Термодинамика химических реакций. Для химической реакции заданного варианта
1) вывести аналитическую зависимость изменения теплоемкости от температуры ∆Ср = f(T), рассчитать ∆Ср при 5 температурах (К): 298, указанной в таблице температуре Т и трех температурах, взятых из интервала (298÷Т); по полученным данным построить график зависимости ∆Ср = f(T);
2) рассчитать изменение энтальпии (тепловой эффект реакции при Р = const) по теплотам образования веществ, изменение энтропии, изменение свободной энергии Гиббса при стандартных условиях (∆Но298, ∆Sо298, ∆Gо298);
3) вывести аналитическую зависимость изменения энтальпии от температуры ∆НоT = f(Т), рассчитать изменение энтальпии при тех же температурах, которые указаны в п. 1, построить график зависимости ∆НоT = f(Т);
4) рассчитать ∆S0T ; ∆G0T при заданной температуре Т;
5) рассчитать константу равновесия (Ко) при температуре 298 К и при заданной температуре Т.
На основании проведенных расчетов сделать следующие выводы:
какая это реакция – экзо- или эндотермическая (выделяется или поглощается теплота при прохождении реакции);
как влияет температура на тепловой эффект реакции;
в какую сторону смещено химическое равновесие;
как влияет температура на положение равновесия;
как влияет давление на положение равновесия.
Выводы должны быть обоснованы с привлечением соответствующих законов.
При расчетах должно быть учтено фазовое состояние веществ, участвующих в химической реакции (фазовое состояние отдельных веществ указано в табл. остальные вещества принять находящимися в газообразном или жидком состоянии).
Химическая реакция Варианты ключевых температур (Т, К)
1 2 3
CO + Cl2 = COCl2 800 500 1000
Решение
Изменение теплоёмкости в ходе реакции в стандартных условиях равно:
ΔСoр = Сoр(СOCl2) – (Сoр(Cl2) +Сoр(СO));
ΔСoр = 57,76 – 33,93 – 29,14 = -5,31 (Дж/моль К).
Теплоемкость при температуре Т в указанном в таблице интервале температур выражается уравнением:
ΔСoр = a + bT + cT2.
Изменение коэффициентов в ходе реакции в стандартных условиях:
Δа = а(СOCl2) – (а(Cl2) + а(СO));
Δа = 67,15 – 37,03 – 28,41 = 1,71.
Δb = b(СOCl2) – (b(Cl2) + b(СO));
Δb = (12,03 – 0,67 – 4,10)∙10-3 = 7,26∙10-3;
Δс = с(СOCl2) – (с(Cl2) + с(СO));
Δс = (-9,04 – (-2,85) – (-0,46))∙10-5 = -5,73∙10-5.
Уравнение зависимости изменения теплоемкости процесса от температуры для рассматриваемой реакции имеет вид:
ΔСТр = 1,71 + 7,26∙10-3·Т + (-5,73∙10-5)·Т2.
Изменение теплоёмкости в ходе реакции при 500 К равно:
ΔС500р = 1,71 + 7,26∙10-3·500 + (-5,73∙10-5)·5002 = -8,99 (Дж/моль К).
Изменение теплоёмкости в ходе реакции при 800 К равно:
ΔС800р = 1,71 + 7,26∙10-3·800 + (-5,73∙10-5)·8002 = -29,15 (Дж/моль К).
Изменение теплоёмкости в ходе реакции при 1000 К равно:
ΔС1000р = 1,71 + 7,26∙10-3·1000 + (-5,73∙10-5)·10002 = -48,33 (Дж/моль К).
Рисунок 1. График зависимости ∆Ср = f(T)
2) Тепловой эффект при стандартных условиях равен:
ΔНо298. = ΔНоf,298(СOCl2) – (ΔНоf,298(Cl2) + ΔНоf,298(СO));
ΔНо298 = -219,50 – 0 – (-110,53) = -108,97 (кДж/моль) = -108970 (Дж/моль).
Изменение энтропии в стандартных условиях равно:
ΔSо298
. = Sо298(СOCl2) – (Sо298(Cl2) + Sо298(СO));
ΔSo298 = 283,64 – 222,98 – 197,55 = -136,89 (Дж/моль К).
Изменение свободной энергии Гиббса в стандартных условиях равно:
ΔGо298. = ΔGо298(СOCl2) – (ΔGо298(Cl2) + ΔGо298(СO));
ΔGо298 = -205,31 – 0 – 137,15 = -342,46 (кДж/моль К) = -342460 (Дж/моль).
3) Для расчета энтальпии при температуре Т используем интегральную форму уравнения Кирхгофа:
∆HT=∆H°298+298T∆CpdT.
Точный расчет производим с учетом установленной зависимости теплоемкости от температуры:
∆HT=∆H°298+298T1,71 + 7,26∙10-3Т + (-5,73∙10-5)·Т2dT.
Для установления аналитической зависимости теплового эффекта от температуры подставляем найденное значение ΔНо298:
∆HT=-108970+2985001,71 + 7,26∙10-3Т + (-5,73∙10-5)·Т2dT=
=-108970+1,71∙Т-298+ (7,26∙10-3/2)∙(Т2-2982)+
+ (-5,73∙10-5/3)·(Т3–2983).
После выполнения действий и приведения подобных получаем в окончательном виде аналитическую зависимость ΔHoT = f(T):
∆HT=-109296,49+1,71T+3,63∙10-3∙ T2- 1,91∙10-5∙T3.
Рассчитываем тепловой эффект реакции при 500 К:
ΔH°500 = -109296,49+1,71·500 + 3,63·10-3·5002 – 1,91·10-5·5003 = -109921,49Дж.
Рассчитываем тепловой эффект реакции при 800 К:
ΔH°800 = -109296,49+1,71·800 + 3,63·10-3·8002 – 1,91·10-5·8003 = -115384,49Дж.
Рассчитываем тепловой эффект реакции при 1000 К:
ΔH°1000 = -109296,49+1,71·1000 + 3,63·10-3·10002 – 1,91·10-5·10003 =
= -123056,49Дж.
Рисунок 2
Задать вопрос
на новый заказ в Автор24.
