Гоу впо «магнитогорский государственный технический университет им. Г. И. Носова»


НазваниеГоу впо «магнитогорский государственный технический университет им. Г. И. Носова»
страница1/7
Дата публикации11.07.2013
Размер0.85 Mb.
ТипДокументы
vb2.userdocs.ru > Химия > Документы
  1   2   3   4   5   6   7
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное агентство по образованию

ГОУ ВПО «МАГНИТОГОРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМ. Г. И.НОСОВА»
КАФЕДРА ХИМИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИ НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ

И ФИЗИЧЕСКОЙ ХИМИИ


логотип


ФИЗИЧЕСКАЯ ХИМИЯ

Методические указания

к выполнению расчетно-графического задания 1

МАГНИТОГОРСК

2008

Введение

Расчеты химических равновесий являются важнейшим этапом рассмотрения любых металлургических процессов. Предлагаемое руководство позволяет на основе термодинамических характеристик простых веществ и соединений рассчитать изменения термодинамических функций , , и далее для различных химических превращений и определить состав равновесной системы при различных условиях протекания процесса. Необходимость подобных расчетов возникает на всем протяжении учебного процесса: в курсах физической химии, теории металлургических процессов, специальных курсах, а также в курсовых научно-исследовательских работах, курсовых и дипломных проектах.

Цель задания - освоение методики расчета термодинамических характеристик химической реакции с помощью таблиц стандартных термодинамических величин. При выполнении задания студент определяет по таблицам необходимые характеристики компонентов реакции и находит далее стандартные изменения энтальпии , энтропии , энергии Гиббса а затем константы равновесия Кр . Располагая этими величинами, можно определить направление реакции, ее тепловой эффект при заданной температуре, оценить выход продуктов реакции, рассчитать состав равновесной системы и изменение всех этих характеристик при изменении внешних параметров, подобрать оптимальные условия проведения процесса.

^ 1. ФОРМУЛИРОВКА ЗАДАНИЯ

Для реакции протекающей по схеме аА + bВ= сС + dD, где А, В, С, D - вещества - участники реакции (колонки 3, 4, 5, б в табл.1); a,b,c,d -стехиометрические коэффициенты (вариант и номер задания указаны в колонках 1 и 2 табл. 1):

1. Составить уравнение зависимости от температуры величины теплового эффекта = f(T) и изменения энтропии , = f(T).

2. Вычислить величины , , и 1пКр при нескольких температурах, значения которых задаются температурным интервалом и шагом температур (колонки 7 и 9 в табл.1). Полученные значения свести в таблицу и построить графики в координатах: ; - Т; -Т; lпКр-1/Т

3. Пользуясь графиком lпКр-1/Т, вывести приближенное уравнение вида lпКр = А/Т + В , где А, В - постоянные.

  1. Используя правило фаз Гиббса, для рассматриваемой системы определить количества фаз, независимых компонентов и число степеней свободы.

  2. Определить возможное направление протекания исследуемой реакции и равновесный состав газовой фазы при заданном давлении и температуре (колонки 14 и 15 в табл.1). При решении из задачи использовать выведенное в первой части эмпирическое уравнение lпКр = А/Т + В и данные об исходном составе газовой фазы (колонки 10,11,12,13 в табл. 1).

6. Установить направление смещения равновесия в рассматриваемой системе при:

а) увеличении давления(при постоянной температуре);

б) увеличении температуры (при постоянном давлении).

^ 2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ

В первой части необходимо составить уравнение зависимости от температуры величины теплового эффекта - Т и изменения энтропии - Т, a также вычислить величины, , и 1пКр при нескольких температурах.

3ависимость теплового эффекта реакции от температуры определяется законом Кирхгофа:

(1)

- стандартный тепловой эффект реакции при 298К;

ср - изменение теплоемкости системы в результате протекания реакции.

Значение определяется по закону Гесса:

. (2)

Изменение теплоемкости ∆ср рассчитывается по уравнению:

, (3)

где сpi – мольная изобарная теплоемкость i-го вещества;

ni – стехиометрический коэффициент i-го вещества в уравнении реакции.

Теплоемкость зависит от температуры по уравнению:

, (4)

где - эмпирические коэффициенты.

В результате реакции теплоемкость изменяется, а разность теплоемкостей определяется по уравнению:

, (5)

где ;



(6)

Коэффициенты а.b,с' приводятся в справочнике. Изменение энтропии системы в результате протекания процесса определяется по уравнению:

, (7)

где - стандартное изменение энтропии для реакции при 298К.

Его можно определить по мольным стандартным энтропиям веществ



Значения для соответствующих веществ приведены в справочнике.

При расчете изменения стандартной энергии Гиббса для реакции необходимо воспользоваться уравнением Гиббса- Гельмгольца:

. (9)

Константа равновесия связана с изменением стандартной энергии Гиббса соотношением:

, (10)

где R - универсальная газовая постоянная, равная R = 8,31 Дж/мольК;

Т - абсолютная температура.

Во второй части необходимо определить количество фаз, независимых компонентов и число степеней свободы по правилу фаз Гиббса, а также возможное направление протекания исследуемой реакции и равновесный состав газовой смеси; установить направление смещения состояния равновесия рассматриваемой системы.

Количество фаз определяют исходя из определения фазы - это однородная часть гетерогенной системы, с одинаковыми физическими и химическими свойствами, имеющая границы раздела, при переходе через которые свойства системы меняются скачком.

Например, реакция СО(Г) +С12(Г)= СОС1(2Г). Рассматриваемая система состоит из одной фазы (газообразной), которая представляет смесь газов СО(Г) , С12(Г) , СОС1(2Г) .

Или, например, реакция

FeS(TB) + 2HCl(Г) = FeCl2(TB) + H2S(Г).

Рассматриваемая система состоит из трех фаз: двух твердых фаз FeS(TB) и FeCl2(TB) , а также одной газообразной, которая представляет смесь газов 2HCl(Г) и H2S(Г).

Число независимых компонентов k равно наименьшему числу составных частей системы, необходимых для образования всех ее фаз при равновесии. Это число определяют как общее число веществ в системе т за вычетом числа связей между ними r,то есть:

к = т - r. (11)

Число степеней свободы с (вариантность системы) равно наибольшему числу термодинамических параметров (давления, температуры, концентрации компонентов), которые можно изменять в некоторых пределах так, чтобы число и природа фаз в равновесной системе оставались прежними.

Число степеней свободы определяют по правилу фаз Гиббса:

с=n+k (12)

где п - число внешних параметров, влияющих на состояние равновесия системы. Обычно это давление и температура, то есть n=2 .

Для определения возможного направления протекания реакции необходимо воспользоваться уравнением изотермы Вант-Гоффа:

G = RТ(lпПр-1пКр), (13)

где П - произведение фактических парциальных давлений газовых компонентов реакции;

Крконстанта равновесия реакции при данной температуре.

В соответствии со вторым законом термодинамики в изобарно-изотермических условиях возможно самопроизвольное протекание процессов, сопровождающихся уменьшением энергии Гиббса системы:

G<0. (14)

В применении к химической реакции это означает, что процесс самопроизвольно может идти слева направо при G < 0 и справа налево при G > 0 . Из уравнения (14) следует, что первое условие (G < 0 ) выполняется при Пр < Кр а второе( ∆G > 0)-при Пр > Кр .

Равновесный состав газовой смеси рассчитывается при заданной температуре по известной константе равновесия. Рассмотрим эту задачу на пример е реакции

4НС1(Г)+О2(Г)=2Н2О+2Cl2(Г)

Дано: общее давление Р= 0,1атм., исходные количества веществ равны(слева направо) 1,0; 5,0; 2,0; 0,1 молей, Кр = 0,0495.

Пусть при переходе в состояние равновесия прореагировало х молей компонента со стехиометрическим коэффициентом 1, в данном случае кислорода. Запишем под уравнением реакции исходные и равновесные числа молей компонентов:

4НС1(Г)+О2(Г)=2Н2О+2Cl2(Г)

nисх

1,0

5,0

2,0

0,1

nравн

1,0 -4х

5,0-х

2,0 + 2х

0,1 + 2х

Суммарное количество молей газообразных веществ равно

nΣ = 1,0 - 4х + 5,0 – х + 2,0 + 2х + 0,1 + 2х = 8,1 - х

Мольные доли каждого вещества в момент равно веси я равны:

; ; ;

Умножим каждую мольную долю на общее давление, выраженное в относительных единицах. При этом получим парциальные давления газообразных реагентов (конденсированные вещества при этом не учитываются).

; ; ;

Равновесный состав газовой смеси определяется из выражения константы равновесия рассчитываемой реакции:



, , - равновесные парциальные давления О2(Г), Н2О, Сl2(Г), НСl2(Г) соответственно, выраженные в относительных единицах.

Для нахождения относительного давления следует давление, выраженное в Паскалях, разделить на стандартное давление, равное 101325 Па.

Найдем общее давление, выраженное в относительных единицах:

(16)

Подставим , , в выражение(15).



Учитывая, что Р = 0,1 , можно записать

(17)

Это уравнение можно решить любым численным методом, например методом половинного деления. После нахождения корня х можно рассчитать числа молей каждого компонента в состоянии равновесия и мольные доли газообразных реагентов. Это и будет результатом расчета со става равно весной си темы.

Если константа равновесия очень велика или очень мала, то уравнение типа (17) можно легко решить методом последовательных приближений.

Предположим, что в уравнении (17) справа стоит очень большое число, например 1010. Это означает, что какой-то множитель в знаменателе очень мал. Очевидно, мал может быть только множитель (1 — 4х), так как ни одна из скобок не может быть отрицательной и (5-х) > (1-4х). Введем обозначение у = 1 -4х, причем y << 1 .Тогда и выражение(17) можно записать в виде:

, (18)

  1   2   3   4   5   6   7

Похожие:

Гоу впо «магнитогорский государственный технический университет им. Г. И. Носова» iconФгбоу впо «Магнитогорский государственный технический университет...
Фгбоу впо «Магнитогорский государственный технический университет им. Г. И. Носова»
Гоу впо «магнитогорский государственный технический университет им. Г. И. Носова» iconФгбоу впо «Магнитогорский государственный технический университет...
Фгбоу впо «Магнитогорский государственный технический университет им. Г. И. Носова»
Гоу впо «магнитогорский государственный технический университет им. Г. И. Носова» iconКоридоры власти – 2012 Команды
«Будущее России», фгбоу впо «Магнитогорский государственный технический университет им. Г. И. Носова»
Гоу впо «магнитогорский государственный технический университет им. Г. И. Носова» iconРасчетно-графическое задание №1 По дисциплине «Теплофизика» Раздел «Расчет горения топлива»
Фгбоу впо «Магнитогорский государственный технический университет им. Г. И. Носова»
Гоу впо «магнитогорский государственный технический университет им. Г. И. Носова» iconПрограмма проведения заключительного этапа 48 всероссийской олимпиады школьников по химии 2012 г
Фгбоу впо магнитогорский государственный технический университет им. Г. И. Носова
Гоу впо «магнитогорский государственный технический университет им. Г. И. Носова» iconКонкурс «Лабиринты асф» организуется и проводится деканатом и активом...
Конкурс «Лабиринты асф» организуется и проводится деканатом и активом архитектурно-строительного факультета фгбоу впо «Магнитогорский...
Гоу впо «магнитогорский государственный технический университет им. Г. И. Носова» icon“ Силовые условия деформации в различных технологических процессах...
Гбоу впо “Магнитогорский государственный технический университет им. Г. И. Носова”
Гоу впо «магнитогорский государственный технический университет им. Г. И. Носова» iconПоложение о фотоконкурсе «Красота вокруг нас» Общие положения
Фотоконкурс «Красота вокруг нас» организуется и проводится Центром по воспитательной работе фгбоу впо «Магнитогорский государственный...
Гоу впо «магнитогорский государственный технический университет им. Г. И. Носова» iconФгбоу впо «Магнитогорский государственный технический университет...
С целью развития научно-технического творчества молодежи в области архитектуры, строительства и дизайна, формирования творческих...
Гоу впо «магнитогорский государственный технический университет им. Г. И. Носова» iconГоу впо «самарский государственный университет» юридический факультет
Гражданское право. Часть третья : практикум для студентов специальности 021100 «Юриспруденция» / сост. С. В. Мартышкин, Ю. С. Поваров....
Вы можете разместить ссылку на наш сайт:
Школьные материалы


При копировании материала укажите ссылку © 2014
контакты
vb2.userdocs.ru
Главная страница