факторов на смещение химического равновесия отражено принципом Ле -Шателье (1884 г.):

   При изменении в равновесной системе одного из параметров состояния (Р,Т,С) происходит сдвиг равновесия в направлении процесса, ведущего к ослаблению произведённого воздействия.

    Принцип Ле-Шателье применим как к гомогенным, так и к гетерогенным системам.

    Между константой равновесия в стандартных условиях и стандартным изобарно-изотермическим потенциалом существует зависимость, выражаемая уравнением:

               G0 = - R T ln Kр,                 

  Где G0стандартный изобарно-изотермический потенциал;

           Т – температура, при которой протекает реакция,

   R - универсальная газовая постоянная.

                             Примеры решения задач.



Задача № 1

Вычислить равновесные концентрации водорода и йода в реакции 

               Н2 + J2  2НJ,

если их начальные концентрации составляют 0.03 моль/дм3, а равновесная концентрация йодистого водорода равна 0.04 моль/дм3. Найти константу равновесия и величину изобарно-изотермического потенциала реакции при t =327оС.



Решение:

На образование двух молей HJ в соответствии с уравнением реакции

Н2 + J2 = 2НJ идет один моль Н2 и один моль J2, поэтому для образования 0.04 моля HJ требуется 0.02 моля Н2 и 0.02 моля J2, отсюда их равновесные концентрации составляют 0.03 – 0.02 = 0.01 (моль).

Константу равновесия вычислим по уравнению (3.1):

Кр = [C]p [D]q /[A]n [B]m =16.

Изменение изобарно-изотермического потенциала рассчитываем по уравнению:

G = -2.3038.31(273+327)lg16 = -13827 Дж/моль = =13.83 кДж/моль.

Ответ: Кр = 16;  G = -13.83 кДж/моль.

 Задача № 2

При некоторых условиях равновесие реакции

            СО+Н2О ↔Н2 +СО2

установилось при следующих концентрациях:

[СО]г=1 моль/л             [Н2О]г =4 моль/л

[ Н2]г=2 моль/л             [СО2]г =2 моль/л

В какую сторону сместится равновесие при повышении концентрации СО в 3 раза? При какой концентрации установится новое равновесие?



 Решение:

1.Согласно закону действия масс, константа равновесия равна: Кр = [H2][CO2] /[CO][H2O] =    2  2/1 4 = 1.

2.    Определим смещение равновесия после повышения концентрации СО в 3 раза:

[СО] = 3 моль/л.

Vпрямой реакции = К [СО][Н2О]=К3 4 =12К

Vобратной реакции = К[СО2][Н2] = К22 = 4К

равновесие смещается в сторону прямой реакции

3.Расчитаем концентрацию при установлении нового равновесия. До нового равновесия прореагирует Х моль СО, т.е. равновесие установится вновь при концентрациях:

[СО]=(3-Х),          [СО2]=(2+Х),

2О]= (4-Х )         [Н2] = (2+Х).

Кр. =  (2+Х) (2+Х)/ (3-Х) (4-Х)  =I

или (3-Х)(4-Х) = (2+Х) (2+Х) = 1

8-11Х =0           Х=0,73 моль/л

 4. После установления  нового равновесия концентрации веществ будут равны:

[СО] = 3-0,73 =2,27 моль/л

2О]=4-0,73 =3,27 моль/л

[СО2] = 2+0.73 =2.73 моль/л

2] = 2+0.73 =2.73 моль/л

 

            Задачи и вопросы для контрольных заданий



 Вопрос 1-15 .  Что такое равновесное состояние системы? Покажите изменение термодинамических функций в равновесном состоянии.

Задача № 1.

Найти константу равновесия и начальные концентрации реагентов, если равновесные концентрации продуктов и реагентов равны: [SO2]р=0,4; [O2]р=0,2;  [SO3]р=0,9.

      Задача № 2

       Для реакции 4NH3 + 3O2   ↔ 6H2O + 2N2  рассчитать равновесные концентрации NH3 и O2 , если их начальные концентрации [NH3]н =3,64;   [O2]н = 2,88, а  равновесные концентрации продуктов [H2O]р = 0,4;  [N2]р = 0,2 моль/дм3 .



Задача № 3

В системе А + В ↔ С, Н  0,

где А,В,С - газы, установилось равновесие. Какое влияние на равновесное количество вещества С в единице объёма системы окажут: а) увеличение давления, б) увеличение количества вещества А в системе, в) повышение темперетуры?

 Задача № 4

При определенных условиях реакция хлороводорода с кислородом является обратимой:

4HCl (г) + О2(г)↔ 2Cl2(г) + 2Н2О(г), Н = -116,4 кДж

Какое влияние на равновесное состояние системы окажут а) увеличение давления, б) повышение температуры, в) введение катализатора ?

 Задача № 5

      Как повлияет увеличение давления на химическое равновесие в обратимой системе?

Fe2O3 (к) + 3Н2 (г) ↔ 2Fe (к) + 3Н2 О(г)

 Задача № 6

Реакция протекает по уравнению:

2SO2 + O2  ↔ 2SO3 , Н = -284,2 кДж

Изменением каких параметров можно добиться смещения равновесия в сторону образования оксида серы (IV)?   



Задача № 7

Как повлияет увеличение давления на равновесие в системах?

а) SO2 (г)+Cl2(г) ↔SO2Cl2 (г)

б) Н2(г)  + Br2 (г) ↔ 2НBr (г)

 Задача № 8

Как повлияет уменьшение температуры на равновесие в следующих процессах:

а) А + В = 2С, Но = 50 кДж

б) 2Д + Е = 2Ф, Но = -30 кДж



Задача № 9

Как надо изменить температуру и давление (увеличить или уменьшить), чтобы равновесие в реакции разложения карбоната кальция    СаСО3 (к)  ↔СО2 (г) + СаО (к),  Но = 178 кДж

сместить в сторону продуктов разложения?

 Задача № 10

     Как повлияет уменьшение давления на равновесие в реакциях:

а) N2O4 ↔ 2NO2,

б) 2NO + О2 ↔2NO2,

в) 3Fe2O3 (к) + СО (г) ↔2Fe3O4 (к) + СО2 (г)

 Задача № 11

Какой из перечисленных ниже параметров всегда остаётся неизменным в химических реакциях: а)масса, б) объём, в) давление, г) концентрация?

 Задача № 12

Ход взаимодействия веществ А и В, протекающего с экзотермическим эффектом, показан на диаграмме линией. По какому пути идет получение продукта АВ в присутствии катализатора? Ответ обоснуйте.

 Задача № 13

Равновесие реакции

Fe3O4  + 4СО  ↔3Fe  +  4СО2    - 43,7 кДж

смещается влево при

а) понижении температуры,

б) повышении температуры,

в) уменьшении давления,

г) увеличении давления.

 Задача № 14

     В реакционной системе в равновесии находятся:

 2СО (г) + О2 (г)  ↔ 2СО2 (г) + Q,

Как будет сдвигаться равновесие, если произвести в системе следующие изменения:

а) добавить СО2; б) увеличить объём; в) повысить  давление, г) удалить СО2 ; д) повысить температуру.

Задача № 15

Как записать константу равновесия (Кр) для химического равновесного процесса, описываемого уравнением реакции: 2NО (г) + О2 (г)  ↔2NО2 (г),

 Вопрос 16 -28. Покажите влияние внешних условий на состояние равновесия, дайте формулировку принципа Ле – Шателье.

 Задача № 16

В какой реакции повышение давления в системе приводит к увеличению выхода продукта реакции:

1) 2Н2О(г) ↔2Н2 (г)  + О2(г),

2)  N2(г) + 3Н2(г) ↔2NН3 (г),  

3) СаСО3(т)   ↔ СаО (т) +СО2,

4) СО(г) + Н2О(г) ↔СО2 (г) + Н2(г) ?

 Задача № 17

Взаимодействие водорода с йодом протекает по уравнению

                              Н2 + J2 =2 HJ

Какое из указанных ниже условий вызовет изменение константы равновесия:

1) добавление катализатора в систему,

2) повышение температуры,

3) увеличение концентрации исходных веществ,

4) увеличение концентрации

Задача № 18

Рассчитайте, как изменится скорость прямых и обратных реакций в равновесных системах:

1) H2 + J2 ↔ 2HJ,

2) 2NO + O2 ↔ 2NO2

при увеличении давления в  2 раза.

 Задача № 19

Для реакции  S2 + 2H2O ↔ 2H2S + Oопределите возможность протекания реакции, рассчитайте константу равновесия, если значения изобарно-изотермического потенциала  G0(S2 )= 76,1 кДж/моль, G 0(H2O )= 228,6 кДж/моль,  G0(H2S )= 33,02 кДж/моль,

G02 )= 0 кДж/моль. В какую сторону смещено равновесие?

 Задача № 20

 В реакции CO+Cl2 ↔ COClравновесие установилось при следующих концентрациях:

 [CO] =1,2; [Cl2]=1,1; [COCl2] =1,3. Рассчитайте константу равновесия реакции и начальные  концентрации реагентов.

 Задача № 21

 В реакции 2NO2↔ N2O4  равновесные концентрации

[NO2] = 0,8; [N2O4] = 0,7. Рассчитать начальную концентрацию реагента и константу равновесия.

 Задача № 22

Как нужно изменить параметры среды, чтобы увеличить  выход продуктов в реакциях:

а) 2HBr ↔ H2 + Br2,   Н0 = 72,3 кДж/моль

б) 2CO + O2  ↔2CO2,  Н0 = -565,2  кДж/моль ?

 Задача № 23

Начальные концентрации [SO2 ] и [O2]  в реакции

2SO2 + O2 ↔ 2SO3  равны, соответственно, 1,0 и 0,5 моль/дм3. Рассчитать равновесные концентрации этих веществ и константу равновесия реакции, если равновесная концентрация [SO3 ] = 0,9моль/дм3 .

 Задача № 24

В природных водах и почвенных растворах существует равновесие (рН = 6.8):

HCO3- + H2O ↔ CO32- + H3O+. В какую сторону сместится равновесие при рН > 8?  Какие ионы будут доминировать в растворе?



Задача № 25

Сместится ли равновесие реакции инверсии сахарозы в сторону образования глюкозы и фруктозы при увеличении концентрации ионов Н+   в среде реакции?

 Задача № 26

Протекает ли реакция NH3 + HCl ↔NH4Cl без подведения энергии из окружающей среды? Чему равна константа равновесия этой реакции и в какую сторону смещено равновесие? G0(NH3) = -16,7 кДж/моль; G0(HCl ) =-94,8 кДж/моль; G0(NH4Cl) = -203,2 кДж/моль.

 Задача № 27

Константа равновесия реакции Н2 + J2↔ 2HJ при 445оС равна 50. Какое количество вещества водорода надо взять на 1 моль йода, чтобы 90% последнего превратить в йодистый водород.

 Задача № 28

Зная равновесные концентрации реагентов и продуктов реакции

([Cl2]р = 1,0 кмоль/м3; [H2O]р =1,0 кмоль/м3; [HCl]р =1,2 кмоль/м3;; [O2]р =1,4 кмоль/м3  

2Cl2+2H2O ↔ 4HCl+O2 , рассчитать константу равновесия и начальные концентрации реагентов.

 Вопрос 29-39. Как меняется свободная энергия химической реакции  между идеальными газами в зависимости от парциальных давлений этих газов. Покажите связь между константой химического равновесия и изменением свободной энергии.

Задача № 29

Как влияет введение в раствор соли аммония на степень диссоциации гидроксида аммония?

 Задача № 30

Гидроксид алюминия диссоциирует в водном растворе как амфотерный электролит:

AlO33- + 3H↔  Al(OH)↔  Al3+ + 3OH-

Добавление какого реагента смещает равновесие в сторону диссоциации по кислотному типу ( хлористого алюминия, гидроксида калия, соляной кислоты, карбоната натрия)?



 Задача № 31

Как изменится степень диссоциации уксусной кислоты при разбавлении раствора в 4 раза (повысится, понизится, не изменится,  повысится в два раза)?

 Задача № 32

В растворе сероводородной кислоты установилось равновесие:

H2S  ↔  H+  HS-

При добавлении какого реагента равновесие будет смещаться вправо (гидросульфид натрия, сульфат железа, гидроксид аммония, серная кислота)?

 Задача № 33

При какой концентрации раствора степень диссоциации хлорида магния будет наименьшей (0,001 М, 1М, 0,01М)?

 Задача № 34

В растворе ортофосфорной кислоты установилось равновесие:

Н3РО↔  Н+  Н2РО4-.

Добавление какого реагента вызовет смещение равновесия влево (гидроксида натрия, дигидрофосфата натрия, хлорида аммония, соляной кислоты )?

 Задача № 35

В растворе гидроксида цинка установилось равновесие:

2H+ + ZnO22-  ↔  Zn(OH)2 Ö Zn2+ +  2OH-

Добавление какого реагента смещает равновесие вправо (щёлочь, кислота, вода, сульфат цинка)?

 Задача № 36

В растворе аммиака установилось равновесие:

NH3 + H2O ↔ NH4+ +  OH-

При добавлении какого из указанных ниже реактивов равновесие будет смещаться вправо (соляная кислота, хлорид аммония, гидроксид калия, гидрокарбонат натрия)?

 Задача № 37

Добавление какого реагента понижает степень диссоциации уксусной кислоты ( гидроксид натрия, хлорид натрия, ацетат натрия, соляная кислота)?

 Задача № 38

В реакции 2Н+ S2 ↔ 2Н2S равновесие установилось при следующих концентрациях: [Н2] = 0,6 моль/дм3, [S2] =0,7 моль/дм3,   [Н2S]=1,6 моль/дм3 . Рассчитайте константу равновесия и начальные концентрации реагентов.

 Задача № 39

Начальные концентрации реагентов [Н2] = 0,94 моль/дм3,

2] =0,37 моль/дм3,    а равновесная концентрация [Н2О]=0,5 моль/дм3 . Рассчитать константу равновесия реакции 2Н+ O2  ↔ 2Н2O  и равновесные концентрации Ни  О2 .

                                ТЕМА 5. Фотохимические процессы.



  Реакции, происходящие под действием света, называются фотохимическими, а раздел физической химии, изучающий эти реакции - фотохимия.

      В фотохимии рассматриваются реакции, происходящие под действием видимого света, УФ - излучения. В них часто принимают участие так называемые сенсибилизаторы.

Сенсибилизаторы (от латинского -sensibilis -  чувствительный) - вещества, способствующие повышению чувствительности других веществ к какому-либо внешнему воздействию.

      Фотосенсибилизатор процесса фотосинтеза - хлорофилл.

Фотохимические реакции хорошо известны: это реакции разложения соединений серебра, используемые в фотографии, обесцвечивание красителей тканей.

      Напомним, что свет обладает дуализмом (двойственными свойствами):

1) когда он проходит через разные среды, отражается и преломляется   на границах раздела сред - проявляются его волновые свойства - свет ведет себя как поток электромагнитных волн,

2) когда свет взаимодействует с веществом, поглощается или испускается, то он ведет себя как поток частиц – корпускул      (corpusculum — частица, лат.)

      Современная теория,    описывавшая свойства света, как явления двойственного, обладающего одновременно и корпускулярными, и волновыми свойствами, называется корпускулярно-волновой теорией.

    Свет, как поток электромагнитных волн, характеризуется следующими параметрами:

1) λ (лямбда), длина волны, ее единица измерения:

          [λ] = 1 м, 1 нм = 10-9, 1 Ă= 10-10 м,              длины волн видимого света находятся в пределах: 380 нм  < λ < 760 нм.

Фиолетовому свету соответствуют электромагнитные колебания с длиной волны λ = 380 нм, а красному - λ = 760 нм;

2) ν (ню) – частота,                         ν = С/λ,

где С – скорость света в вакууме, С = 3 • 108м/c,

                                [ν] = [С]/[λ] = c-1;

3) W - энергия,

энергия светового излучения прямо пропорциональна его частоте:

                      W = 1/ν,

синий свет обладает большей энергией, чем красный,

                     [W] =Дж ;

4) ω (омега) мощность, ω = W/t           где t - время.

[ω] = Дж/с = Вт;

5) I – интенсивность света,

I = W/ S •t, где S - площадь, на которую падает световой поток, t – время

     [I] = Вт/ м2 – для протяженного источника света,

[I] = Вт/  стер -  для точечного (шарообразного) источника света.

    Законы фотохимии

Первый закон фотохимии - закон Гротгуса - сформулирован в XIX веке на основе экспериментальных данных еще до формирования квантово- механических представлений о строении вещества:

"Химическое превращение вещества может быть вызвано только тем светом, который этим веществом поглощается" -    Проиллюстрируем этот закон следующими рассуждениями.

На вещество падает свет видимой части спектра, но вызвать переход электрона со стационарного уровня на возбужденный, то есть образование реакционно - способного радикала, могут лишь те фотоны, энергия которых определяется разностью энергий возбужденного и стационарного электронных уровней:

                                       hν = Е1 – Е2.

     Второй закон фотохимии открыли независимо друг от друга, изучая фотосинтез и фотолиз К.А.Тимирязев и А.А. Лазарев. Его суть:



"Мacca вещества, образовавшегося или разложившегося под действием света, прямо пропорциональна мощности света, времени освещения и зависит от природы вещества".

Математически это выражается так:

                                    m=kωt,   (4.4)

где m - масса образовавшегося под действием света вещества,

       ω - мощность света,

       t - время освещения,

       к - коэффициент пропорциональности, зависящий от природы вещества.

Следующий закон фотохимии - закон фотохимической эквивалентности А. Эйнштейна: "Число атомов или молекул, подвергшихся первичному фотохимическому превращению, равно числу поглощенных  ими квантов света".

 который описывается математическим выражением:

,   Дж/моль     

где      Ег-моль – энергия поглощаемая граммом вещества, Дж;



NA, h, c -  число Авогадро, постоянная Планка и скорость света соответственно

Так как не все реакции подчиняются закону А. Эйнштейна, характеристикой фотохимических процессов служит квантовый выход реакции (φ):



           

если  φ = 1, то реакции подчиняются закону А. Эйнштейна и для расчета необходимых параметров системы (λ, Е, п) можно пользоваться уравнением ;

если φ < 1 или φ >>, то уравнение преобразуется:

       

где      N – действительное число прореагировавших молекул.

Уравнение  позволяет вычислить при необходимости φ, N, Е или λ.

       Если под действием света прореагировал один моль вещества, то энергия, поглощенная им, равна:

            Емоль = hν · NA,

  где  NA- число Авогадро,

         NA = 6,02 · 1023моль-1.

       Если в ходе реакция происходят только первичные процессы, то есть реакции непосредственно под действием света, то γ=1.Такие реакции называются фотоэквивалентными.

      Если γ < 1, это означает, что имеются примеси, поглощающие свет, или реакции обратимы.

      Если γ > 1, это означает, что за первичными, собственно фотохимическими процессами, следуют вторичные. Обычно это характерно для цепных реакций. Квантовый выход реакции фотосинтеза имеет следующие значения:  γ= 30 % - для красного света,  γ = 0,5 - 1,5 % - в полевых условиях, γ = 5 - 6.% - для некоторых культур за счет совершенствования агротехники (а, значит, и лучшего формирования элементов фотосинтетического аппарата) и повышения эффективности использования энергии солнечного света в фитоценозе (вертикальный флаговый лист у злаков).

       Факторы, влияющие на скорость реакции фотосинтеза:

I - интенсивность света,

Т - температура,

рН   среды,

λ - длина волны падающего света,

концентрация СO2 и H2O;

наличие катализаторов - хлорофилла и фотосинтетических пигментов.

    Фотометрией называют совокупность методов, в ходе которых измеряют интенсивность световых потоков падающих, отраженных, поглощенных, прошедших через различные объекты исследования.

    Весьма удобным для изучения биологических систем, в частности,  определения концентрации растворенных веществ, является фотоколориметрический метод,  в ходе которого       интенсивность прошедшего света измеряют с помощью спектрофотометров и фотоколориметров.

       В основе методов измерения интенсивности прошедшего света ле­жит закон Бугера-Ламберта-Бера.



"Интенсивность света, прошедшего через раствор, прямо пропор-циональ­на интенсивности падающего света, и находится в экспо-ненциальной за­висимости от молярного коэффициента поглощения раствора, толщины по­глощающего слоя и концентрации раствора."

                                   I   =   I0 · е -εсl , 

где Iо- интенсивность падающего света,

      I – интенсивность прошедшего через образец света,

      с  - концентрация раствора,

      ε- молярный коэффициент  поглощения раствора (экстинкция,     абсорбция),

      е – основание натурального логарифма,

      l  - толщина поглощающего свет слоя.

    Молярный коэффициент  поглощения раствора   зависит для данного вещества от длины волны λ. Величина

                                       I/I0 = Т

называется пропусканием раствора и выражается в процентах.

Отрицательный десятичный логарифм отношения   I/I0, то есть:

                     -lg I/ I0   = -lg T =   lg Io / I  = εc l = Дλ

где    Дλ - оптическая плотность раствора.

Если с = 1 моль/м3, a l = 1 м, то   Дλ = ε. Зная   Дλ, можно определить концентрацию растворенных веществ, поскольку                

  Дλ   = ε с l         

Здесь l = const, ελ =  const   для данного вещества, поэтому график экспериментальной зависимости  Дλ = f(с) выглядит так:

       Определять концентрацию растворенного вещества можно в том диапазоне концентраций, для которого характерна прямолинейная зависимость   Дλ от с.

 

  Дλ



Дисп.

 

 



                             сисп.                   с

                 

Рис. 2. Зависимость Дλ от с.

Итак, при помощи фотометрии становится возможным решение различ-ных практических задач в области почвоведения, агрохимии, исследований по физиологии растений и животных, экологии.

                     Примеры решения задач

 Задача № 1

Спектрофотометр оборудован детектором, показания которого прямо пропорциональны интенсивности падающего на него излучения. При выключенном источнике света показание детектора равно нулю. Если поместить на пути светового пучка кювету с растворителем, то детектор показывает цифру 72, если кювету с исследуемым раствором – 48. Чему равны пропускание раствора и его оптическая плотность?

         Дано:                                      Решение:

 I = 72 отн.ед.                   Пропускание раствора можно найти,

I=48 отн.ед                      зная интенсивность света, проходяще-

-----------------                   го через  чистый растворитель и раствор:

? – Т = 66,7%                    Т = I/I0 ; Т = 48/72 = 0,667,

? – D = 0,176                

   Теперь, рассчитать оптическую плотность  раствора не  представляет  труда:

                                          Dl = lg ( I0/I );  Dl = lg 72/48 = 0.176.

 Задача № 2 

Пропускание водного раствора, содержащего 0,94 г. насыщенного кислородом миоглобина лошади в 100 мл, при длине волны 580 нм в кювете с толщиной слоя 10 см равно 0,847. Чему равен молярный коэффициент экстинкции насыщенного кислородом миоглобина лошади при этой длине волны. Молекулярный вес миоглобина лошади  18800.



Дано:                                                 Решение:

m = 0,94 г                              Проще всего рассчитать

M = 18800                            концентрацию миоглобина:                                               

V = 100 мл                            

l = 10 см                             

                    

T = 0,847                               Зная пропускание Т, можно

l = 580 нм                          рассчитать оптическую плотность:

–––––––––––––––––––––

? –  e = 143,8 · 10-4 см2 / моль       Dl = lg (1/Т) == lg 1,180 = 0,0719;    

Рассчитаем величину  молярного коэффициента поглощения по формуле:

            Dl   = e cl; e = Dl / сl =  0.0719/0,5•10 = 143,8 (см2/ моль) · 10-4

 Задача № 3. Для разрыва связи в некотором веществе при фотохимической реакции требуется энергия в 428,3 кДж/моль. При какой длине волны излучения возможен такой разрыв связи?

 Решение

Энергию фотонов, необходимую для того, чтобы в некоторой фотохимической реакции прореагировал 1 моль вещества, можно рассчитать по формуле:

                                        Е = hv · NA             

при этом, частоту излучения v выразим через длину волны:

                                       v = c/l                   

 получим:                           E = h · c/l · NA           

 Отсюда находим                                     

 подставив известные численные значения величин , получим:

 l =   =   0,280 · 10-6  (м)

 Следовательно, длина волны, при которой происходит реакция,

                                          l = 280 нм.

 Задача №  4. Константы скорости процессов первого порядка для флуоресценции и фосфоресценции нафталина равны 4,5-107 и 0,5 с-1 соответственно.     Рассчитать время, необходимое для того, чтобы процессы флуоресценции и фосфоресценции завершились на 90 %.                                                        

                             Решение

Известно, что константа скорости реакции первого порядка рассчитыва­ется по уравнению:

                             ,

               где t - время реакции,

                    С - начальная концентрация реагента,

                     х - изменение концентрации реагента за время t.

            Для флуоресценции нафталина можно записать:

                      4,5 · 107 = (2,303 · lg 100/10)  / t , lg 100/10 = 1       

              Отсюда несложно найти время:

                      t = 5,1 · 10-8 c                        

             Для процесса фосфоресценции мы пришли к выражению:



                      0,5 =  2,303/t  ·  lg   100/10 ,

                 из которого следует, что:

                       t = 4,606 c

Следовательно, для того, чтобы процессы флуоресценции и фосфоресценции нафталина завершились на 90 %, необходимо время    5,1 · 108 с и 4,606 с соответственно.



Задача № 5. В некоторой фотохимической реакции 0,2 моля органического вещества возбуждается 3 · 1030 фотонами. Рассчитать квантовый выход про­цесса и полную энергию света, поглощенную веществом, если известно, что реакция происходит при длине волны   500 нм

 Решение

Для того, чтобы рассчитать квантовый выход реакции, необходимо знать


число прореагировавших под действием света молекул (N) . Его мы легко найдем, умножив число Авогадро на количество вступивших в реакцию молей (nx):

           N = nXNA;   т.е.   N = 0,2 · 6, 02 · 1023 = 1,204 · 1023

  Определим теперь квантовый выход реакции из соотношения:

                            j = N/n   ;               j = 4 · 108

 Чтобы узнать количество энергии, поглощенное при этом, умножим энер­гию одного кванта света на их количество:

                                          Е = hν · n

 Недостающую в этом выражении частоту (ν ) определим так: v = c/l  

                   где с - скорость света

   Полную энергию света (Е) найдем из выражения:           Е = h c/l · n

Подставив численные ,значения величин, получим:

                    Е = 11,92 · 1013 Дж

                   Следовательно, квантовый выход фотохимической реакции равен  4 · 10-8, а полная энергия, поглощенная веществом,

                                Е = 11,92 · 1013 Дж.

 Задача № 6. Рассчитайте объем кислорода, выделяющегося при фотосинтезе, и объем поглощенного углекислого газа, если привес биомассы равен 80 кг  на 1 га и предполагается, что привес биомассы обусловлен образованием глюкозы.

 Решение

Известно, что схему процесса фотосинтеза можно представить в общем виде:

                       6СО2+ 6Н2О = С6Н12O6 + 6О2.

 Рассчитаем количество г-молей углекислого газа, глюкозы и кислорода:

 

            МCO2 = 44 г/моль;  MO2 = 32 г/моль;                             



                         MC6H12O6 = 180 г/моль

        Определим количество молей глюкозы, содержащееся в 80 кг:

 

           nX = (80 · 103) / 180         0,44 · 103 г/моль.



 Если в реакцию вступают 6 молей СО2, то образуется 1 моль С6Н12O6, а если х молей СО2, то 440 молей С6Н12O6.

Исходя из этих рассуждений, найдем количество образовавшихся молей CO2:     x = 440 · 6  = 2640 молей СО2.

 Объем, занимаемый этим количеством СО2 можно легко рассчитать:

                            VCO2 =  2640 · 22,4 = 59136 (л).

 Из подобных рассуждений найдем объем выделяющегося кислорода:

при образовании 1 моля С6Н12O6 образуется 6 молей О2;

при образовании 440 молей С6Н12O6 образуется х молей О2;

отсюда следует, что х = 440 · 6 = 2640 (моль)

Объем кислорода: V = 2640 · 22,4 = 59136 (л)

Следовательно, объемы поглощенного СО2 и выделившегося О2 одинаковы и равны 59136 л.                                      

 

                     Задачи  и вопросы для контрольных заданий.



Вопрос 1-8. Какие реакции называются фотохимическими, приведите примеры фотохимических реакций. Какие законы их характеризуют.

Задача № 1. Органическая молекула поглощает при 5496 Å. Если 0,031 моль   вещества возбуждены 9,4 · 1023 фотонами, то каков квантовый выход этого процесса? Рассчитать также полную энергию, поглощенную веществом.

Задача № 2. Константы скорости процессов первого порядка для флуоресценции и фосфоресценции нафталина равны 4,5 · 107 и 0,5 с-1 соответственно. Рассчитать время, необходимое для того, чтобы процессы флуоресценции и фосфоресценции завершились на 99 % после окончания возбуждения.

Задача № 3. При низких интенсивностях света скорость фотосинтеза линейно   зависит от интенсивности. Однако, при высоких интенсивностях скорость становится постоянной (насыщающий уровень) и уже не зависит от интенсивности света. Дайте объяснение этих фактов на молекулярном уровне.

Задача № 4. Рассчитать энергию, поглощенную органическим веществом в ходе фотохимической реакции, происходящей под действием света с длиной волны 5300 Ǻ , если в ходе реакции прореагировало 2,36 молей вещества, а квантовый выход реакции равен 1 .

 Задача № 5. Разрыв связи в некотором веществе при фотохимической реакции  про­исходит при длине волны 310 нм. Какая энергия будет поглощена 1,5 моля вещества в ходе этой реакции?



Задача № 6. Оптическая плотность некоторого раствора равна 0,286 при длине волны l = 440 нм. Рассчитать пропускание раствора и молярный коэффициент поглощения при этой длине волны, если известна      концентрация раствора (0,026 моль/см3) и толщина кюветы - 2 см.

 Задача №7. Напишите схему образования озона. Чему равен квантовый выход реакции? Значение образования озона в природе.



Задача № 8. В некоторой фотохимической реакции 0,1 моля органического вещества возбуждается 28, 2 ·1023 фотонами. Рассчитать квантовый выход процесса и полную энергию света, поглощенную веществом, если известно, что реакция происходит при длине волны 560 нм.

 

Вопрос 9-19. Дайте понятие квантового выхода реакций и приведите примеры реакций с различным квантовым выходом.



Задача № 9. Раствор аммиаката меди при длине волны l = 690 нм имеет оптическую плотность 0,138 и молярный коэффициент поглощения     0,92 ·104  дм2 /моль.
Рассчитать концентрацию раствора, если известна толщина кюветы (1=1,5 см).

Задача № 10.       Квантовый выход реакции димеризации тимина, если соседние  мономеры ориентированы друг по отношению к другу под углом 36°, равен 2 · 10-2. Рассчитать полное количество световой энергии, поглощенное в ходе реакции, если под действием света с длиной волны   l = 260 нм прореагировало 0,32 моля вещества.

Задача № 11. Оптическая плотность раствора тетрааммиаката меди при длине волны l = 750 нм равна 0,126. Определить молярный ко­эффициент поглощения раствора концентрации 0,01 М/см3, если толщина кюветы     1=2,5 см.

 Задача № 12 Определить концентрацию раствора железороданитного комплекса, если при длине волны l = 400 нм молярный коэффициент поглощения раствора  равен  15,3 · 104 дм2 /моль, а толщина кюветы l = 2 см, а оптическая плотность  - 0,428.



Задача № 13. Под действием УФ - света с длиной  волны l = 1750 А разложилось 0,64 моль фторхлорметана CFC13 . Найти количество поглощённой энергии, если квантовый выход реакции равен 1,5 · 103 .

Задача № 14. Рассчитайте объем кислорода, выделяющегося при фотосинтезе, и объем поглощенного углекислого газа, если привес биомассы равен    20 кг/га, и предполагается, что привес биомассы обусловлен  образованием глюкозы.

Задача № 15. Концентрация одного из компонентов фотохимического смога в атмосфере – СН4 - 250 долей на 100 миллионов долей воздуха. Рас­считать, какое количество молей СН4 прореагирует под действием   УФ - излучения с длиной волны l = 260 нм, если количество погло­щенной световой энергии равно 4268 кДж.

Задача № 16. Перенос одного электрона от воды на двуокись углерода в реакции фотосинтеза требует затраты 119,6 кДж/моль. Какое количество энергии будет затрачено на перенесение  8-ми электронов?

Задача № 17. В результате взаимодействия сульфата меди с гидроокисью  аммония образуется сульфат тетрааммиаката меди [Cu(NH3)4] SO4 .Рассчитать молярный коэффициент поглощения раствора сульфата тетрааммиаката меди концентрации 2 · 10-2 г/см3 , если его оптическая плотность при длине волны l = 750 нм равна Dl= 0,126, а толщина поглощающего слоя    1,5 см.

Задача № 18. Рассчитать молярный коэффициент поглощения вещества А при двух длинах волн l1 = 400 нм ; l2 = 580 нм, если оптическая плотность раствора, содержащего оба эти вещества, при указанных длинах волн равна 0,148 и 0,256 соответственно,  концентрации веществ в растворе С = 1 · 10-6 г/см3  и  С = 2,5 · 10-6 г/см3 , а молярный коэффициент поглощения вещества В : e400=4,5см2/г, e580=28,3см2/г.

Задача № 19. Раствор, содержащий смесь веществ А и В с молярными коэффициентами поглощения при l = 680 нм, равными:                                εА = 24500 дм2 /моль и  εВ = 38400 дм2 /моль, имеет оптическую плотность D= 0,468. Концентра­ция вещества А  в растворе равна       СА = 2×10-6 моль/дм3 . Найти концентрацию вещества В.

Вопрос 10 –20. Опишите реакцию образования сахаров у растений ( процесс фотосинтеза )

Задача № 20. Вычислить количество энергии, поглощенной 2,4 моля вещества, если разрыв связи в некоторой фотохимической реакции происходит при длине волны 480 нм.

Задача № 21. Двуокись азота фотохимически разлагается под влиянием из­лучения с длиной волны 3900 А :

                                        NO2     hv       NO + О

Рассчитать количество молей разложившейся двуокиси азота, если квантовый выход реакции равен 102 . Количество поглощенной энергии составляет 490 Дж.

Задача № 22. Квантовые выходы прямой и обратной реакций фотохимической изомеризации А = В равны 0,85 и 0,67 соответственно. Если молярные коэффициенты экстинкции А и В равны 1,5 · 103 и  1,1· 102 дм2/моль, то каково со­отношение [В] / [А] в фотостационарном состоянии?

Задача № 23. В ходе фотохимической реакции взаимодействия бензола с хлором, происходящей при длине волны l = 3130 Ǻ, образуется 2,2 г гексахлорциклогексана. Энергия света, падающего на  кварцевый реактор с реакционной смесью -45,8 Дж, а выходящего из реактора - 4,32 Дж. Вычислить квантовый выход реакции.

Задача № 24. Реакция разложения фторхлорметана CFCl3 происходит при длине волны l = 1750 Å. Вычислить количество поглощенной энергии, если число прореагиро­вавших молей вещества 0,93, а квантовый выход реакции равен 1,5 · 103.

Ответ: Е = 423,6Дж



Задача №25. Если раствор цитозина облучать светом с длиной волны 2600 Ǻ, то в ходе фотохимической реакции происходит присоединение воды и образование цитозин-гидрата. Вычислить количество поглощенной энергии, если под действием светя прореагировало 0,128 моль цитозина, а квантовый выход реакции равен 1.

 Задача № 26. Квантовый выход реакции образования хлорида водорода при облучении свеса l = 4 · 10-7 м равен 100 000. Соблюдается ли закон Эйнштейна?  По какому механизму идет реакция?                                                                                          



Задача № 27. Квантовый выход реакции разложения иодида водорода равен 2. Напишите  схему реакции.

 Задача № 28 В ходе фотохимической реакции, происходящей при длине волны l=250 нм с квантовым выходом равным 1,  прореагировало 2 моля вещества. Рассчитайте количество прореагировавших молекул, число поглощенных квантов, поглощённую в ходе реакции энергию.



Задача №29  В ходе фотохимической реакции взаимодействия бензола с хлором, происходящей при длине волны 313 нм, была поглощена энергия 42,5 кДж. Рассчитайте число поглощенных квантов, количество прореагировавших молекул и квантовый выход реакции.

 Задача № 30 В ходе фотохимической реакции, квантовый выход которой равен 3, одним молем вещества поглощено 4,0×104 кДж/моль энергии. Рассчитать длину волны света, под действием которого произошла реакция и количество поглощенных квантов.

 Задача №31 Рассчитайте объём выделившегося кислорода, если привес биомассы на 1 га за 1 день составил 60 кг, доля сухого вещества составляет 20% и привес биомассы обусловлен образованием  лишь   глюкозы.

Задача  №32  При восприятии зрительного сигнала под действием кванта  видимого света происходит реакция цис-транс-изомеризации:11-цис-ретиналь изомеризуется в транс-ретиналь. Квантовый выход прямой и обратной реакции одинаков и равен единице. Прямая реакция происходит при восприятии кванта света с длиной волны l = 4780 Ǻ, а обратная   l2 = 3870 Ǻ. Рассчитать количество энергии, поглощенное палочками, входящими в состав сетчатки глаза, при восприятии пяти световых сигналов в процессе черно-белого зрения.

.Задача № 33 Объём выделившегося в ходе реакции фотосинтеза кислорода составил 12,88 м3.Определите привес биомассы в килограммах на 1га за 1 день, если доля сухого вещества в биомассе составляет 23%  и предполагается, что привес биомассы обусловлен образованием глюкозы.

     

                       



Тема 6. Растворы неэлектролитов.

Растворами называют состоящие из двух или более веществ гомогенные системы, состав которых может меняться в довольно широких пределах.

     Вещество, которое при растворении не изменяет своего агрегатного состояния или входит в состав раствора в преобладающем количестве, называют растворителем. Его агрегатное состояние определяет агрегатное состояние раствора.

     К числу важнейших свойств растворов относятся диффузия, осмос и осмотическое давление, понижение давления насыщенного пара растворителя над раствором, понижение температуры замерзания и повышение температуры кипения растворов.

     Если в различных точках раствора количество растворённого вещества неодинаково, то происходит диффузия  - процесс самопроизвольного переноса вещества из области большей концентрации в область меньшей концентрации, в результате которого устанавливается равновесное распреде-ление концентраций вследствие беспорядочного теплового движения молекул. Скорость диффузии зависит от агрегатного состояния вещества и максимальна в газах. Процесс диффузии описывает  I закон Фика:

                            m  = - D ·S·t ·ΔCX,    

где m – масса диффундирующего вещества,

      D – коэффициент диффузии,

      S – площадь, через которую происходит диффузия,

      t-    время диффузии,

      ΔC  =   С2 –С1,



      ΔX   =  Х2  - Х1,

      С2,1 – концентрации между точками с координатами Х2  и Х1

 Величину   V = m/t   называют скоростью диффузии.

     Коэффициент диффузии рассчитывают по формуле, полученной А.Эйнштейном:

                                        D = RT/NA6πηr                      

Где  R – универсальная газовая постоянная,

        η  - вязкость растворителя,

        r – радиус диффундирующих частиц,

        Т – термодинамическая температура,

        NА – число Авогадро.

Таким образом, скорость диффузии можно рассчитать по формуле:

                             V  = -  S RT DC/NA6phrDX        

     Концентрация растворённого вещества в ходе диффузии конечно меняется, и этот процесс описывает II закон Фика:

         Изменение концентрации растворённого вещества в единицу времени пропорционально второй производной от градиента концентрации.

                                      dC/dt = - d2C/dx2

      Диффузия может происходить как между объёмами раствора, характеризующимися разной концентрацией растворённого вещества, так и между растворами, отделёнными полупроницаемой мембраной. Свойствами полупроницаемости обладают такие природные мембраны, как стенки растительных и животных клеток, мембраны отдельных клеточных органелл, стенки кишечного эпителия. Полупроницаемые мембраны изготавливают также из целлофана, пергамента, коллодия, желатина.

      Осмос – это диффузия молекул растворителя через полупроницаемую мембрану из раствора с меньшей концентрацией  в раствор с большей концентрацией

     Одним из основных свойств растворов является осмотическое давление - гидростатическое давление, которое надо приложить к раствору, чтобы задержать осмос. Его можно вычислить, используя закон Вант Гоффа:

                             Р = СRT     

Где С – молярная концентрация растворённого вещества, кмоль/м3;,

       Т – температура,

       R – универсальная газовая постоянная.

     Растворы, обладающие одинаковым осмотическим давлением, называют изотоническими.  Разными соотношениями значений осмотического давления   в клетках биологических систем и в окружающей среде объясняются явления тургора и плазмолиза.

       Значение давления насыщенного пара растворителя над раствором даёт  I закон Рауля:

 


 Р = P0



                 Р = P0 ×                    

       где P0 - давление насыщенного пара над чистым растворителем;


             Р - давление насыщенного пара над раствором;

             n0 и n -число молей растворителя и растворённого вещества.

Формулировка этого закона: Относительное понижение давления насыщенного пара растворителя над раствором равно молярной доле растворённого вещества.

      В соответствии с этим законом, чем ниже концентрация растворённых веществ в водоёме, тем чаще над ним образуются туманы (при прочих равных условиях)

      Понижение температуры  замерзания и повышение температуры кипения растворов по сравнению с температурами замерзания и кипения чистых растворителей определяют по    II закону Рауля:

                              DTЗ = KСm         

                           DTК = EСm                             

Где ΔTЗ и ΔTК - изменение температуры замерзания и кипе­ния растворов по сравнению с температурами замерзания и кипения растворителя  соответственно,



DT3 =  T3(РАСТВОРИТЕЛЯ) - T3 (РАСТВОРА),

DTК  = TК (РАСТВОРА)­ – TК (РАСТВОРИТЕЛЯ),

Сm - моляльная концентрация раствора, которую для разбавленных растворов неэлектролитов можно считать равной молярной концентрации (Сm = С)

К  - криоскопическая постоянная,

Е -  эбулиоскопическая постоянная,

(значения последних зависят только от свойств растворителя)

Значение молярной (моляльной) концентрации можно выразить

                      Сm = С =    ,

где     g  - вес растворенного вещества ,

         W - вес растворителя ,

         М - молекулярная масса растворенного вещества.  

    Тогда                   PОСМ =  ,      

                   ΔТк =g103 Е / МW,                

                                          

                        Примеры решения задач



Задача № 1  Рассчитать осмотическое давление, температуры за­мерзания и кипения раствора, содержащего 250 г воды и 54 г глюкозы (условия стандартные).

     Решение: Расчет проводим по вышеприведенным уравнениям



= 2900 (Па)

    где M(ГЛЮКОЗА) = 180г./ моль, значения К, Е и R- взяты из приложения.

 

   ,

 

 

Найдем температуры замерзания и кипения 



             T3 =0 - 2,23 = -2,23°С  ,

             Тк = 100 + 1,02 = 101,02°С .

 Ответ: Р осм. = 290 Па, t3 = -2,23°С  , tк =101,02°С .

                      Задачи  и вопросы для индивидуальных заданий.



Вопрос 1 -10 . Что такое осмос, осмотическое давление, опишите методы его определения.



Поделитесь с Вашими друзьями:
1   2   3   4   5   6   7   8


База данных защищена авторским правом ©uverenniy.ru 2019
обратиться к администрации

    Главная страница