Термодинамическое исследование. Определение парциальных компонентов газовых смесей, теплоты сублимации, теплоты реакции и константы равновесия

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Введение

Физическая химия и химическая термодинамика, в частности, уже давно стали той базой, которая превратила химию в науку в полном смысле этого слова. Именно благодаря ей, химики имеют возможность количественно описывать и предсказывать течение химических процессов.

На основе законов Гесса, Кирхгофа, Вант-Гоффа и др., были объяснены как протекают химические реакции, в какую сторону смещено равновесие реакции, при каких условиях процесс сублимации (возгонки), кристаллизации.

1. Термодинамические исследования

Термодинамика - это раздел физики, изучающий общие свойства макроскопических систем, находящихся в состоянии термодинамического равновесия, и процессы перехода между этими состояниями. Термодинамический метод, нацелен на исследование систем из большого числа частиц, не рассматривая ее микроструктуры и совершающихся в системе микропроцессов. Данный метод оперирует величинами, характеризующими систему в целом (например, давление, объем, температура), на основе законов сохранения энергии.

В термодинамике изучают:

1. Тепловые эффекты, сопровождающие физические и химические изменения термодинамической системы, а также работу, совершаемую в результате этих изменений;

2. Зависимость тепловых эффектов и работы от условий их протекания;

3. Условия, необходимые для самопроизвольного протекания процессов и предельные равновесные состояния, к которым приводят эти процессы.

В основе термодинамических выводов лежат законы термодинамики, которые сами ниоткуда выведены быть не могут, представляют собой умозаключения, обобщающие опыт человечества и оправдываются следствиями, вытекающими из них.

* Фаза - гомогенная часть гетерогенной системы, имеющая одинаковые свойства во всех точках всего объема или совокупность отдельных гомогенных частей с одинаковыми свойствами.

* Изолированная система - система, которая не обменивается с окружающей средой ни веществом, ни энергией в форме работы или теплоты.

* Закрытая система - не обменивается с окружающей средой веществом.

* Открытая система - обменивается веществом с окружающей средой.

* Адиабатная система - не имеет теплообмена с окружающей средой.

2. Определение парциальных компонентов газовых смесей

Парциальное давление - давление, которое оказывал бы газ, входящий в газовую смесь, если бы из нее были удалены все остальные газы при условии сохранения постоянными температуры и объема.

Общее давление газовой смеси определяется законом Дальтона: общее давление смеси газов, занимающих определенных объем, равно сумме парциальных давлений, которыми обладал бы каждый отдельно взятый газ, если бы он занимал объем, равный объему смеси газов.

где, - общее давление, - Парциальное давление

Для каждого парциального давления мы можем переписать уравнение идеального газа.

Идеальные газы - газы, в которых отсутствуют какие- либо взаимодействия между частицами, и которые подчиняются 2-м закономерностям:

Уравнение Менделеева - Клапейрона (уравнение состояния идеального газа):

PV = nRT

Для одного моль идеального газа:

PV = RT

Закон Гей - Люссака - Джоуля: внутренняя энергия является функцией температуры

U = f (T);

;

Возможность вычисления парциального давления газа, крайне важно потому, что парциальное давление газа определяет воздействие на нашу физиологию и поведение нашего организма под водой. Темы, связанные с парциальным давлением должны быть известны всем дайверам и особенно дайверам, которые используют дыхательные смеси помимо воздуха (нитрокс, тримикс):

Ptot = PP1 + PP2 + ... + PPn [at] (1)

где: Ptot - общее давление (абсолютное) газовой смеси, PP1-парциальное давление 1, РР2 - парциальное давление газа 2, РРn-парциальное давление газа n.

Мы обозначим парциальное давление каждого компонента смеси PP, которое является результатом умножения общего давления Ptot на содержание данной фракции газа (F) (выражается в сотых долях после запятой).

PP = Ptot * F [ат] (2)

Например, процент кислорода О2 в атмосфере (то есть для давления 1ат) (фракция) - 21%, после замены на сотые F = 0,21 мы получаем:

PPO2 = 1ат * 0,21 = 0, 21 ат

Для азота N2 в воздухе (79%) это будет:

PPN2 = 1ат * 0,79 = 0, 79 ат.

Если вы хотите вычислить парциальное давление газа на любой глубине по формуле (2), вы должны учитывать увеличение общего давления (абсолютного). Общее давление равно атмосферному и гидростатическому давлению и его можно рассчитать по формуле:

Ptot = D/10 + 1 [ат] (3)

где: D-глубина в [м]

Объединив формулы (2) и (3) получаем:

PP = (D/10 + 1) * F [ат]

Например, парциальное давление на глубине 30 м для фракции кислорода FO2 = 0,21 равно:

PPO2 = (30/10 + 1) *0,21 = 4 х 0,21 = 0, 84 ат

Если, однако, дайвинг происходит на нитроксе с содержанием фракции кислорода FO2 = 0,36 ,мы получаем парциальное давление кислорода:

PPO2 = (30/10 + 1) * 0,36 = 4 *0,36 = 1, 44 ат

В любительском дайвинге парциальное давление кислорода не должно превышать 1,4 ат, и если это значение больше, то можно сделать вывод, что данная смесь не годится для дыхания на данной глубине.

Конечно, мы можем также иметь противоположную ситуацию во время погружений на тримиксе, в котором фракция кислорода FO2 = 0,04, после вставки значений в формулу, мы получаем:

PPO2 = (30/10 + 1) * 0,04 = 4 х 0,04 = 0, 16 ат

Такой смесью нельзя дышать, нужно или изменить состав смеси или глубину, на которой мы дышим на этой смеси.

Кроме того есть соответствующие таблицы, например: таблица парциальных давлений кислорода. Использование таблиц полезно, оно освобождает нас от вычислений и уменьшает количество ошибок.

3. Определение теплоты сублимации

При любой температуре в твердых телах, как и в жидкостях, существует некоторое количество атомов с высокой кинетической энергией, достаточной для преодоления потенциального поверхностного барьера. Этот процесс, как мы знаем, называется сублимацией, или возгонкой.

ТЕПЛОТА СУБЛИМАЦИИ, количество теплоты, которое необходимо сообщить твердому телу при постоянных давлении и температуре, чтобы перевести его из твердого состояния в газообразное, минуя жидкое состояние. Теплоту сублимации единицы массы вещества называют удельной теплотой сублимации.

Сублимация во многом сходна с испарением жидкости и всегда имеет место на границе сосуществования твердой и газообразной фаз Следствием сублимации, например, является резкий запах, испускаемый многими твердыми телами (нафталин, камфара и др.). Твердая двуокись углерода ("сухой лёд") при нормальном давлении интенсивно сублимирует, минуя жидкую фазу, и способна за счет этого охлаждаться до температуры минус 80°С.

термодинамический газовый физический сублимация

Скорость сублимации в вакуум (если ее выражать в кг/(м2 с)), приближенно удается оценивать с помощью формулы Герца-Кнудсена.

Явление сублимации находит широкое применение в технике. Примером является возгонка кристаллов в вакууме с последующим осаждением их паров в виде тонких кристаллических или аморфных плёнок (пленочное напыление).

4. Определение теплоты реакции и константы равновесия

При химических реакциях происходит изменение внутренней энергии, поскольку внутренняя энергия конечных веществ отличается от внутренней энергии начальных веществ. Это изменение внутренней энергии происходит за счет выделения или поглощения теплоты во времени или за счет совершения работы.

?Н0 указывает на стандартное состояние (Р = 1 атм, Т = 298 К). Реагирующие вещества берутся в том агрегатном состоянии и в виде той кристаллической модификации, которые наиболее устойчивы при данных условиях.

В термодинамике считается положительной (+) теплота, поглощенная системой (эндотермический процесс), а в термохимии - выделяемая в результате реакции (экзотермический процесс).

В термохимии: P, V.

В термодинамике: QP, QV.

?H = QP = -P;

?U = QV = -V.

* Связь QP и QV.

QP = ?HР

QV = ?U ?H = ?U + P?V

при P = const

H = PV + U

QP = QV + P?V

а) Если в реакции принимают участие только твердые и жидкие вещества, то ?V ? 0 и, следовательно, QP ? QV.

б) Если в реакции принимают участие газообразные вещества, то ?V может быть значительным и его можно найти из уравнения Клапейрона - Менделеева:

PV = nRT

.

При P = const; T = const:

.

где ?n - изменение количества моль газообразных участников реакции.

* Теплотой сгорания вещества называется тепловой эффект реакции сгорания его количеством 1 моль с образованием устойчивых продуктов (для органических веществ это СО2, Н2О и N2).

Кроме теплот сгорания часто используют теплоты образования химических соединений.

* Теплотой образования вещества называется теплота образования 1 моль его соединения из соответствующих простых соединений (обычно при Р = const).

аА + bB > dD.

?HР = ?Hобр(D)·d = а?Hсгор(А) + b?Hсгор(B) - d?Hсгор(D);

Теплота реакции равна сумме теплот образования конечных веществ за вычетом суммы теплот образования начальных веществ с учетом стехиометрических коэффициентов.

Химическое равновесие часто называют химической термодинамикой, так как при смещении (изменении) внешних условий на бесконечно малую величину, химическое равновесие так же смещается бесконечно мало, а, следовательно, химическую реакцию можно рассматривать как обратимый термодинамический процесс и применять к ней общие условия термодинамического равновесия.

Заключение

Благодаря развитию физической химии, термодинамические исследования позволяют определить скорость реакций в различных условиях, состояние веществ до и после взаимодействия и их характер.

Термодинамические исследования позволяют рассчитать давления в реальных и идеальных газах, рассчитывают осмотическое давление.

Список литературы

1. Эмануэль Н.М., Кнорре Д.Г. Курс химической кинетики: Учебник для хим. фак. тов. --4-е изд., перераб. и доп. --М.: Высш. шк., 1984 463с.

2. Стромберг А.Г., Семченко Д.П. Физическая химия: Учеб. для хим. спец. вузов / Под ред. А.Г. Стромберга. - 4-е изд., испр. - М.: Высш.шк., 2001. - 527с.

3. Глесстон С, Лейдлер К., Эйринг Г. Теория абсолютных скоростей реакций -- М.: ИЛ, 1948, 576с.

4. Бенсон С. Основы химической кинетики. -- М.; Мир» 1964, 603с.

Размещено на Allbest.ru