Термодинамический анализ химических реакций

 

СОДЕРЖАНИЕ 

 

 

ВВЕДЕНИЕ

Данная курсовая работа была проделана  для проверки знаний полученных в  ходе лекционных и практических занятий по предмету физическая химия. Данная  работа нужна для исследования химической реакции CaO∙Al₂O₃+4H₂O_ж=(1/3)(3CaO∙Al₂O₃∙6H₂O)+(2/3)(Al₂O₃∙H₂O)+(1/3)H₂O_ж и определение по ней предлагаемых задач.

В ходе данной курсовой работы рассмотреть термодинамический анализ химической реакции.

Исследовать химическую реакцию по теоретическим данным и построить  графики зависимости.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. ВЫВОД АНАЛИТИЧЕСКИХ ЗАВИСИМОСТЕЙ ДЛЯ РЕАКЦИИ.

CaO∙Al₂O₃+4H₂O_ж=(1/3)(3CaO∙Al₂O₃∙6H₂O)+(2/3)(Al₂O₃∙H₂O)+(1/3)H₂O_ж

 

Составить уравнение зависимости  от температуры величины теплового  эффекта ∆Н⁰_T=f(T), изменения теплоемкости ∆С_р и изменения энтропии ∆S⁰_T.

Исходные данные для термодинамического исследования реакции:

CaO∙Al₂O₃+4H₂O_ж=(1/3)(3CaO∙Al₂O3∙6H₂O)+(2/3)(Al₂O₃∙H₂O)+(1/3)H₂O_ж

 

Таблица 1

№ п/п	Вещество	∆Н0298 кДж/моль	∆S0, Дж/моль∙К	Коэффициенты в уравнении а + вТ + с’Т-2, Дж/моль∙К
				а	b∙10-3	c’∙10-5
1	CaO∙Al2O3	-2319,06	114,11	150,52	41,72	-33,27
2	H2Oж	-285,57	69,87	33,15	70,85	11,10
3	3CaO∙Al2O3∙6H2O	-5505,06	372,02	257,82	584,78	-
4	Al2O3∙H2O	-1968,78	96,77	108,53	49,32	33,44∙ ∙10-6
5	H2Oж	-285,57	69,87	33,15	70,85	11,10
6	H2O(г)	241,59		29,97	10,70	0,33

 

1. Расчёт теплового эффекта реакции и теплоемкости

Зависимость теплового эффекта реакции от температуры определяется законом Кирхгоффа:

 

                                         (1)

  

 

где, ∆H⁰₂₉₈ – стандартный тепловой эффект реакции при 298 К;

∆C_p -  изменение теплоемкости системы в результате протекания реакции.

Последняя величина рассчитывается по уравнению:

 

∆С_p = ∑(n_iC_p,i)_кон - ∑(n_iC_p,i)_исх  (2)

 

               где С_р,i – мольная изобарная теплоемкость i-го вещества;

               n_i – стехиометрический коэффициент i-го вещества в уравнении реакции (1).

После подстановки зависимости С_р,i  в выражение (2), оно имеет вид:

 

∆С_{р =} ∆а+∆bT+∆c’T^-2                                                  (3)

                где ∆a=∑(n_ia_i)_кон - ∑(n_ia_i)_исх    (4)

∆b и ∆c’ рассчитываются аналогично.

∆a = ((1/3)∙257,82 + (2/3)∙108,53 + (1/3)∙33,15) – (150,52 + 4∙33,15) =

= -113,78 Дж/моль∙К

∆b = ((1/3)∙584,78∙10^-3 + (2/3)∙49,32∙10^-3 + (1/3)∙70,85∙10^-3) –

- (41,72∙10^-3+4∙70,85∙10^-3) = -73,69∙10^-3 Дж/моль∙К

∆с’ = ((1/3) ∙0 + (2/3)∙33,44∙10⁶ + (1/3)∙11,10∙10⁵) – (-33,27∙10⁵ + 4∙11,10∙10⁵) = =215,47∙10⁵ Дж/моль∙К

 

Значение ∆H⁰₂₉₈ определяется по стандартным теплотам образования  ∆Н⁰₂₉₈:

  (5)

Значения теплот образования  соответствующих веществ приведены в таблице 1.

После их подстановки в уравнение (5) имеем:

∆H⁰₂₉₈ = [(1/3)∙∆_fH⁰₂₉₈(3CaO∙Al₂O₃∙6H₂O) + (2/3)∙∆_fH⁰₂₉₈(Al₂O₃∙H₂O) +

+ (1/3) ∙∆_fH⁰₂₉₈(H₂O_ж)] – [∆_fH⁰₂₉₈(CaO∙Al₂O₃) + 4∙∆_fH⁰₂₉₈(H₂O_ж)] = 219884 Дж

Полученные результаты подставляем  в уравнение (1) и получаем зависимость:

2. Расчёт энтропии реакции

Изменение энтропии системы в результате протекания процесса определяется по уравнению:

∆S⁰_T = ∆S⁰₂₉₈ + ∆а∙lnT/298 + ∆b(T-298) – ∆с’/2 ∙ (1/T² – 1/(298)²)  (6)

В этом уравнении ∆S⁰₂₉₈ – стандартное изменение энтропии для реакции при 298 К, определяемое по мольным энтропиям веществ ∆S⁰_i,298:

                       (7)

Данные для нахождения берём  из табл.1.

∆S⁰₂₉₈ = [(1/3)∙S⁰₂₉₈(3CaO∙Al₂O₃∙6H₂O) + (2/3)∙S⁰₂₉₈(Al₂O₃∙H₂O) +

+ (1/3) ∙S⁰₂₉₈(H₂O_ж)] – [S⁰₂₉₈(CaO∙Al₂O₃) + 4∙S⁰₂₉₈(H₂O_ж)] =

= -181,78 Дж/моль∙К

Полученные результаты подставляем  в уравнение (6):

∆S⁰_T = -181,78 - 113,78∙lnT/298 - 73,69∙10^-3∙(T-298) – 215,47∙10⁵ /2 ∙ (1/T² – 1/(298)²)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2.  ВЫЧИСЛЕНИЕ ИЗМЕНЕНИЯ ЭНТАЛЬПИИ И ЭНТРОПИИ ПРИ СТАНДАРТНЫХ СОСТОЯНИЯХ И ТЕМПЕРАТУРЕ 298 К .

Для реакции:

 

CaO∙Al₂O₃+4H₂Oж=(1/3)(3CaO∙Al₂O₃∙6H₂O)+(2/3)(Al₂O₃∙H2O)+(1/3)H₂O_ж

 

Таблица 2

№ п/п	Вещество	∆Н0298 кДж/моль	∆S0, Дж/моль∙К
1	CaO∙Al2O3	-2319,06	114,11
2	H2Oж	-285,57	69,87
3	3CaO∙Al2O3∙6H2O	-5505,06	372,02
4	Al2O3∙H2O	-1968,78	96,77
5	H2Oж	-285,57	69,87

 

1. Рассчитаем энтальпию ∆_rH⁰₂₉₈:

∆_rH⁰₂₉₈ = [(1/3)∙∆_fH⁰₂₉₈(3CaO∙Al₂O₃∙6H₂O) + (2/3) ∙∆_fH⁰₂₉₈(Al₂O₃∙H₂O) + +(1/3)∙∆_fH⁰₂₉₈(H₂O_ж)] – [∆_fH⁰₂₉₈(CaO∙Al₂O₃) + 4∙∆_fH⁰₂₉₈(H₂O_ж)] =

= 219884 Дж – эндотермическая реакция

2. Рассчитаем изменение энтропии ∆S⁰₂₉₈:

∆S⁰₂₉₈ = [(1/3)∙S⁰₂₉₈(3CaO∙Al₂O₃∙6H₂O) + (2/3)∙S⁰₂₉₈(Al₂O₃∙H₂O) +

+ (1/3) ∙S⁰₂₉₈(H₂O_ж)] – [S⁰₂₉₈(CaO∙Al₂O₃) + 4∙S⁰₂₉₈(H₂O_ж)] =

= -181,78 Дж/моль∙К

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3. ВЫЧИСЛЕНИЕ ИЗМЕНЕНИЯ ЭНТАЛЬПИИ, ТЕПЛОЕМКОСТИ И ЭНТРОПИИ ПРИ ТЕМПЕРАТУРЕ 360 К.

1. Изменение теплоемкости рассчитывается по формуле (3):

∆С_{р =} ∆а+∆bT+∆c’T^-2

При 360 К теплоемкость:

∆С_р = 25,84 Дж/моль∙К

2. Изменение энтальпии при 360 К рассчитывается по формуле:

∆_rH⁰₃₆₀ = X + ∆a∙T + ∆b∙T^-2/2 - ∆c’/T

где X = ∆_rH⁰₂₉₈ – 298∙∆a - 298²∙∆b/2 + ∆c’/298

X = 329441,5 Дж/моль

∆_rH⁰₃₆₀ = 223782 Дж/моль

3. Изменение энтропии при 360 К рассчитывается по формуле:

∆_rS⁰₃₆₀ = Y + ∆a∙lnT + ∆b∙T - ∆c’/2T²

где Y = ∆_rS⁰₂₉₈ - ∆a∙ln298 - ∆b∙298 + ∆c’/2∙298

Y = 609,812 Дж/моль

∆_rS⁰₃₆₀ = -169,678 Дж/моль∙К

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4. ПОСТРОЕНИЕ ГРАФИКОВ ЗАВИСИМОСТИ С_р ИСХОДНЫХ ВЕЩЕСТВ ПРОДУКТОВ РЕАКЦИИ И ТЕПЛОВОГО ЭФФЕКТА ОТ ТЕМПЕРАТУРЫ В ИНТЕРВАЛЕ ТЕМПЕРАТУР (298 – 400) К.

Для построения графиков нам понадобится таблица с результатами расчётов заданного интервала:

 

Таблица 3

T	∆Cp Дж/моль∙К	∆H0298 Дж/моль	X Дж/моль	∆H0T Дж/моль	Cp(исх1) Дж/моль∙К	Ср(исх2) Дж/моль∙К	Ср(пр1) Дж/моль∙К	Ср(пр2) Дж/моль∙К	Ср(пр3) Дж/моль
280
298	106,9	219884	329441,5	219884	125,5	267,1	143,88	333,4	22,23
320	73			221850	131,4	266,58	148,15	300,51	22,2
340	47,45			223051	135,9	267,41	152,05	276,31	22,26
360	25,8			223782	139,9	268,92	155,96	256,13	22,42
373	13,45			224033	142,2	270,23	158,49	244,76	22,54
373	-32,2	44000	272629,7	415046	142,2	145,3	158,49	244,76	11,4
380	-31,7			414820	143,3	145,3	159,85	239,15	11,43
400	-30,28			414100	146,41	145,3	163,75	224,75	11,49

 

Рисунок 1 – Зависимость теплового эффекта от температуры

 

 Рисунок 2 - Зависимость  Cp(исх1), Cp(исх2) от температуры

 

 

Рисунок 3 - Зависимость Cp(пр1), Cp(пр2) от температуры

 

Рисунок 4 - Зависимость Cp(пр3) от температуры

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В данной курсовой работе вывели аналитические  зависимости теплового эффекта  ∆H⁰_T, теплоёмкости ∆C_p, энтропии ∆S⁰_T от температуры. Исследовали с помощью этих зависимостей химическую реакцию, и на основе полученных результатов построили графики.

 

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

 

1. Киреев, В.А. Краткий курс физической химии / В.А. Киреев. – М.: ГОСХИМИЗДАТ, 1959. – 599 с.

5. Курс физической химии. / Под ред. Я.И.Герасимова. - М.: Химия, 1973, тт. 1,2.
6. Краткий справочник физико-химических величин: справ. пособие / Под ред. А.А. Равделя и А.М. Пономаревой, - 8-е изд. – Л.: Химия, 1983. – 232 с., ил.
7. Баранов Н.М. Краткий справочник физико-химических величин: Учеб. пособие для вузов / Под ред. А.А. Равделя и А.М. Пономаревой. – 8-е, Изд. перераб. – Л.: Химия, 1993.- 232 с., ил.
8. Козлов, А.П. «Термодинамический анализ реакций образования и гидратации силикатов»: методическая разработка к домашнему заданию по курсу «Физическая химия» для студентов специальности 270106, 240304 / А.П. Козлов. – Сатка: филиал ЮУрГУ в г. Сатке, 2011. – 16 с.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

         

-  -