Химическое равновесие в гетерогенной реакции

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

Уральский федеральный университет

имени первого Президента России Б.Н. Ельцина

Курсовая работа

Химическое равновесие в гетерогенной реакции

Студент: Ашихмина М. А.

Преподаватель: Больщикова Т.П

Екатеринбург, 2011

Содержание

Цели и задания на курсовой проект

Теоретическое введение

Возможно ли в системе фазовое превращение

Вывести уравнение зависимостей стандартных мольных изменений

Расчет Д_rh^ст(500)

Расчет Д_rs ^ст (500

Определение массы прореагировавшего исходного твердого вещества

Состав паровой фазы при равновесии в N- и С- шкалах

Направление реакции при заданной Т

Давление газообразного компонента, что бы изменить направление реакции

Глубина химической реакции при температуре 500 и разных начальных давлениях компонента



1. Задание на курсовую работу

В курсовой работе исследуется система с протекающей в ней гетерогенной реакцией при отсутствии или наличии фазовых превращений.

Целью работы является исследование равновесного состояния системы при заданных температуре и давлении, влияния на направление реакции исходного состава системы.

Для достижения поставленной цели следует выполнить следующие задания:

1. Изложить теоретический материал, касающийся основных понятий изучаемой в данной работе.

2. Используя справочные данные о свойствах компонентов, участвующих в конкретной реакции:

установить возможно ли в системе фазовое превращение в интервале температур 298-900 К.

3. Вывести уравнение зависимостей стандартных мольных изменений энтальпии, энтропии и энергии Гиббса от температуры в интервале 298-500.

4. Вычислить: (T), (T), (T) и константу равновесия реакции при заданных температурах.

5. Определить массу прореагировавшего исходного твердого вещества С при температуре 00 К, если объем системы V=7, а исходное давление газообразного вещества равно

,

0



6. Рассчитать состав паровой фазы при равновесии в N- и С- шкалах.

7. Определить направление реакции при заданной Т, если исходные парциальные давления газообразных веществ и равны 4,8Ч и 3Ч соответственно при наличии в системе твердых компонентов.

8. Как надо изменить давление газообразного компонента, что бы изменить направление реакции на противоположное.

9. Рассчитать глубину химической реакции при температуре 900 и разных начальных давлениях компонента

0,1Ч; 0,5Ч 2,5Ч 5Ч

и при =0

гетерогенная реакция фазовые превращения



Задание 1: Теоретическое введение

В многокомпонентных системах могут совершаться процессы, сопровождающиеся изменением числа молей компонентов. Эти процессы называются химическими превращениями. Химическое превращение не всегда можно описать только одним стехиометрическим уравнением. Химическое превращение или его часть, которые можно описать одним стехиометрическим уравнением, называется химической реакцией. Изменения числа молей компонентов за счет химической реакции(Д_rn_k) различны, но все они взаимосвязаны. Изменение числа молей любого компонента за счет химической реакции к его стехиометрическому коэффициенту есть постоянная для данной реакции величина:

или .

Она обозначается о (кси) и называется глубиной химической реакции или химической переменной. Глубина реакции однозначно определяет число молей всех компонентов системы:

Уравнения состояния для закрытой системы с протекающей в ней химической реакцией:

Любое экстенсивное свойство системы (Е) является функцией Т, Р, {n_k}. Полный дифференциал этого свойства равен сумме частных производных:

где =e_k- парциальное мольное свойство компонента.

При постоянных температуре и давлении изменение экстенсивного свойства:

dE_T,P=?e_k*dn_k.

Выразим в этом уравнении изменение числа молей компонента через глубину реакции:

dE_T,P=dо?e_k*н_k или =?e_k*н_k,

где -дифференциальное мольное изменение экстенсивного свойства за счет химической реакции.

После интегрирования в пределах уравнение примет вид:

Д_rE_T,P=e_k*н_k*dо,

где Д_rE_T,P - полное изменение экстенсивного свойства за счет химической реакции, когда ее глубина изменяется от 0 до о.

Д_re^ст=?н_ke_k^ст

Д_re^ст - стандартное мольное изменение свойств за счет химической реакции.

Химический потенциал компонента определяется активностью компонента:

µ_k=µ_k^ст(T,P)+RTln.

Здесь µ_k^ст(T,P) - стандартный химический потенциал, который зависит от системы сравнения, температуры и давления; - активность компонента, зависит от системы сравнения и вида концентрационной шкалы.

Если µ_k в уравнении:

?н_k µ_k =0,

выразить через равновесную активность компонента, тогда:

?н_k µ_k^ст(T,P)+RTlnП =0

или

lnП

Из последнего уравнения следует:

П=exp.

При постоянных температуре и давлении правая часть уравнения постоянна; она обозначает K_r и называется константа равновесия химической реакции

K_r= exp.

С другой стороны:

K_r= П.

Последнее уравнение выражает закон химического равновесия, который можно сформулировать следующим образом: для каждой химической реакции, протекающей при постоянных температуре и давлении, произведение равновесных активностей компонентов в степенях, равных их стехиометрическим коэффициентам, есть величина постоянная, не зависящая от начальных концентраций компонентов.

Условие химического равновесия, определительное уравнение константы равновесия, закона химического равновесия для гетерогенной реакции внешне совпадают с соответствующими уравнениями для гомогенной реакции. Но при их использовании следует учитывать вид фазы, в которой находится компонент. Активности компонентов, находящихся в разных фазах, могут быть выражены в разных концентрационных шкалах.

Задание 2:

Установить возможно ли в системе фазовое превращение при реакции:

+

Вещество	Фазовое превращение
Sn	Sn(кр)>Sn(ж)	505,2	7,20
Sn	Sn Sn	1903,0	23,4



Так как в моем случае интервал температур 298-500 К то в данной реакции отсутствует фазовое превращение.

Задание 3:

Вывести уравнение зависимостей стандартных мольных изменений энтальпии, энтропии и энергии Гиббса от температуры в интервале 298-500 K. При температуре 298 К (298) находится по приводным в справочной литературе стандартным мольным теплотам образования и стандартным мольным энтропиям компонентов , участвующих в реакции:

(298)=?(298);

(298)=?(298);

Для нахождения стандартной мольной теплоты реакции при любой температуре нужно использовать закон Кирхгоффа:

?

Зависимость стандартной мольной теплоемкости компонента от температуры можно выразить уравнением:

=+T++;

где , , , эмпирические коэффициенты, определяемые природой и агрегатным состоянием компонентов.

С учетом этого уравнения:

=?а+?bT++;

?a=?, ?b=? ?c=? ?=? ;

После интегрирования закона Кирхгоффа получим уравнение для расчета стандартной мольной теплоты реакции при любой температуре

(Т)=(298)+dT

Аналогично получаем уравнения для расчета стандартного мольного изменения энтропии за счет химической реакции:

(Т)=(298)+

Используя данные уравнения, получим уравнение для расчета стандартного мольного изменения энергии Гиббса за счет химической реакции при любой температуре:

=(298) - Т(298)+dT - Т ;

Задание 4

Расчет Д_rh^ст(500), Д_rs ^ст (500), Д_rg^ст(500) и K_r при Т=500 К.

4.1

= +;

=;

=27,28Ч2-34,3+76,04-2Ч30=35,9;

=3,26Ч2+29,96+7,36-21,4=50Ч;

=1-2,46+22,2-0,66=20,08Ч;

4.2

=;

;

+50,02(500-298)+

+20,08=-118,57+35,82



4.3

При известных и , можно найти

по формуле:

4.4

([P]=атм.)

5.

Определение массы прореагировавшего исходного твердого вещества.

([Р]=атм.)

; =;

; =;

==;;

;

Отсюда выводим уравнения для расчета о:

²;

P_2,0V=;

===0,0036

4о²=(0,0036-2о)²;

4о²=5,26^-8-5,8710^-5о+0,016о²;

Решив это квадратное уравнение получаем:

о=0,0001

Затем рассчитываем массу прореагировавшего продукта:

m=оM=0,0001(-1)118,7=-0,012 г.

6.

N₃=2о=0,0002 моль

n₂=0,0036-0,0002=0,0034 моль

6.1

>===0,945;

===0,045;

C_k=>C₂==1,3;

C₃==0,06;



7.

Определение направления реакции:

_T,P=-RTln+RTln=-8,31500(ln - ln)= -4155(1,4-0,14)= 575,8 Па

575,8>0 следовательно, при заданных начальных давлениях компонентов реакция идет в обратном направлении.

8.

Чтобы изменить направление необходимо выполнение неравенства:

<0> -ln+ ln<0 >

<> >;

>43,03 Па.

9.

Через формулу

P_2,0V=;

рассчитываем ;

затем через формулу

²;



рассчитываем глубину химической реакции;

Результаты вычислений представлены в таблице:

P2,0'	'	о'
0,2P2,0	0,0007	0,00000027
P2,0	0,0036	0,0001
5 P2,0	0,018	0,0008
10 P2,0	0,036	0,001

По приведенным в таблице данным построим график зависимости отношения глубин реакций и отношений начальных молей второго компонента:

Проанализировав данную таблицу, можно сказать, что в этом отношении наблюдается линейная зависимость.

Размещено на Allbest.ru

...