Вычисление термодинамических функций индивидуального вещества H2, расчет константы равновесия реакци...

Zn + 2HCl = ZnCl2 + H2

взаимодействие алюминия (или цинка) с водными растворами щелочей:

2Al + 2NaOH + 6H2O = 2Na[Al(OH)4] + 3H2

В промышленности: электролиз воды и водных растворов щелочей и солей:

2H2O = 2H2+ O2

2NaCl + 2H2O = H2+ Cl+ 2NaOH

пропускание паров воды над раскалённым углём при 1000 0C:

C + H2O = CO + H2

конверсия метана при 900 0C:

CH4 + H2O = CO + 3H2   [6]

Применение. Широкое применение водород нашел в химической промышленности — при синтезе аммиака, изготовления соляной и метиловой кислот, получения метилового спирта. В пищевой промышленности его используют для превращения жидких жиров в твердые (их гидрогенизации). Учитывая «невесомость» водорода, им заполняли и заполняют оболочки летательных аппаратов легче воздуха. Сначала это были воздушные шары, позднее — аэростаты и дирижабли, сегодня (вместе с гелием) — метеорологические зонды. Высокая температура горения, а в сочетании с электрической дугой она достигает 4000 0С, обеспечивает расплав даже самых тугоплавких металлов. Поэтому кислородно-водородные горелки используют для сварки и резки металлов. В цветной металлургии восстановлением водородом получают особо чистые металлы из оксидов. В космической технике отечественная ракета-носитель «Энергия» с успехом использует водород в качестве топлива. Водород используют при синтезе хлороводорода HCl, метанола СН3ОН, при гидрокрекинге (крекинге в атмосфере водорода) природных углеводородов, как восстановитель при получении некоторых металлов. Гидрированием природных растительных масел получают твердый жир — маргарин. Жидкий водород находит применение как ракетное топливо, а также как хладагент.

Одно время высказывалось предположение, что в недалеком будущем основным источником получения энергии станет реакция горения водорода, и водородная энергетика вытеснит традиционные источники получения энергии (уголь, нефть и др.). При этом предполагалось, что для получения водорода в больших масштабах можно будет использовать электролиз воды. Электролиз воды — довольно энергоемкий процесс, и в настоящее время получать водород электролизом в промышленных масштабах невыгодно. Но ожидалось, что электролиз будет основан на использовании среднетемпературной (500-600°C) теплоты, которая в больших количествах возникает при работе атомных электростанций. Эта теплота имеет ограниченное применение, и возможности получения с ее помощью водорода позволили бы решить как проблему экологии (при сгорании водорода на воздухе количество образующихся экологически вредных веществ минимально), так и проблему утилизации среднетемпературной теплоты. Однако после Чернобыльской катастрофы развитие атомной энергетики повсеместно свертывается, так что указанный источник энергии становится недоступным. Поэтому перспективы широкого использования водорода как источника энергии пока сдвигаются, по меньшей мере, до середины 21-го века.

Особенности обращения: водород не ядовит, но при обращении с ним нужно постоянно учитывать его высокую пожаро- и взрывоопасность, причем взрывоопасность водорода повышена из-за высокой способности газа к диффузии даже через некоторые твердые материалы. Перед началом любых операций по нагреванию в атмосфере водорода следует убедиться в его чистоте (при поджигании водорода в перевернутой вверх дном пробирке звук должен быть глухой, а не лающий). [6]

1.3    Расчёт константы равновесия реакции 2MgOконд+Сграф↔ 2Mgконд+СО2 в интервале температур 1400 - 2400K, двумя способами, с помощью энтропии и приведенной энергии Гиббса.

Используя справочные данные по температурной зависимости изменения энтальпии реагентов, их энтропии, приведённой энергии Гиббса рассчитываем логарифм константы равновесия lnKp реакции 2MgOконд+Сграф↔ 2Mgконд+СО2, в интервале температур 1400 - 2400K [1].

Расчёт производится двумя способами.

1)                С использованием абсолютных значений энтропии:

                   (5)

где ni – соответствующие стехиометрические коэффициенты, S°i(T) – стандартная абсолютная энтропия индивидуального вещества при данной температуре, H0i(T) – H0i(0) – высокотемпературные составляющие энтальпии индивидуального вещества, ∆fH0(0) – стандартная энтальпия образования индивидуального вещества при Т = 0 К [2].

Расчет при температуре 2000 К:

Σ ni Sio (T) = 2*S0Mg(2000)+ S0CO2(2000)- 2*S0MgO конд(2000)- S0C граф(2000)= 2*99,802+309,193-2*119,027-40,892=229,851  Дж/мольК

Σ ni [Hi0(T)- Hi0(0)+∆f Hi0(0)]=2*[HMg0(2000)- HMg0(0)+ ∆f HMg0(0)]+ [HCO20(2000)- HCO20(0)+ ∆f HCO20(0)]- 2*[HMgO0(2000)- HMgO0(0)+ ∆f HMgO0(0)]- [HC0(2000)- HC0(0)+ ∆f HC0(0)]= 2*68,200+100,825-393,142-2*(91,426-597,319)-36,703=819,166 кДж/моль

lnKp==27.65-49.29=-21.63  

2) С помощью приведенной энергии Гиббса:

, где                            (6)

 - приведенная энергия Гиббса;  - стандартная теплота образования индивидуального вещества при Т=0 К.

Σ ni Фi0 (T)= 2*ФMg0(2000)+ ФCO20(2000)- 2*ФMgO0(2000)- ФC0(2000)= 2*65.703+258.781-2*73.314-22.540=221.019 Дж/мольК

Σ ni∆f Hi0(0)= 2*∆f HMg0(0)+ ∆f HCO20(0)- 2*∆f HMgO0(0)- ∆f HC0(0)=

0-393.142+2*597.319-0=801,496 кДж/моль

lnKp==26.6-48.3=-21.63  

Аналогично рассчитывается константа равновесия химической реакции и для всех остальных температур из интервала 1400 -2400K; все необходимые данные находятся в таблицах приложений. Полученные результаты для всего интервала температур приведены в таблице 3.

Таблица 3.

Расчет ln Kp двумя способами в интервале температур 1400-2400K

Используя полученный график (рисунок 4) и формулу:

                                                                         (7)

рассчитаем среднее значение теплового эффекта реакции:

Вывод: Данная реакция является эндотермической, так как с ростом температуры увеличивается константа равновесия и равновесие смещается в сторону прямой реакции.

Вывод основан на принципе Ле – Шателье, который гласит: если на систему, находящуюся в равновесии, воздействовать извне и тем изменить условия, определяющие положение равновесия, то в системе усиливается то из направлений процесса, течение которого ослабляет влияние этого воздействия, в результате чего положение равновесия сместится в этом же направлении. [4]

2.ПОСТРОЕНИЕ И ИССЛЕДОВАНИЕ ДИАГРАММЫ СОСТОЯНИЯ ДВУХКОМПОНЕНТНОЙ СИСТЕМЫ La—Sb

2.1 Построение и исследование диаграммы состояния La—Sb в атомных и массовых долях.

2.1.1 Данная диаграмма, изображённая на рисунке 5, является двухкомпонентной системой с полной растворимостью в жидком состоянии, с отсутствием растворимости в твердом состоянии, с образованием одного устойчивого химического соединения конгруэнтного плавления и образованием трех неустойчивых химических соединении инконгруэнтного плавления, с вырожденной эвтектикой.

Фазовый состав:

I        (L): жидкий расплав;

II       (L + SLa): жидкий расплав + кристаллы твердого р-ра на основе компонента La;

III      (L + SLa2Sb): жидкий расплав + кристаллы твердого р-ра на основе компонента La2Sb;

IV      (SLa + SLa2Sb): кристаллы твердого р-ра на основе компонента La + неустойчивое химическое соединение La2Sb ;

V       (L+SLa3Sb2): жидкий расплав + устойчивое химическое соединение La3Sb2;

VI      (L+SLa2Sb3): жидкий расплав + устойчивое химическое соединение La3Sb2;

VII  (SLa2Sb + SLa3Sb2): неустойчивое химическое соединение LaSb3+ устойчивое химическое соединение La2Sb3;

VIII (SLa3Sb2 + SLaSb): неустойчивое химическое соединение LaSb+ устойчивое химическое соединение La3Sb2;

IX  (L+ SLaSb): жидкий расплав + неустойчивое химическое соединение LaSb;

X   (SLaSb + SLaSb2): неустойчивое химическое соединение LaSb+ неустойчивое химическое соединение LaSb2;

XI  (L+ SLaSb2): жидкий расплав + неустойчивое химическое соединение LaSb2;

XII (SLaSb2 + SSb): кристаллы твердого р-ра на основе компонента Sb + неустойчивое химическое соединение LaSb2.

Точкa эвтектики:

E1: LE1 ↔ SLa + SLa2Sb                      С=0 Ф=3

Переведём в массовые доли точки, соответствующие следующим атомным долям cурьмы: A=0,5 ат.д.; B=0,6 ат.д; C=0,74. Для этого воспользуемся следующеё формулой:

       Проведём пересчёт для каждой из точек:

       A:

       B:

       C:

2.1.2 На данной диаграмме имеется четыре химических соединения, которые условно обозначили следующим образом: LaxSby , LazSbw , LaaSbb , LacSbd . Индексы при химических элементах соответствуют количеству атомов. А количество атомов, в свою очередь, находится из отношения атомных долей этих элементов. Ниже приведены расчёты этих индексов:

    x:y=атомная доля(La):атомная доля(Sb).                                                     

           LaxSby

     x:y=0.33:0.67

     x:y=1:2

Отсюда следует, что химическая формула данного химического соединения LaSb2.

         Аналогично, находим индексы для химического соединения LazSbw:

     z:w=0.6:0.4

     z:w=3:2

  Следовательно, химическая формула данного соединения – La3Sb2.  

  Для химического соединение LaaSbb

   a:b=0.5:0.5

     a:b=1:1

  Данная формула выглядит следующим образом: LaSb

 Химическое соединение LacSbd

     c:d=0.33:0.67

     c:d=1:2

 Получили химическое соединение, в котором содержание меди и лантана находится в   равных пропорциях – LaSb2.

 Скомпонуем полученные результаты: La2Sb, La3Sb2, LaSb, LaSb2.

2.1.3 Температура начала кристаллизации расплава системы La—Sb,    содержащей 0,6 ат.д. Sb, равна »1475°С, температура конца кристаллизации равна 1110°С.

2.1.4 Первые выпавшие кристаллы из расплава, содержащего 0,6 ат. д. Sb находятся в виде неустойчивого химического соединения LaSb. Составу последней капли этого расплава соответствует точка перитектики Р3, содержащая 0,74 ат.д. Sb.

2.1.5 Воспользовавшись данными, полученными в пункте 2.1.1, определим по правилу рычага для системы La - Sb, содержащей 0,6 ат.д. Sb при температуре 12000C и при массе сплава 50г массы равновесных фаз:

 mS=mL    

     mS=mL          mS=29,2г                

    mS+mL =50г    mL =20,8г

2.1.6 Число степеней свободы находится по правилу фаз Гиббса: С=К-Ф+1, где С - степень свободы, которая характеризует число независимых параметров, которые можно свободно изменять; Ф - число фаз системы; К - число компонентов системы.

Отсюда следует, что система, у которой:

состав 40 ат. д. Sb, температура 16900С, имеет:         К=2, Ф=3, С=2-3+1=0;

состав 20 ат. д.Sb, температура 8000С, имеет:   К=2, Ф=2, С=2-2+1=1;

состав 80 ат. д. Sb, температура 14000C, имеет:         К=2, Ф=1, С=2-1+1=2.

2.1.7. При температуре, выше 14750C, состав системы La-Sb находится в виде расплава, Ф=1, С=2. При охлаждении до температуры 14750C расплав становится насыщенным неустойчивым химическим соединением LaSb, и начинается его кристаллизация. Система становится двухфазной, С=1. При дальнейшем охлаждении до температуры 11100C растет масса кристаллов химического соединения LaSb, состав расплава изменяется по кривой MP3, в нем увеличивается содержание сурьмы. Температуре 11100C соответствует точка перитектики P3, отвечающая составу его последних капель, здесь происходит перитектическое превращение:. Кристаллизация расплава заканчивается при температуре 11100C. При температуре ниже 11100C происходит охлаждение механической смеси твердых химических соединений LaSb и LaSb2, Ф=1, С=2.

Приложение А

Зависимость теплоемкости Н2 от температуры

Приложение Б

Значение термодинамических функций для Mg.

Приложение В

Значение термодинамических функций для MgO.  

Приложение Г

Значение термодинамических функций для CO2

Приложение Д

Значение термодинамических функций для C.

Список литературы.

1.           Термодинамические свойства индивидуальных веществ. Т.1-4 книга вторая. Таблицы термодинамических свойств: Справочное издание / Под ред. В.П. Глушкова. – М.: Наука 1979.

2.           Методические указания для выполнения курсовой работы по дисциплинам «Физическая химия» и «Химия». /ВГТУ; Сост. В.В. Корнеева, А.А Щетинин, Ю.П. Хухрянский, А.Н. Корнеева, 2002. 24 с.

3.           Реми Г.Курс неорганической химии. 11-е издание, выполненное кандидатом химических наук А.И.Григорьевым .Т.1-4-М.:Мир,1972.

4.           Коровин Н.В., Общая химия. – М.: Высшая школа, 2007.

5.           Интернет. Сайт http://him.1september.ru.

6.           Некрасов Б. Водород, Курс общей химии, 14 изд., М., 1962;

Страницы: 1, 2