Imię i nazwisko:... Numer indeksu:... Data: 07/02/2004 Załączam dodatkowych kartek:...

Transkrypt

1 Egzamin z chemii fizycznej, semestr zimowy 2003/04. (gazy, termodynamika, równowagi fazowe, równowaga chemiczna, roztwory) Egzaminator: Dr hab. inż. Wojciech Chrzanowski Imię i nazwisko:... Numer indeksu:... Data: 07/02/2004 Załączam dodatkowych kartek: /3½ /1 /2 /2 /2 /4 /1½ /2½ /1 /2½ /2 /1½ /1½ /1½ /2 /1½ /2½ /2 /2 /2 /1 /2 /2 / Σ Ocena: Data: Podpis /2 /2½ /2 /3 /2 /2 /60 Instrukcja: Na stole możesz trzymać wyłącznie 1 lub 2 pióra (długopisy) piszące w kolorze czarnym lub niebieskim oraz do dwóch dodatkowych kartek A4. Kalkulatory i tablice są zbędne. Wszelkie potrzebne dane są uwzględnione w tekstach pytań, a obliczenia możliwe do wykonania na palcach. Zakazane jest używanie płynów korekcyjnych i innych podobnych środków. Zwracam uwagę, że korzystanie i udzielanie wszelkich form niedozwolonej pomocy jest poważnym naruszeniem regulaminu studiów i będzie karane. Podpisz czytelnie niniejszy formularz (obie części) oraz wszystkie dodatkowe kartki, jakie zdecydujesz się oddać do sprawdzenia. Jeżeli decydujesz się oddać dodatkowe kartki zaznacz ich liczbę pod nazwiskiem (nie zgłoszone tam nie będą sprawdzane). Zasadniczo wszystkie odpowiedzi powinny być na formularzu jeżeli jakaś jest na dodatkowej kartce zaznacz to wyraźnie w miejscu na odpowiedź na formularzu (za odszukanie na kartkach nie anonsowanych w ten sposób odpowiedzi potrąca się ½ punkta). Jeżeli pytanie dotyczy zaznaczenia, należy wyraźnie zaznaczyć swój wybór ujmując wskazaną odpowiedź w kółko. Poprawnych może być jedno, dwa lub więcej stwierdzeń. W pytaniach wymagających opisu proszę o zwięzłość, a także o wyraźny charakter pisma. Przy wskazaniach prawdziwości stwierdzeń pisz wyraźnie PRAWDA lub FAŁSZ, całym słowem i najlepiej dużymi literami. Same litery P i F nie będą uwzględniane. Przy każdym zadaniu (oraz w tabelce pod nagłówkiem) wskazana jest liczba możliwych do uzyskania punktów (ewentualnie szczegóły punktacji). Powodzenia! PYTANIA (zestaw A): 1. Przy stwierdzeniach, odnoszących się do przedstawionego niżej schematu przemian odwracalnych 1 mola gazu doskonałego, wpisz które są prawdziwe, a które fałszywe: 3½ pkt możliwe do uzyskania; po ½ pkt za każdą dobrą odpowiedź, po ½ pkt za złą, za brak odpowiedzi 0 pkt. a) F < F b) G = G c) q < q d) T 1 >T 4... e) H 2-3 =q f) H = H g) w >w Temperatura krytyczna cyjanowodoru (HCN) wynosi 183,45 o C. Oznacza to, że: wskaż wszystkie poprawne stwierdzenia; 1 pkt możliwy do uzyskania; punkty dodatnie za dobrą odpowiedź, ujemne za złą, za brak odpowiedzi 0 pkt. a) powyżej tej temperatury cząsteczka HCN rozpada się na pierwiastki, b) powyżej tej temperatury cyjanowodór nie da się skroplić pod żadnym ciśnieniem, c) powyżej tej temperatury cyjanowodór zachowuje się jak gaz doskonały, d) powyżej tej temperatury cyjanowodór znajduje się w stanie nadkrytycznym, e) żadne z powyższych stwierdzeń nie jest prawdziwe.

2 3. Zaznacz, które wielkości termodynamiczne są funkcjami ekstensywnymi, a które intensywnymi; a) standardowa molowa entalpia swobodna tworzenia, G 0 tw298 Intensywna Ekstensywna b) entalpia reakcji, h r I E c) molowa pojemność cieplna przy stałej objętości, C V I E d) gęstość gazu, ρ I E Egz_1A_34.DOC 4. Wynik doświadczenia Joule a sugeruje, że (du/dv) T zwane też ciśnieniem wewnętrznym gazu π T jest równe zero. Czy stwierdzenie to? (wskaż wszystkie poprawne) 2 pkt możliwe do uzyskania, ujemne punkty za złe odpowiedzi, za brak odpowiedzi 0 pkt. a) jest prawdziwe tylko dla gazów doskonałych, a dla rzeczywistych jedynie granicznie, b) jest zawsze prawdziwe, c) jeśli jest prawdziwe dla gazów doskonałych, to dla tych gazów (du/dt) p =C V, a w konsekwencji C p C V =R d) żadne z powyższych stwierdzeń nie jest prawdziwe. 5. Na podanym diagramie fazowym zaznaczone są cztery punkty: A, B, C i D. Dla każdego z nich podaj liczbę stopni swobody: A... B... C... D Dla przedstawionego poniżej cyklu przemian gazu prawdziwe są następujące stwierdzenia: 1) przy przejściu ze stanu A do stanu C energia wewnętrzna układu wzrasta o 8J; 2) gdy gaz przechodzi ze stanu A do stanu B drogą ADB, do układu dopływa 16J ciepła, zaś praca rozprężania wynosi 6J; 3) przy przejściu ACB praca rozprężania wynosi 2J; 4) przy przejściu ze stanu B do A drogą bezpośrednią (wzdłuż krzywej), praca sprężania wynosi 4J. Oblicz: a) q BA (wzdłuż krzywej), b) q AC, c) q CB, d) q ACB. 4 pkt możliwe do uzyskania; nie ma punktów ujemnych 7. Zaznacz, która z postaci równania Clausiusa-Clapeyrona jest błędna: P H a) 2 p( s) 1 1 dp P H p( s) ln = b) = 2 P1 R T2 T1 dt RT d ln P H p( s) dp H PF c) = d) = 2 dt RT dt T V za poprawne wskazanie 1 pkt, za błędne 1 punkt, za brak odpowiedzi 0. Do zdobycia 1½ punkta. Błąd polega na:...

3 Egz_1A_34.DOC 8. Przy poniższych stwierdzeniach wpisz które są prawdziwe, a które fałszywe: 2½ pkt możliwe do uzyskania; po ½ pkt za każdą dobrą odpowiedź, po ½ pkt za złą, za brak odpowiedzi 0 pkt. a) dq/t, gdzie dq jest ciepłem wymienionym przez układ z otoczeniem w temperaturze T jest zawsze różniczką zupełną... b) w stanie równowagi termodynamicznej entropia układu izolowanego osiąga wartość maksymalną... c) gdy różnica temperatur, pomiędzy którymi pracuje maszyna cieplna, T 1 T 2, (T 1 >T 2 ) rośnie, to sprawność tej maszyny rośnie... d) entropia ciała czystego w trwałej formie termodynamicznej może maleć ze wzrostem T... e) przyrost entropii w każdym procesie adiabatycznym jest równy zeru Na poniższym wykresie pokazano kilka rozkładów Maxwella (oznaczonych A, B, C i D) szybkości cząsteczek gazów. Zakładając, że A, B, C i D oznaczają rozkłady dla różnych gazów w tej samej temperaturze, zapisz sekwencję mas molowych tych gazów (masy oddzielone znakami > lub <):... Jeżeli wszystkie rozkłady przedstawiają szybkości cząsteczek tego samego gazu, lecz w temperaturach A, B, C i D, zapisz sekwencję temperatur:... 1 pkt możliwy do uzyskania; nie ma punktów ujemnych 10. Równanie stanu gazu rzeczywistego van der Waalsa ma postać: RT P = V b a 2 m V m Podaj wymiary (jednostki) stałych b i a wg SI: [b]=... [a]=... Równanie to jest skorygowanym równaniem stanu gazu doskonałego. Jakie przesłanki przemawiają za wprowadzeniem poprawki b?... Jakie przesłanki przemawiają za wprowadzeniem poprawki a i dlaczego związana jest ona z kwadratem objętości molowej? 2½ pkt możliwe do uzyskania; nie ma punktów ujemnych 11. Stała równowagi K p reakcji A(g) + B(g) = AB(g) w pewnej temperaturze wynosi 4. Zmieszano równomolowe ilości wszystkich 3 biorących w niej udział substancji pod ciśnieniem normalnym i pozwolono na ustalenie się stanu równowagi Reakcja jest egzotermiczna. Przy poniższych stwierdzeniach zaznacz, które są prawdziwe, a które fałszywe: a) po podniesieniu temperatury w warunkach izobarycznych ułamek molowy A zmalał... b) po podniesieniu ciśnienia w warunkach izotermicznych liczba moli substancji B zmalała... c) po dodaniu 1 mola A w warunkach izotermiczno izobarycznych liczba moli substancji B zmalała... d) po dodaniu gazu obojętnego w ilości dwukrotnej liczby moli w stosunku do pierwotnie wprowadzonej liczby moli wszystkich trzech składników łącznie, w warunkach izochoryczno izotermicznych, liczba moli substancji B nie zmieniła się...

4 Egz_1A_34.DOC 12. Dla czystego bizmutu (i wody) krzywa topnienia na ich diagramach fazowych ma nachylenie ujemne, tzn. kieruje się w lewo w górę od punktu potrójnego w układzie współrzędnych P=f(T) (odwrotnie niż substancja, której diagram fazowy poprawny pokazano na rysunku do problemu 5). Dowiedź, że jest to równoznaczne z tym, iż stały metaliczny Bi pływa po powierzchni stopionego Bi. 1½ pkt możliwe do uzyskania, nie ma punktów ujemnych. 13. Wskaż, który spośród poniższych wykresów nie jest poprawnym diagramem fazowym dla układu dwuskładnikowego. Odpowiedź uzasadnij. 1½ pkt możliwe do uzyskania; nie ma punktów ujemnych a) b) c) d) 14. W trzech zdaniach wyjaśnij na czym polegają transpiracyjne metody pomiaru prężności pary. 1½ pkt możliwe do uzyskania; nie ma punktów ujemnych

5 Imię i nazwisko... Egz_1A_34.DOC 15. Przy poniższych stwierdzeniach zaznacz, które są prawdziwe, a które fałszywe: a) W morzu zanurzono na głębokość 250 m pustą rurę zamkniętą od dołu wytrzymałą błoną półprzepuszczalną. Stwierdzono, że we wnętrzu rury zaczęła gromadzić się woda słodka... b) Zlewkę zawierającą wodę z Bałtyku wstawiono do naczynia zawierającego mieszaninę eutektyczną lodu i stałego CaCl 2. Zawartość zlewki ciągle mieszano. Zaobserwowano, że jako pierwsze zaczęły się w niej wydzielać stałe kryształki soli... c) Zmiana ciśnienia wpływa słabiej na T wrzenia substancji czystej niż jej T topnienia... d) Przez roztwór doskonały substancji A i B przepuszczano w stałej temperaturze T strumień gazu obojętnego. W tej temperaturze P 0 A = 0,8P 0, zaś P 0 B = 0,6P 0. W drugim naczyniu chłodzono gaz w stopniu pozwalającym na całkowite wymrożenie obu substancji. Gdy zawartości drugiego naczynia pozwolono stopnieć, otrzymana ciecz była bogatsza w składnik B Na Saharze około południa do baku samochodu terenowego zatankowano biopaliwo (benzynę z etanolem) Made in Poland, a następnego dnia przed świtem (noce na Saharze są bardzo chłodne) silnik nie chciał zapalić. Stwierdzono, że na dnie baku zgromadziła się woda. Czy to możliwe i dlaczego? Wyjaśnij. 1½ pkt możliwe do uzyskania; nie ma punktów ujemnych. 17. Naszkicuj krzywą stygnięcia mieszaniny substancji A i B wzdłuż izoplety a b c d e na pokazanym diagramie fazowym. Objaśnij każde jej załamanie, przystanek temperaturowy oraz istniejące lub współistniejące fazy i ich rodzaj. 2½ pkt możliwe do uzyskania; nie ma punktów ujemnych.

6 Egz_1A_34.DOC 18. Wyprowadź zależność objętości molowej roztworu dwóch cieczy mieszających się ze sobą w dowolnym stosunku od cząstkowych molowych objętości i ułamków molowych obu składników. 2 pkt możliwe do uzyskania; nie ma punktów ujemnych. 19. Rozpuszczalność kwasu malonowego, CH 3 (COOH) 2, w wodzie zależy od temperatury w sposób pokazany na rysunku. W jakiej temperaturze tę substancję stałą należy traktować jako rozpuszczalnik przy stężeniu 25 moli/kg H 2 O.... Ile gramów kwasu wydzieli się z roztworu nasyconego zawierającego 30 moli/kg H 2 O, jeżeli zawiera on 200 g wody i ostudzimy go do 20 o C?... Temperaturę można podać z dokładnością do 5 o C, masę kwasu do 10 g. 2 pkt do uzyskania; nie ma punktów ujemnych. 20. W sztywnym, izolowanym cieplnie od otoczenia zbiorniku znajduje się ruchoma przegroda dzielącą go na 2 równe objętości. Po jednej stronie przegrody znajduje się gaz A, po drugiej B oba w tych samych warunkach ciśnienia i temperatury (niewysokie). Przegrodę usunięto i pozwolono na zmieszanie się obu gazów. Zaznacz, które stwierdzenia są fałszywe, a które prawdziwe. a) Gaz A to argon, a gaz B też argon. Po otwarciu przegrody entropia zmalała... b) Gaz A to neon, a gaz B to krypton. Po otwarciu przegrody ciśnienie cząstkowe neonu nie zmieniło się... c) Gaz A to wodór, a gaz B to deuter. Po otwarciu przegrody entropia wzrosła... d) Gaz A to wodór, a gaz B to tlen. Po otwarciu przegrody temperatura wzrosła W temperaturze 676,5K G 0 reakcji A + B = 2C wynosi 5 kj/mol. Zmieszano po 1 molu substancji A, B i C. Udowodnij, że reakcja ta pobiegnie w lewo w tej temperaturze. 1 pkt możliwy do uzyskania; nie ma punktów ujemnych.

7 Egz_1A_34.DOC 22. Zaznacz, które stwierdzenia są fałszywe, a które prawdziwe. a) Gdy aktywność składnika i w mieszanie, a i 1, to µ i +... b) aktywność metanolu w 0,01M roztworze wodnym jest większa niż w 0,01M roztworze w benzenie... c) przy T=const, utworzeniu 1 mola roztworu doskonałego z 0,4 mola A i 0,6 mola towarzyszy G 0 <0... d) potencjał chemiczny składnika zależy od jego stężenia w roztworze tylko w przypadku roztworów doskonałych moli cieczy A i 4 mole cieczy B utworzyły po zmieszaniu roztwór doskonały. Ile wynoszą współczynniki aktywności każdego ze składników w tym roztworze? Ile wynoszą aktywności każdego ze składników w tym roztworze? 2 pkt możliwe do uzyskania; nie ma punktów ujemnych. 24. Do oznaczania masy molowej substancji rozpuszczonej X najlepiej jako rozpuszczalnik (X rozpuszcza się w każdym z nich) nadaje się (zaznacz poprawną odpowiedź): a) kwas octowy (K e =3,57 K mol 1 kg); b) p dichlorobenzen (K e =7,11 K mol 1 kg); c) woda (K e =1,86 K mol 1 kg); d) benzen (K e =5,07 K mol 1 kg); e) wszystko jedno, bo X i tak rozpuszcza się w każdym z nich; f) to zależy od rozpuszczalności X. 1 pkt możliwy do uzyskania za dobrą odpowiedź, 1 pkt za złą, za brak odpowiedzi 0 pkt. 25. Zaznacz, które stwierdzenia są fałszywe, a które prawdziwe. a) Możliwa jest produkcja substancji powstających w reakcji, której G 0 >0... b) W temperaturze 75 o C pod ciśnieniem normalnym entalpia swobodna pary wodnej jest wyższa od entalpii swobodnej wody ciekłej... c) Do 3 ewakuowanych kolb wprowadzono 0,01 M roztwór wodny A sacharozy, B KCl, C BaCl 2, po czym je zamknięto i umieszczono w jednym termostacie. Największa prężność pary wodnej była w kolbie A... d) W stanie równowagi (P,T=const) różnica G 0 produktów i substratów reakcji jest zawsze równa zeru Dla każdego z punktów (k, l, m, n) na trójkącie Gibbsa przedstawiającym układ trójskładnikowy określ skład fazy (z dokładnością do ±2% molowych) i nazwij ją (dla punktu m są dwie fazy, skład każdej z nich zaznacz na trójkącie). k) faza:... skład: A...%, B...%, C...%; l) faza:... skład: A...%, B...%, C...%; m) faza 1:... skład: A...%, B...%, C...% faza 2:... skład: A...%, B...%, C...% n) faza:... skład: A...%, B...%, C...% 2½ pkt możliwe do uzyskania; nie ma punktów ujemnych. 27. Co to są fazy metastabilne? Dlaczego istnieją? Podaj przykłady takich faz, z którymi możemy się zetknąć na co dzień w praktyce laboratoryjnej (i nie tylko)? 2 pkt możliwe do uzyskania; nie ma punktów ujemnych.

8 28. Zinterpretuj diagram fazowy pokazany na rysunku (wpisz objaśnienia nad strzałkami): 3 pkt możliwe do uzyskania; nie ma punktów ujemnych. Egz_1A_34.DOC 29. Wyjaśnij dlaczego podczas adiabatycznego rozprężania gazu w zbiorniku jego temperatura zawsze maleje, zaś podczas adiabatycznego rozprężania w procesie przetłaczania gazu przez dławik (przegrodę porowatą) może prowadzić do ogrzania gazu. (Jaka jest różnica pomiędzy prostym adiabatycznym rozprężaniem, a rozprężaniem adiabatycznym w doświadczeniu Joule a-thomsona?) (1 pkt)... Kiedy współczynnik Joule a-thomsona (dt/dp) H jest większy, kiedy mniejszy, kiedy równy zeru? (½pkt)... Ile wynosi on dla gazu doskonałego?... (½pkt) Łącznie 2 pkt do uzyskania; nie ma punktów ujemnych. 30. W temperaturze T, P 0 A=2, Pa, P 0 B=2, Pa, k HxA =0, Pa, k HxB =1, Pa. Na przedstawionym układzie współrzędnych nanieś i opisz: a) punkty reprezentujące P 0 A, P 0 B, k HxA i k HxB ; b) linie prężności cząstkowej A i B, gdyby spełniały prawo Raoulta w całym zakresie stężeń; [ ] c) linie prężności cząstkowej A i B, w zakresie spełniania prawa Henry ego (do X składnika <0,2); [ ] d) przybliżony rzeczywisty przebieg prężności cząstkowej A i B. [ ] 2 pkt możliwe do uzyskania; nie ma punktów ujemnych.