lista opisowych pytań egzaminacyjnych

Biotechnologia - chemia fizyczna – termodynamika - egzamin 2014/15
1
EGZAMIN pisemny z TERMODYNAMIKI - BIOTECHNOLOGIA
Pytania na egzaminie będą występowały w dwóch formach, jako pytania opisowe oraz zadaniowe tj.
wymagające pewnych przekształceń matematycznych, wyprowadzeń itp. (ale tylko na liczbach ogólnych).
Przedstawiony poniżej zbiór pytań opisowych jest pełny, tzn. na egzaminie będą tylko problemy wypisane
poniżej. Wiele pytań sprowadza się do zilustrowania pewnych zależności na konkretnym przykładzie. Na
egzaminie przykład ten (np. reakcja chemiczna) będzie narzucony i oczywiście inny niż w prezentowanym
zestawieniu. W związku z tym fragmenty pytań oznaczone gwiazdką [*] na pewno będą inne. Przykładowe
pytania zadaniowe przedstawione są oddzielnie i są dostępne w internecie. Stosunek punktowy pytań opisowych
do zadaniowych będzie wynosił w przybliżeniu jak 2:1.
Wśród pytań znajduje się kilka prostych wyprowadzeń i obliczeń (na liczbach ogólnych). Traktowane są one
jako zwykłe pytania opisowe. Przykładowe zadania zadaniowe z rozwiązaniami dostępne są również w
Internecie.
Formułuję gorący apel o czytelne, jednoznaczne i zwięzłe (najlepiej w punktach) odpowiedzi na pytania
opisowe. Termodynamika nie jest poezją (choć ma wiele z nią wspólnego) i wszelkie niejednoznaczności będą
interpretowane na niekorzyść odpowiadającego (odpowiadającej).
Zwracam uwagę na pytania napisane drukiem pogrubionym. Są to tak zwane NIEZAPOMINAJKI.
Prawidłowa odpowiedź na wszystkie z nich wydaje się być warunkiem koniecznym (chociaż nie dostatecznym)
zdania egzaminu z chemii fizycznej.
(T. Hofman, 4.10.1998; 1.10.2000; 20.02.2004; 16.02.2005, 26.01.2007, 31.01.2008, 14.02.2009, 15.02.2010,
20.02.2100, 19.02.2012, 16.02.2013, 5.04.2014, 19.02.2015)
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
10.
11.
12.
13.
14.
15.
16.
17.
18.
Podać definicje: funkcji stanu, różniczki zupełnej, parametrów intensywnych i ekstensywnych (przykłady
parametrów).
Definicje procesów: adiabatycznego, diatermicznego, kwazystatycznego (przykłady).
Definicja i sposób pomiaru temperatury termometrem gazowym (temperatura empiryczna); temperatura
termodynamiczna i jej związek z temperaturą empiryczną.
I Zasada Termodynamiki; definicja entalpii; I Zasada wyrażona poprzez entalpię.
Prawo Hessa.
Definicja standardowej entalpii reakcji.
Zdefiniować stan standardowy dla substancji (gazowej, ciekłej, stałej, składnika w roztworze).
Jakie dane są potrzebne aby oszacować efekt cieplny określonej reakcji w dowolnej temperaturze.
Podać definicję standardowej entalpii tworzenia (spalania) acetonu [*] (CH3COCH3(c)) w temperaturze T;.
Obliczyć standardową entalpię reakcji:
CH3OH(g) + CO(g) → CH3COOH(g) [*]
z wykorzystując standardowe entalpie tworzenia (spalania).
Prawo Kirchhoffa dla: a) braku przemian fazowych; b) występowania przemian fazowych.
Podać definicje średniej termochemicznej energii wiązania; napisać wyrażenie na standardową entalpię
reakcji
CH3OH(g) + CO(g) → CH3COOH(c) [*]
w temperaturze T z wykorzystaniem średnich termochemicznych energii wiązań.
Źródła błędów w metodzie średnich termochemicznych energii wiązań.
Statystyczna definicja entropii i Zasada Wzrostu Entropii.
Sformułowanie fenomenologiczne II Zasady Termodynamiki.
Definicja entalpii swobodnej i pozostałych potencjałów termodynamicznych. Jak zmieniają się one, a
entalpia swobodna w szczególności, dla procesów spontanicznych zachodzących w przyrodzie.
III Zasada Termodynamiki; entropia resztkowa.
Zdefiniować współczynniki rozszerzalności, ściśliwości i prężności oraz wyprowadzić związek pomiędzy
nimi.
Naszkicować typowy przebieg współczynnika kompresji (ściśliwości) gazu od ciśnienia.
Biotechnologia - chemia fizyczna – termodynamika - egzamin 2014/15
2
19. Równanie wirialne obcięte do drugiego współczynnika i zależność od temperatury i ciśnienia drugiego
współczynnika wirialnego.
20. Podać równanie stanu van der Waalsa dla jednego mola gazu; naszkicować kilka izoterm (na wykresie p =
p(V)) w taki sposób, aby zilustrować obszar równowagi ciecz-para oraz istnienie punktu krytycznego.
Podać warunek matematyczny spełniony przez współrzędne punktu krytycznego oraz sposób
przeprowadzenia izotermy w obszarze dwufazowym.
21. Opisać proces Joule'a-Thomsona i zdefiniować współczynnik Joule'a-Thomsona. Narysować typowy
przebieg krzywej inwersji i podać definicję temperatury inwersji.
22. Definicja potencjału chemicznego; związek pomiędzy potencjałem chemicznym czystego składnika a
entalpią swobodną.
23. Sformułować ogólne warunki równowagi w układzie wieloskładnikowym i wielofazowym oraz
napisać je dla podanego układu w stanie równowagi: np.: cykloheksan(s) roztwór ciekły (heksan +
cykloheksan) heksan(g) + cykloheksan(g) [*].
Pionowe kreski oznaczają granice międzyfazowe.
24. Warunek stabilności termicznej i mechanicznej.
25. Co to jest lotność i współczynnik lotności; obliczyć obie wielkości dla gazu czystego i składnika w
mieszaninie dla a) gazu doskonałego; b) gazu opisywanego równaniem stanu V=F(T,p,n).
26. Wyprowadzić regułę faz Gibbsa. Obliczyć liczbę stopni swobody dla podanego układu w stanie
równowagi, np: cykloheksan(s) roztwór ciekły (heksan + cykloheksan) heksan(g) + cykloheksan(g) [*] oraz
określić maksymalną liczbę faz, które mogłyby ze sobą współistnieć przy zachowaniu tych samych
składników.
Pionowe kreski oznaczają granice międzyfazowe.
27. Wyprowadzić równanie Clapeyrona wiążące ciśnienie z temperaturą równowagową dla przemiany fazowej
substancji czystej.
28. Podać założenia i wyprowadzić uproszczone równanie Clapeyrona w formie scałkowanej, opisujące
związek pomiędzy p i T dla: a) równowagi ciecz-para (proces parowania); b) równowagi ciało stałe-ciecz
(proces topnienia).
29. Źródła błędów przy zastosowaniu równania Clausiusa-Clapeyrona do opisu krzywej parowania.
30. W jaki sposób można wyznaczyć krzywą sublimacji na podstawie znajomości krzywej parowania i
parametrów opisujących proces topnienia (entalpia, normalna temperatura topnienia).
31. Naszkicować najprostsze (tzn. 3 fazy – stała, ciekła i gazowa) diagramy fazowe substancji czystej we
współrzędnych (p,T) i (p,V); zaznaczyć obszary występowania poszczególnych faz, punkt potrójny i
krytyczny.
32. W jaki sposób (za pomocą jakiego równania) wyraża się potencjał chemiczny składników w mieszaninie:
a) gazów doskonałych; b) gazów rzeczywistych; c) ciekłych nieelektrolitów.
33. Zdefiniować pojęcie roztworu doskonałego, aktywności i współczynników aktywności; podać
przykłady rzeczywistych roztworów dwuskładnikowych, których właściwości są bardzo bliskie i
bardzo odległe od właściwości roztworu doskonałego.
34. Napisać i naszkicować równanie izotermy p = p(x1,T = const) i p = p(y1,T = const) oraz izobary T =
T(x1,p = const) i T = T(y1,p = const) równowagi ciecz-para w układzie dwuskładnikowym. Rozpatrzyć
następujące przypadki:
a) faza gazowa jest doskonała oraz pomija się wpływ ciśnienia na potencjał chemiczny czystych cieczy;
b) układ spełnia prawo Raoulta (podać założenia).
Zależności te można podać w formie uwikłanej.
35. Rozważamy dwuskładnikową ciekłą mieszaninę o określonym składzie pod umiarkowanymi ciśnieniami.
W oparciu o właściwości WYŁĄCZNIE czystych składników oszacować jej następujące właściwości: a)
prężność pary nasyconej i skład fazy gazowej (dla określonej temperatury); b) temperaturę wrzenia i skład
fazy gazowej (dla określonego ciśnienia); c) rozpuszczalność czystych kryształów A w ciekłym B.
Jakie dane są do tego potrzebne i przy spełnieniu jakich założeń jest to możliwe.
Biotechnologia - chemia fizyczna – termodynamika - egzamin 2014/15
3
36. Narysować dowolną, pełną (tj. w funkcji x1 i y1) izotermę i odpowiadającą jej izobarę równowagi cieczpara dla dwuskładnikowego układu azeotropowego: a) bez luki mieszalności; b) wykazującego lukę
mieszalności w fazie ciekłej.
Podać termodynamiczny warunek istnienia azeotropu.
37. Na podstawie dowolnej izobary równowagi ciecz-para, opisać proces ogrzewania ciekłej mieszaniny
dwuskładnikowej o określonym składzie, aż do całkowitego jej odparowania.
38. Podać związki termodynamiczne, które muszą być spełnione dla równowagi ciecz-ciecz w układzie
dwuskładnikowym. Czy równowaga taka może mieć miejsce dla: a) roztworu doskonałego; b) roztworu o
dodatnich odchyleniach od doskonałości; c) roztworu o ujemnych odchyleniach od doskonałości.
39. Narysować diagram rozpuszczalności (równowagi ciecz-ciało stałe) T = T(x1,p = const) dla
dwuskładnikowego układu tworzącego roztwór doskonały w fazie ciekłej oraz wykazującego
całkowity brak mieszalności w fazie stałej. Oznaczyć fazy występujące w poszczególnych polach,
podać równania krzywych oraz sposób znalezienia współrzędnych punktu eutektycznego.
40. Narysować określoną liczbę [*] diagramów rozpuszczalności T = T(x1,p = const), w których będzie
występować: a) związek międzycząsteczkowy topiący się kongruentnie; b) związek międzycząsteczkowy
topiący się inkongruentnie; c) punkt eutektyczny; d) punkt perytektyczny; e) roztwór stały.
Opisać fazy współistniejące w poszczególnych polach diagramu, zaznaczyć punkty charakterystyczne (tj.
punkt eutektyczny i perytektyczny) oraz naszkicować dwie krzywe chłodzenia dla dwóch dowolnych
składów dowolnych diagramów.
41. Opisać szczegółowo proces chłodzenia ciekłej próbki dwuskładnikowej dla układu eutektycznego. W
szczególności zaznaczyć fakt pojawiania się lub znikania jakiejś fazy oraz określić stężenia
współistniejących faz. Opis musi być zilustrowany diagramem rozpuszczalności oraz odpowiednią krzywą
chłodzenia.
42. Jak temperatura wpływa na rozpuszczalność czystego ciała stałego w roztworze ciekłym.
43. Wyjaśnić następujące pojęcia: a) eutektyk; b) perytektyk; c) związek topiący się kongruentnie; d) związek
topiący się inkongruentnie.
44. Na podstawie trzech diagramów fazowych równowagi ciecz - ciało stałe [T = f(x, p = const)] w układach
dwuskładnikowych (A+B, A+C i B+C), o sprecyzowanych cechach, wykreślić możliwy diagram fazowy w
układzie trójskładnikowym (A+B+C) [F(x1,x2, p = const, T = const)] dla podanej temperatury.
45. Narysować dowolny diagram fazowy w układzie trójskładnikowym (p,T = const) składającym się z wody
oraz dwóch soli o wspólnym jonie (A,B) tworzących następujące związki międzycząsteczkowe w fazie
stałej: A·2H2O i B·H2O [*], które występują w równowadze z fazą ciekłą. Opisać pola oraz zaznaczyć
miejsce geometryczne punktów obrazujących zmianę składu podczas odparowywania wody z dowolnego
wyjściowego roztworu nienasyconego.
46. Opisać równowagę osmotyczną, zdefiniować ciśnienie osmotyczne oraz wyprowadzić równanie na
ciśnienie osmotyczne w roztworach bardzo rozcieńczonych.
47. Wymienić i zdefiniować ograniczenia limitujące możliwy przebieg reakcji chemicznej.
48. Zdefiniować zmienną reakcji. Dla przykładowej reakcji chemicznej [*], w której początkowa liczba moli
reagentów wynosi kolejno (1,2,3,1) [*], obliczyć przedział określoności tej zmiennej (min,max).
49. Napisać szczegółowy warunek, uwzględniający właściwości odnoszące się do konkretnych
reagentówa, który musi być spełniony dla przykładowej reakcji [*], aby: osiągnąć stan równowagi; b)
reakcja biegła w prawo; c) reakcja cofnęła się.
Narysować możliwy wykres zależności entalpii swobodnej układu i entalpii swobodnej reakcji od
współrzędnej reakcji. Można założyć doskonałość fazy gazowej.
a
Tzn. przedstawić aktywności w ilorazie reakcji w formie właściwej dla określonego reagenta.
50. Jakie dane charakteryzujące czyste substancje są niezbędne, aby można było obliczyć skład
mieszaniny reagentów w stanie równowagi chemicznej? Przedstaw algorytm postępowania (w
punktach, precyzując problemy matematyczne, które muszą być rozwiązane, ale nie rozwiązując ich
szczegółowo) począwszy od znalezienia w tablicach pewnych (jakich?) wielkości dla podanej reakcji
przebiegającej w fazie gazowej, np.:
CO(g) + Cl2(g) = COCl2(g) [*]
Biotechnologia - chemia fizyczna – termodynamika - egzamin 2014/15
4
51. Określić jakościowo jak zmiana: a) temperatury; b) ciśnienia; c) gazu obojętnego; wpływa na
położenie stanu równowagi chemicznej podanej reakcji:
C2H4(g) + H2(g) = C2H6(g) [*]
mając podane wartości standardowej entalpii tworzenia reagentów.
52. Zdefiniować ciśnienie rozkładowe dla przykładowej reakcji [*]
MgCO3(s) = MgO(s) + CO2(g)
Podać skład układu w zależności od wartości ciśnienia cząstkowego CO 2 [*].
53. Przedstawić algorytm (w punktach, precyzując problemy matematyczne, które muszą być rozwiązane, ale
nie rozwiązując ich szczegółowo) określenia położenia stanu równowagi (i stężeń równowagowych) dla
układu, w którym zachodzą równocześnie poniższe (dwie) reakcje [*].
N2(g) + 2O2(g) = 2NO2(g)
N2(g) + O2(g) = 2NO(g)