Расчетно графическая работа физическая химия. РГР ФИЗ ХИМИЯ. Исследование 1 Для удобства последующих расчетов составляем таблицу исходных данных, используя справочный материал

• Название: Исследование 1 Для удобства последующих расчетов составляем таблицу исходных данных, используя справочный материал
• Анкор: Расчетно графическая работа физическая химия
• Дата: 09.01.2023
• Размер: 112.81 Kb.
• Имя файла: РГР ФИЗ ХИМИЯ.docx
• Тип: Исследование; #878758

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное

Учреждение высшего профессионального образования

«Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова»

Кафедра физической химии и химической технологии

РАСЧЁТНО-ГРАФИЧЕСКАЯ РАБОТА

По курсу «Физическая химия»

Раздел «Термодинамический анализ химических реакций»

Вариант 1.5

Выполнила: Мухина В.В.

Студент группы: МХб-20-1

(подпись)

Проверил:

(подпись)

Магнитогорск

2021

Формулировка задания


Исследование 1



Для удобства последующих расчетов составляем таблицу исходных данных, используя справочный материал.
Таблица 1

Исходные данные для термодинамического расчета реакции
Nb₂O_5(тв) + 3H_2(газ) = 2NbO + 3H₂O_(газ)

Вещество	ΔНо298, кДж/моль	ΔSо298, Дж/мольК	Коэффициенты в уравнение а + bT+cT-2 , Дж/мольК
			a	b *10-3	c *10-5
Nb2O5	-1905,80	137,80	91,61	118,10	0
H2	0	130,60	27,28	3,26	0,50
NbO	-406,00	50,0	40,20	18,40	0
H2O	-241,84	188,74	30,0	10,71	0,33

1.1 . Расчет изменения изобарной теплоемкости ( ) и теплового эффекта реакции ( )

Зависимость теплового эффекта реакции от температуры определяется законом Кирхгофа:

(1)

где: – стандартный тепловой эффект реакции при 298 К;

- изменение теплоёмкости системы в результате протекания реакции.

Последняя величина рассчитывается по уравнению:

(2)

где - мольная изобарная теплоёмкость i-го вещества, определяемая из уравнения:

(3)
Рассчитаем :
;

Рассчитаем :

;

Рассчитаем



Найдем :
Температурный интервал 1750-2000
с шагом: 50
При Т=1750:
Остальные при различных температурах рассчитывается аналогично.

Рассчитаем значения при различных температурах и сведем эти значения в табл.2.


Таблица 2

T,K	1750	1800	1850	1900	1950	2000
	-106,23	-109,17	-112,12	-115,07	-118,01	-120,9

Зависимость изменения изобарной теплоемкости от температуры для реакции
Nb₂O_5(тв) + 3H_2(газ) = 2NbO + 3H₂O_(газ)



По данным табл.2. построить зависимость .




Рис.1. Зависимость изменения изобарной теплоемкости от температуры для реакции Nb₂O_5(тв) + 3H_2(газ) = 2NbO + 3H₂O_(газ)
Значение _Н₂₉₈ в уравнении (1) определяется по стандартным теплотам образования _Н<sub>298, i

</sub>Н₂₉₈ = (n_i Н_{298, i} )_кон -  (n_i Н_{298, i})_исх. (4)

В рассматриваемом случае уравнение (4) имеет вид:

(5)
В соответствии с заданием необходимо рассчитать тепловые эффекты в интервале температур 1750-2000К при шаге температуры 50К. Получим уравнение зависимости теплового эффекта реакции от температуры:








Остальные значения при различных температурах T=1750-2000 рассчитываются аналогично.


Таблица 3

Величина при различных температурах для реакции
Nb₂O_5(тв) + 3H_2(газ) = 2NbO + 3H₂O_(газ)

T,K	1750	1800	1850	1900	1950	2000
, кДж	275659,71	2700274,59	264742,13	259062,3	253235,2	247260,75

Зависимость =f(T), построенная по данным табл.3 представлена на рис.2.




Рис.2. Зависимость теплового эффекта от температуры для реакции
Nb₂O_5(тв) + 3H_2(газ) = 2NbO + 3H₂O_(газ)

1.2Расчёт изменения энтропии реакции



Изменение энтропии системы в результате протекания процесса определяется по уравнению:

(6)

В этом уравнении – стандартное изменение энтропии для реакции при 298К, определяемое по мольным стандартным энтропиям веществ :

= (n_i )_кон - (n_i )_исх (7)


Значения для соответствующих веществ приведены в табл. 1, после их подстановки в уравнение (7) получим:



Выведем расчетное уравнение изменения энтропии от температуры:
, (8)
Остальные значения при различных температурах T=1750-2000 рассчитываются аналогично.
Таблица 4

Значения изменения энтропии ( при различных температурах для реакции
Nb₂O_5(тв) + 3H_2(газ) = 2NbO + 3H₂O_(газ)

T,K	1750	1800	1850	1900	1950	2000
, Дж/К	45,34	42,31	39,28	36,25	33,2	30,2

По данным табл.4 построим график .



Рис.3. Зависимость изменения энтропии от температуры для реакции


1.3. Расчет изменения стандартной энергии Гиббса

При расчете изменения стандартной энергии Гиббса для реакции воспользуемся уравнением Гиббса-Гельмгольца.
, (9)
Найденные величины изменения стандартной энергии Гиббса приведены в табл.5, по данным которой построена зависимость _, изображенная на рис.4.

Остальные значения при различных температурах T=1750-2000 рассчитываются аналогично.

Таблица 5

Значения изменения стандартной энергии Гиббса ( ) при различных температурах для реакции
Nb₂O_5(тв) + 3H_2(газ) = 2NbO + 3H₂O_(газ)

T,K	1750	1800	1850	1900	1950	2000
, кДж	196,31	194,11	192,07	190,18	188,49	186,86

Рис.4. Зависимость изменения стандартной энергии Гиббса от температуры для реакции

Nb₂O_5(тв) + 3H_2(газ) = 2NbO + 3H₂O_(газ)

1.4. Вывод уравнения зависимости константы равновесия от температуры

Константа равновесия связана с изменением стандартной энергии Гиббса соотношением:

(10)

После подстановки выражения (13) в уравнение (14) получим:


(11)

Можно полагать, что в сравнительно небольшом интервале температур тепловой эффект реакции ( ) и изменение энтропии ( практически постоянные величины (это подтверждают и результаты табл.3 и 4). Отсюда уравнение можно записать в виде:

(12) ,

где A и B-постоянные, которые соответственно равны:

(13)

(14)

Уравнение (12) отвечает линейной зависимости .

Определим коэффициенты A и B графически. С этой целью по уравнению (10) и данным табл.5 рассчитаем величину в заданном интервале температур.




Таблица 6

Константы равновесия для реакции Nb₂O_5(тв) + 3H_2(газ) = 2NbO + 3H₂O_(газ) при различных температурах

Т,К	1750	1800	1850	1900	1950	2000
10-3/Т,К-1	0,57	0,55	0,54	0,526	0,51	0,5
	-13,5	-12,9	-12,5	-12,04	-11,6	-11,2
Kp	1,37·10-6	2,31·10-6	3,74·10-6	5,87·10-6	8,87·10-6	1,3·10-5

Для графического определения констант A и B в уравнении (12) по данным таблицы 6 построим зависимость .

Рис.5. Зависимость lnK_p от обратной температуры для реакции

Nb₂O_5(тв) + 3H_2(газ) = 2NbO + 3H₂O_(газ)

Рассчитаем коэффициент A


По значению коэффициента A рассчитаем величину среднего теплового эффекта :


Рассчитаем коэффициент B


По значению коэффициента B рассчитаем величину изменения энтропии :




Полученные данные отлично согласуются с данными, приведенными в табл.2 и 3.

Исследование 2.

2.1 Определение количества фаз, независимых компонентов и степени свободы.
Рассматриваемая система состоит из трех фаз: двух твердых фаз Nb₂O₅ и NbO, а также газообразной, представляющей смесь газов H₂ и H₂O. Таким образом, ф=3.
Число независимых компонентов k равно наименьшему числу веществ, необходимых для выражения состава всех фаз системы. Это число определяют как общее число веществ в системе m за вычетом числа связей между ними r. Связь между веществами, входящими в рассматриваемую систему, выражается уравнением реакции.
Следовательно:

(15)

Число степеней свободы c равно числу независимых переменных системы (давление, температуры, концентрации компонентов), которые можно изменить в некоторых пределах так, чтобы число и природа фаз оставались прежними. По правилу фаз Гиббса:

(16)

Где n- число внешних параметров, влияющих на состояние равновесия системы. В нашем случае n=1 (только температура, так как в нашем уравнении давление не влияет на состояние равновесия).
Для рассматриваемой системы:


Вывод: c=1 это означает, что не нарушая состояния равновесия в известных пределах можно изменить 1 параметр, при этом число природы фаз не изменится.
2.2. Определение возможного направления.
Изотерма Вант-Гоффа


P_общ=202,6 кПа
Т=1700 К
П_P- произведение фактического парциального давления газообразных компонентов
Кр- константа равновесия
равновесие смещается в сторону продуктов реакции
равновесие смещается в сторону исходных веществ
Рассчитаем Кр при заданной Т


P’_H2O, P’_H2 – фактические Пр, выраженные в относительных единицах.







следовательно, равновесие смещается в сторону исходных веществ.

2.3. Определение равновесного состояния состава газовой смеси
Nb₂O_5(тв) + 3H_2(газ) = 2NbO + 3H₂O_(газ)

Обозначим через x мольную долю H₂ , тогда мольная доля H₂O будет 1-x
Запишем Kp для данной реакции при заданной T
x1=0,99
x2=1,0045
x3=1,004
Физический смысл имеет только первый корень, т.к. мольная доля не может быть отрицательной и больше единицы. Таким образом, в равновесной газовой смеси мольная доля водорода N_H2=0,99 и мольная доля воды N_H2O=1-0,99=0,01. Содержание этих газов, выраженное в объемных процентах (Об.%) составит:
Установление направления смещения равновесия.

Принцип Ле Шателье
1) При увеличении T равновесие смещается в сторону эндотермической реакции
Так как реакция эндотермическая.Следовательно, равновесие смещается в сторону продуктов реакции(вправо).
2) При увеличении P равновесие смещается в сторону веществ с меньшим объемом газовой фазы. В нашем случае давление не влияет на состояние равновесия.