Контрольная работа: по Теоретические основы пргрессивных технологий

Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Санкт-петербургский государственный

инженерно-экономический университет»

Кафедра современного естествознания и экологии

Контрольная работа по дисциплине

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ

ПРОГРЕССИВНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ

Выполнил: Александрова Н.В

студент_1 __курса__ 3г 10м ____ спец 080502

группа_____8/691 ________N зачетной книжки ___06068/09 ____

Подпись:____________________________________________

Преподаватель: __Фокин Виктор Васильевич ___

(Фамилия И.О.)

Должность ____________Доцент ____________________

Уч.степень, уч..звание

Оценка:________________Дата: ________________________

Подпись:____________________________________________

Санкт-Петербург

2009

1. Как рассчитать молярную массу эквивалентов оксида? Приведите примеры.

Эквивалент – это часть молекулы (атома) вещества, равноценная в химической реакции одному атому или иону водорода или одному электрону. Соответственно, молярная масса эквивалента вещества – это масса одного моль эквивалентов вещества, равноценная в химической реакции массе 1 моль атомов или ионов водорода или количеству электронов 1 моль. / 3, стр. 456/

Расчет молярной массы эквивалента вещества осуществляется по следующим правилам для оксидов:

М_э = М / n

где М – молярная масса вещества, n – формальный заряд катиона.

Например:

СаО, М_экв = (40+16) / 2 = 28г/экв

MgO, М_экв = (24+16) / 2 = 20г/экв

CuO, М_экв = (63,5+16) / 1 = 79,5 г/экв

SiO, М_экв = (28+16) / 4 = 11 г/экв

1. Что такое «стандартная энтальпия образования», «стандартная энтальпия сгорания» вещества? Чему равны стандартные энтальпии образования кислорода, азота, хлора, аргона, углерода?

Под стандартной энтальпией образования понимают тепловой эффект реакции образования одного моля вещества из простых веществ, его составляющих, находящихся в устойчивых стандартных состояниях.

Стандартная энтальпия сгорания – тепловой эффект реакции сгорания одного моля вещества в кислороде до образования оксидов в высшей степени окисления. Теплота сгорания негорючих веществ принимается равной нулю.

Таблица 1

Стандартные энтальпии образования в газовой фазе DH °_обр. , кДж/моль

/ 7 /

3. Дайте определение химическому равновесию. Сформулируйте принцип Ле-Шателье .

Химическое равновесие — состояние химической системы, при котором возможны реакции, идущие с равными скоростями в противоположных направлениях. При химическом равновесии концентрации реагентов, температура и другие параметры системы не изменяются со временем.

Принцип Ле-Шателье в применении к химическим равновесиям можно сформулировать так:

Если на систему, находящуюся в равновесии, оказать какое-либо воздействие, то в результате протекающих в ней процессов равновесие сместится в таком направлении, что оказанное воздействие уменьшится.

4. Какие вещества называются «электролитами» и какие «неэлектролитами»? В чем суть явления «электролитической диссоциации»?

Электролиты, вещества, обладающие ионной проводимостью; их называют проводниками второго рода — прохождение тока через них сопровождается переносом вещества. К электролитам относятся расплавы солей, оксидов или гидроксидов, а также (что встречается значительно чаще) растворы солей, кислот или оснований в полярных растворителях, например в воде. Известны и твердые электролиты. Чтобы пропустить электрический ток через раствор электролита, в него опускают две металлические или угольные пластины — электроды — и соединяют их с полюсами источника постоянного тока. Положительный электрод называют анодом, отрицательный — катодом. Прохождение тока через электролит сопровождается химическими реакциями на электродах.

Сильные электролиты. Это вещества, которые при растворении в воде практически полностью распадаются на ионы. Как правило, к сильным электролитам относятся вещества с ионными или сильно полярными связями: все хорошо растворимые соли, сильные кислоты и сильные основания. В растворе сильного электролита растворённое вещество находится в основном в виде ионов (катионов и анионов); недиссоциированные молекулы практически отсутствуют.

Слабые электролиты. Вещества, частично диссоциирующие на ионы. Растворы слабых электролитов наряду с ионами содержат недиссоциированные молекулы. Слабые электролиты не могут дать большой концентрации ионов в растворе.

К слабым электролитам относятся:

1)почти все органические кислоты

2)некоторые неорганические кислоты

3)почти все малорастворимые в воде соли, основания и гидроксид аммония;

4) вода.

Они плохо (или почти не проводят) электрический ток.

Неэлектролиты. Вещества, водные растворы и расплавы которых не проводят электрический ток. Они содержат ковалентные неполярные или малополярные связи, которые не распадаются на ионы. Электрический ток не проводят газы, твердые вещества (неметаллы), органические соединения (сахароза, бензин, спирт).

В 1887 году Аррениус предложил теорию, объясняющую свойства растворов солей, кислот и щелочей и получившую название теории электролитической диссоциации. Согласно этой теории, при растворении в воде электролиты распадаются (диссоциируют) на положительно и отрицательно заряженные ионы.

5. Опишите кинетический и электрический факторы устойчивости дисперсных систем. Что такое порог коагуляции?

Устойчивость дисперсных систем – это возможность их нахождения в исходном состоянии неопределенно долгое время.

Качественная особенность дисперсных систем состоит в их агрегативной неустойчивости. Предотвращение агрегации первичных дисперсных частиц возможно в результате действия трех факторов устойчивости дисперсных систем:1) кинетического;2) электрического и 3) структурно-механического.

Необходимым условием слипания двух частиц дисперсной фазы является их сближение, достаточное для проявления сил притяжения. Если частота столкновений коллоидных частиц мала, то дисперсная система может быть устойчивой ( кинетический фактор устойчивости). Это может иметь место при очень малой концентрации дисперсных частиц или при очень большой вязкости дисперсионной среды.

Электрическая стабилизация дисперсных систем связана с возникновением двойного электрического слоя на границе раздела фаз. Такая стабилизация имеет основное значение для получения устойчивых лиозолей и суспензий в полярной среде, например воде. В любом гидролизе все коллоидные частицы имеют одинаковый знак заряды. Однако коллоидная мицелла в целом электронейтральна в результате образования двойного электрического слоя. Поэтому электростатическое отталкивание между коллоидными частицами ( электрический фактор устойчивости) возникает только при достаточном их сближении, когда происходит перекрывании их ионных атмосфер.

Коагуляцией называется процесс слипания частиц с образованием крупных агрегатов. В результате коагуляции система теряет свою седиментационную устойчивость, так как частицы становятся слишком крупными и не могут участвовать в броуновском движении.

Коагуляция является самопроизвольным процессом, так как она приводит к уменьшению межфазной поверхности и, следовательно, к уменьшению свободной поверхностной энергии.

Коагулирующее действие электролитов характеризуют порогом коагуляции, т.е. наименьшей концентрации электролита, вызывающей коагуляцию. В зависимости от природы электролита и коллоидного раствора порог коагуляции изменяется в пределах от 10^-5 до 0,1 моль в литре золя. Наиболее существенное влияние на порог коагуляции оказывает заряд коагулирующего иона электролита, т.е. иона, заряд которого противоположен по знаку заряду коллоидной частицы. / 5,стр. 213/

6. Что представляет собой электрохимическая коррозия, каков ее механизм? Объясните принцип действия протекторной защиты и электрозащиты

Процесс самопроизвольного разрушения металла при воздействии на него агрессивной среды, называется электрохимической коррозией.

Электрохимическая коррозия – сложный гетерогенный процесс, связанный с протеканием по крайней мере двух окислительно-восстановительных сопряженных реакций на поверхности корродирующего металла.

Механизм электрохимической коррозии. Коррозия металла в средах, имеющих ионную проводимость, протекает через анодное окисление металла:

и катодное восстановление окислителя (Ох)

Окислителями при коррозии служат молекулы кислорода, хлора , ионы , , и др. Наиболее часто при коррозии наблюдается ионизация (восстановление) кислорода:

в нейтральной или щелочной среде

в кислой среде

и выделение водорода

Коррозия с участием кислорода называется коррозией с поглощением кислорода (коррозия с кислородной деполяризацией). Коррозия с участием ионов водорода называется коррозией с выделением водорода (коррозией с водородной деполяризацией).

Кроме анодных и катодных реакций при электрохимической коррозии происходит движение электронов в металле и ионов в электролите. Электролитами могут быть растворы солей, кислот и оснований, морская вода, почвенная вода, вода атмосферы, содержащая , , и другие газы.

Разность потенциалов металла и окислителя определяют возможность коррозии. Более важной характеристикой служит скорость коррозии, выражаемая через потери металла в единицу времени. Скорость коррозии может быть также выражена по закону Фарадея через ток или плотность тока. Так как, электрохимическая коррозия протекает через несколько взаимосвязанных стадий, то скорость ее зависит от скорости самой медленной стадии, называемой лимитирующей (контролирующей), стадией процесса. Все остальные стадии вынуждены иметь скорость равную скорости лимитирующей стадии процесса. Поскольку коррозионные элементы являются короткозамкнутыми микроэлементами, движение электронов в металле не может быть лимитирующей стадией процесса. Движение ионов в растворе обычно также не лимитирует процесс коррозии ввиду очень малого расстояния между микроэлементами (исключение составляют растворы с очень малой электрической проводимостью). Следовательно, лимитирующими стадиями могут быть или реакции анодного окисления металла (анодный контроль), или реакции катодного восстановления окислителя (катодный контроль), или те и другие одновременно (смешанный контроль).

Для борьбы с коррозией металла, контролируемой скоростью восстановления кислорода, следует снижать концентрацию кислорода, например, введением восстановителя в раствор или снижением давления кислорода над раствором. Скорость коррозии можно также снизить, изолируя металл от кислорода тем или иным способом. Изменение состава катодных участков мало влияет на коррозию с поглощением кислорода. Поэтому степень чистоты металла обычно не играет существенной роли при коррозии с поглощением кислорода. Если потенциал металла отрицательнее потенциала водорода электрода, то процесс коррозии протекает как с поглощением кислорода, так и с выделением водорода. Если кислород в системе отсутствует или быстро расходуется в результате коррозии, например, в крытой системе, то коррозия протекает лишь с выделением водорода. Однако и при наличии кислорода в системе, скорость восстановления в некоторых случаях мала по сравнению со скоростью выделения водорода, например, в растворе кислоты на цинке, железе, марганце. При этом в первом приближении можно пренебречь скоростью коррозии за счет поглощения кислорода и говорить лишь о скорости коррозии с выделением водорода. Ввиду большой подвижности ионов обычно стадия подвода не лимитирует реакцию катодного выделения водорода. Скорость процесса определяется скоростью собственной реакции восстановления ионов водорода:

или соединением атомов водорода в молекулу

Скорость катодного выделения водорода возрастает с увеличением температуры и концентрации ионов водорода (снижением рН).

Электрохимическая защита. Этот метод защиты основан на торможении анодных или катодных реакций коррозионного процесса. Электрохимическая защита осуществляется присоединением защищаемой конструкции металла с более отрицательным значением электродного потенциала - протектора, а также катодной (катодная защита) или анодной (анодная защита) поляризацией за счет извне приложенного тока. Наиболее применима электрохимическая защита в коррозионных средах с хорошей ионной электрической проводимостью.

При протекторной защите к изделию подсоединяют металл или сплав, потенциал которого значительно отрицательнее потенциала металла изделия. Такие металлы или сплавы называются протекторами. В качестве материала протекторов используют сплавы алюминия, магния и цинка. В коррозионной среде, например в морской воде, металл протектора растворяется:

или

а на изделии выделяется водород:

/ 6, стр. 145/

7. Что такое мембранная технология, какова сфера ее применения? Охарактеризуйте особенности мембранного процесса.

Процесс разделения с межфазным переносом вещества при наличии перегородки (мембраны), отделяющей в пространстве фазы, участвующие в процессе массообмена, называется мембранным процессом. Методы мембранного разделения смесей основаны на различной проницаемости мембран для разных компонентов разделяемой смеси.

Мембрана – это твердая или жидкая перегородка, через которую могут проникать все или часть компонентов смеси. В первом случае мембрана называется проницаемой, во втором – полупроницаемой. Мембраны изготавливают из органических (в том числе полимерных) и неорганических (металлических, керамических, стеклянных и пр.) материалов. Мембраны могут быть твердыми и жидкими. Для производства мембран необходима современная высокоточная технология, которая принципиально отлична для органических и неорганических мембран.

Массоперенос через мембрану – типичный необратимый процесс, анализируемый в соответствии с принципами неравновесной термодинамики.

Процессы мембранного разделения широко применяются в промышленности при разделении жидких и газообразных смесей, концентрировании растворов, опреснении воды, выделении кислорода из воды (искусственные жабры), очистке атмосферы гермоотсеков с биологическими объектами и людьми, в медицине (искусственные легкие, почка, печень, разделение крови на компоненты и др.), в металлургии и биохимии (обогащение кислородом дутье), в пищевой промышленности (при создании атмосферы, препятствующей порче пищевых продуктов) и в других отраслях.

Основная доля процессов разделения в объектах живой природы происходит с помощью биологических мембран. Это наводит на мысль, что мембранные процессы разделения не только высокоэффективны( практически – селективны), но и обладают малой удельной энергоемкостью. Последний показатель особенно важен при выборе метода разделения разбавленных систем.

Главным недостатком процессов мембранного разделения является необходимость использовать большие поверхности мембраны, ибо в последней преобладают весьма медленные процессы молекулярного переноса массы. /1, стр.1519/

Один из важнейших мембранных процессов – обратный осмос. Принцип его действия понятен на примере получения пресной воды из морской. Если на стороне соленой воды создать давление выше осмотического, то молекулы воды начнут вырываться из гидратных оболочек ионов и проникать через мембрану, образуя поток обессоленной воды. При обратном осмосе вода течет из сильно концентрированного раствора в менее концентрированный. Чтобы получать пресную воду при пропускании через мембрану морской воды, необходимо обеспечить разность давлений в 20 атмосфер. По этому принципу работают опресняющие установки на кораблях и яхтах. Теперь опустим мембранный аппарат в море на глубину 3000 метров. На поверхность выведем трубу, заполненную пресной водой. Плотность пресной воды – 1000 кг/м3 , а плотность морской воды – 1100 кг/м3. Значит, с одной стороны на мембрану действует давление столба морской воды в 330 атмосфер, а с другой – давление столба пресной воды в трубе в 300 атм. Перепада давление в 30 атм достаточно, чтобы проходил процесс опреснения воды и эта пресная вода вырывалась из трубы струей в100 метров высотой. Укротим струю, поставим турбину и будем получать дешевую пресную воду и бесплатную энергию.

Зреет революция в химической технологии и биотехнологии. Концепция мембранного реактора призвана решить проблемы неполной утилизации сырья, ингибирования процесса продуктами реакции, перехода на непрерывный способ производства. Идея заключается в выводе через мембрану из реакционной зоны только, но не исходных компонентов. Удивительные перспективы открывает мембранное разделение газовых смесей. Только из воздуха можно получить азот или обедненный кислородом воздух и использовать его для создания условий высокогорья в тренировочных комплексах, в хранилищах овощей и фруктов, на АЗС, в топливных баках самолетов. Но также легко получить и обогащенный кислородом воздух, который необходим в реанимационных палатах, в водоемах для выращивания рыбы, в металлургии и т.д.

8. При повышении температуры на 50^о скорость реакции возросла в 1200 раз. Вычислите температурный коэффициент скорости.

Решение. По правилу Вант-Гоффа

,

где:

v₁ – скорость реакции при температуре t₁

v₂ – скорость реакции при температуре t₂ ;

γ – температурный коэффициент скорости реакции.

Преобразуем эту формулу для решений задачи и получим:

,

В которой отношение показывает во сколько раз увеличится скорость реакции, а разность t₂ – t₁ = ∆t показывает на сколько градусов повысится температура.

По условию = 1200, t₂ – t₁ =50⁰ .

Подставим данные значения в уравнение Вант-Гоффа:

1200 = ,

1200 = γ^5,

^{γ =} ,

γ = 4,129 ~4,13

Ответ. Температурный коэффициент, v = 4,13. / 4, стр.63/

9. Для заливки в аккумуляторную батарею владельцу легковой автомашины понадобился 37%-ный раствор серной кислоты. Он взял 2 л 50%-ного раствора с плотностью 1,40 г/см³ и добавил к нему 1 л 10%-ного раствора с плотностью 1,07 г/см³ . Получил ли автолюбитель раствор с требуемой массовой долей серной кислоты? Если нет, то какой объем 10%-ного раствора серной кислоты ему следовало взять?

Решение. Найдем массу m, г, каждого раствора через его плотность по формуле:

m(р-ра) = ρ × V,

где ρ – плотность раствора, г/см³

V – объем раствора, см³

m(50%р-ра) = 2×10³ ×1,40 = 2800 г

m(10%р-ра) = 1×10³ ×1,07 = 1070 г

m(х р-ра) = 2,8 + 1,07 = 3870 г

Пользуясь правилом «креста», найдем какой концентрации получится раствор при смешении данных растворов.

50 2800

х

10 1070

Исходя из данного правила, составим уравнение:

50 × 2800 + 10 × 1070 = 3870х

140000 + 10700 = 3870х

х = 38,94%-ный раствор получится при смешении данных растворов.

Чтобы определить какой объем 10%-ного раствора серной кислоты нужно взять чтобы получился 37%-ный раствор, воспользуемся правилом «креста»

50 27 : 1,40 = 19,29

37

10 13 : 1,07 = 12,15

Значит, в 31,44 г р-ра → 12,15 г H₂ SO₄ 10%

3870 г р-ра → х г H₂ SO₄ 10%

х = ( 3870 × 12,15) / 31,44 = 1495,56 г H₂ SO₄ 10%

Ответ. При смешении 50%-ного и 10-ного растворов серной кислоты в данных количествах, нужная концентрация раствора не получается. Чтобы получить 37%-ный раствор нужно взять 1495,56 г 10%-ной серной кислоты или 1,4л. / 2,стр.48/

10. Метод гальванопластики позволяет изготовлять металлические копии различных предметов. При этом слепок предмета, покрытый проводящим покрытием, подключают к отрицательному полюсу источника постоянного тока и погружают в раствор сульфата меди, а второй, погруженный в этот раствор медный электрод, подключают к положительному источнику постоянного тока. Вычислите массу меди которая выделится на катоде и растворится на аноде, если через электролизер пропускался ток в 1 A на протяжении 4 часов.

Решение. Согласно 1 закону Фарадея, количество выделившегося при электролизе вещества прямо пропорционально количеству протекшего через раствор электричества

М = К × Q,

где М – количество выделившегося вещества,

К – коэффициент пропорциональности, называемый электрохимическим эквивалентом вещества;

Q – количество протекшего электричества, Кл

Для выделения 1 г/экв любого вещества нужно пропустить через раствор 96500 кулонов.

Количество протекшего электричества, Q, определяем согласно уравнению

Q = I × t,

где I - сила тока, А

t – время, с

По условию I = 1A, t = 4ч = 14400с

Q = 1 × 14400 = 14400 Кл

Найдем эквивалент меди по формуле:

Э = М_экв / f_экв

Э = 64 / 2 = 31,77 г/экв

Масса меди, выделившаяся на катоде равна:

М = (31,77 × 14400) / 96500 = 4,74 г

Ответ. Масса меди, выделившаяся на катоде равна 4,74 г. / 2, стр.34/

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1. Айнштейн В.Г., Захаров М.К., Носов Г.А. Захаренко В.В., Зиновкина Т.В., Таран А.Л., Костанян А.Е.; под ред. В.Г. Айштейна. М.: Логос; Высшая школа, 2003, Кн.2. 872с.:ил.

2. Глинка Н. Л., Задачи и упражнения по общей химии, изд. 18-е, 1970г.

3. Глинка Н. Л. Общая химия. Изд. 16-е, перераб. Л. «Химия», 1974.

4. Дровозорова Т.И., Сербиновская Н.М., Горобцова О.Н. «Пособие-репетитор по химии». Учебное пособие. – Москва:ИКЦ «МарТ»; Ростов н/Д: Издательский центр «МарТ», 2003. – 368с.

5. Кнорре Д.Г., Крылова Л.Ф., Музыкантов В.С. «Физическая химия», Москва, Высшая школа, 1990

6. Ротинян А. Л., Тихонов К.И., Шошина И.А. Теоретическая электрохимия/Под ред. А. Л. Ротиняна. – Л.: Химия, 1981. – 424с., ил.

7. http://www.xumuku.ru/himiya/default.html