Расчет термодинамических характеристик химической реакции

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

Высшего профессионального образования

«Волгоградский государственный технический университет»

 

 

Кафедра «Аналитическая, физическая химия и физико-химия полимеров»

 

 

Семестровая работа за III семестр

по физической химии

на тему: Расчет термодинамических характеристик химической реакции

Вариант 19

 

 

 

 

Выполнил:

студент гр. ХТ-342,

Фалько М.Ю.

Проверил: доцент

Духанин Г.П.

 

 

 

 

Волгоград 2015г 

Содержание

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

Термодинамика изучает законы превращения одних форм энергии в другие. В химической термодинамике изучается применение законов термодинамики к химическим и физико-химическим явлениям.

Термодинамика базируется на трех законах.

Первый закон термодинамики характеризует энергетическое состояние системы и базируется на основе закона сохранения и превращения энергии.

Второй закон термодинамики позволяет предсказать, при каких внешних условиях возможен процесс, и в каком направлении он будет протекать.

Третий закон термодинамики – закон об абсолютном значении энтропии. Данный закон позволяет вычислить константу равновесия химической реакции и максимально возможный выход продукта реакции.

При термодинамических и термохимических расчетах часто используют теплоемкости газообразных, твердых и жидких веществ. Теплоемкость- количество теплоты, необходимое для нагревания системы на 1 К. 

Процесс нагревания или охлаждения системы в большинстве случаев проводят при постоянном объеме или постоянном давлении. Сv , Cp- теплоемкости при постоянном объеме и давлении. Взаимосвязь между изобарной и изохорной теплоемкостями для идеального газа выражается соотношением: Сv - Cp =R=8,314 Дж/(моль*К)

Зависимость теплоемкости (обычно Cp) от температуры выражают в виде многочлена – температурного ряда. Для органических веществ: . Для неорганических веществ: , где a,b,c,c'-коэффициенты, определяемые эмпирически; приводятся в справочной литературе.

Реакции, при протекании которых теплота поглощается (∆U>0 и ∆H>0) называются эндотермическими, а реакции , протекающие с выделением теплоты (∆U<0 и ∆H<0) – экзотермическими.

Стандартный тепловой эффект реакции равен разности между суммой стандартных теплот образования продуктов реакции и суммой стандартных теплот образования исходных веществ с учетом их стехиометрических коэффициентов.

, где  и -стандартный тепловой эффект реакции и стандартная теплота образования вещества при Т,К (чаще при 298К ).

Зависимость теплового эффекта реакции от температуры выражается уравнение Кирхгофа. Данное уравнение в интегральной форме, используется для расчета теплового эффекта процесса при заданной температуре Т2, если известен тепловой эффект процесса при Т1 (298 К) :

, где  рассчитывают по уравнению вида

С точки зрения химической термодинамики все процессы можно разделить на самопроизвольные и несамопроизвольные. Самопроизвольные- протекают сами собой без вмешательства со стороны окружающей среды. Несамопроизвольные – процессы, которые для своего протекания требуют внешних воздействий и поступления энергии к данной системе от окружающей среды. При изменении условий проведения процесса меняется и его направление.

Для химической реакции изменение энтропии  ,рассчитывают по уравнению    , где и суммы абсолютных энтропий конечных и исходных соединений при температуре Т,К (298 К). Для расчета изменения энтропии химической реакции при заданной температуре Т2, если известно изменение энтропии процесса при Т1 (298 К) используется уравнение :

Уравнение Гиббса – Гельмгольца :

Энергия Гиббса широко используется в термодинамике, когда в качестве независимых переменных выбраны Р и Т. Параметры Р и Т, как V и Т, легко могут быть определены экспериментальным путем.

Если в рассматриваемом интервале температур вещества, участвующие в реакции, не испытывают фазовых превращений, расчет энтропийным методом значительно облегчают вспомогательные таблицы составленные Темкиным и Шварцманом. Если теплоемкость веществ, участвующих в реакции, выражена с помощью степенных температурных рядов, то

Химическая реакция протекает самопроизвольно до тех пор, пока не наступит химическое равновесие между реагирующими веществами. Химическое равновесие является динамическим равновесием, при котором скорости прямой и обратной реакции равны друг другу.

      

Стандартная константа равновесия является безразмерной величиной. Если составные части реакции смеси подчиняются законам идеального газа, то

 

Данное уравнение справедливо только для идеальных газообразных систем. Для расчета химического равновесия в реальных системах его можно использовать только при невысоких давлениях.

Цель данной работы – провести термодинамический анализ химического равновесия. Для этого воспользуемся законами термодинамики, с помощью которых мы сможем: установить энергетическое состояние системы и

рассчитать тепловой эффект, определить направление химического процесса, рассчитать константу равновесия и равновесный состав.

 

 

 

 

Задание:

 

Расчет термодинамических характеристик химической реакции.

При выполнении расчета принимается, что реакция  проходит в гомогенных условиях, а все ее участники находятся в газообразном состоянии. Смесь реагентов подчиняется законам идеального газа. Исходные вещества взяты в стехиометрических количествах. Необходимые для расчета термодинамические величины веществ, участвующих в реакции приведены в справочнике.

1. Вывести аналитическую зависимость изменения теплоемкости от температуры
2. Рассчитать изменение энтальпии (тепловой эффект реакции при p=const), энтропии, свободной энергии Гиббса при стандартных условиях ( )
3. Вывести  аналитические  зависимости
4. Рассчитать значения при выбранных температурах
5. Построить графики зависимостей и
6. Рассчитать константу равновесия при выбранной температуре.

На основании выполненных расчетов сделать следующие выводы:

1. Указать вид реакции (экзо- или эндотермическая);
2. Как влияет изменение температуры на тепловой эффект реакции;
3. Определить направленность процесса;
4. Как влияет изменение температуры на положение равновесия;

Все выводы пояснить с помощью изученных закономерностей.

 

 

 

 

Расчет термодинамических характеристик химической реакции.

1.Запишем химическую реакцию

4CO+2SO2=S2+4CO2

2.Запишем термодинамические  свойства участников реакции  в таблицу

Вещество	кДж/моль	Дж/моль∙К	Дж/моль∙К	кДж/моль					T, K
					a	b∙103	c∙106	c'∙10-5
конечные:
S2   4CO2	128,37   -1574,04	228,03   854,64	32,51   148,44	79,42   -1577,48	36,11   176,56	1,09   36,16	-   -	-3,51   -34,16	298-2000   298-2500
исходные:
4CO   2SO2	-442,12   593,8	790,2   496,14	116,56   79,74	-548,6   600,42	112,56   92,38	16,4   15,74	-   -	-1,84   15,4	298-2500   298-2000

 

3.Запишем  уравнение  Кирхгофа:                   

                    уравнение  для  :                        

                   уравнение  Гиббса – Гельмгольца :

4.Выведем аналитическую  зависимость изменения теплоемкости  от температуры 

5.Рассчитаем изменение  энтальпии, энтропии, свободной энергии  Гиббса при стандартных условиях:

 

6.Выведем аналитические  зависимости 

 

7.Рассчитаем  при выбранных температурах

                        

 

 

 

 

 

 

 

 

 

8. Построим графики зависимостей  и

T,K	, кДж	, кДж
298	1596,9	1511,58	286,29
400	1601,89	1491,7	275,48
600	1607,19	1445,67	269,21
800	1610,16	1395,91	267,81
1100	1612,77	-1318,38	267,62

График 1

График 2

9.Рассчитаем константу  равновесия при выбранной температуре 

Т=400К

Выпишем из справочника значения