Пример расчета теплового эффекта химических реакций. Расчет теплового эффекта химических реакций энтальпия

• Название: Расчет теплового эффекта химических реакций энтальпия
• Дата: 21.11.2019
• Размер: 35.57 Kb.
• Имя файла: Пример расчета теплового эффекта химических реакций.docx
• Тип: Документы; #96405

Расчет теплового эффекта химических реакций

ЭНТАЛЬПИЯ - это тепловой эффект реакции, измеренный или вычисленный для случая, когда реакция происходит при неизменном давлении.
Химическая реакция:



Стандартная энтальпия (при 25 ^оС) химической реакции:



или


Если DН⁰₂₉₈ имеет отрицательное значение – реакция экзотермическая;

Если DН⁰₂₉₈ имеет положительное значение – реакция эндотермическая;
Расчет энтальпии химической реакции при температуре Т (Т – в градусах Кельвина):


Пример расчета стандартной энтальпии (теплового эффекта) химической реакции
Определить тепловой эффект химической реакции синтеза минерала С₃А_(кр) из СаО_(кр) и -Al₂O_3(кр) при 1200 ^оС.

Реакция: 3СаО_(кр) + a-Al₂O_3(кр) = 3CaO×Al₂O_3(кр).

Исходные данные для расчета:

Соединение	DН0298, ккал/моль	а	b, ×103	c, ×10-5
СаО(кр)	-151,9	11,67	1,08	-1,56
a-Al2O3(кр)	-400,48	27,43	3,06	-8,47
3CaO×Al2O3(кр)	-851,0	62,28	4,58	-12,09

Температура Т = 1200 ^оС (или 1498 К).

Расчет:

DН⁰₂₉₈= - 851000 + 3×151900 + 400480 = 5180 кал/моль;

Dа = 62,28 - 3×11,67 - 27,43 = -0,16

Db = 0,00458 - 3×0,00108 - 0,00306 = -0,00172

Dс = -1209000 + 3×156000 + 847000 = 106000

Н⁰₁₄₉₈ = 5180 – 0,16(1498 – 298) – (0,00172/2)(1498² – 298²) + 106000(1/298 – 1/1498)  3135 кал.

Ответ: Тепловой эффект реакции равен +3135 кал., реакция эндотермическая

Пример решения задач
Определить расход тепла на обжиг 1 кг сырьевой смеси, состоящей из 77,22 масс.% СаСО₃, 11,48 масс.% каолинита (Al₂O₃SiO₂2H₂O), 3,03 масс.% огарков (Fe₂O₃) и 8,28 масс.% корректирующей кремнеземсодержащей добавки (SiO₂) при обжиге при 1450 ^оС, если в качестве конечных продуктов образуются только клинкерные минералы C₃S, C₂S, C₃A и C₄AF. Потери тепла в окружающую среду, на нагрев материалов, на охлаждение клинкера и потери с СО₂ и парами Н₂О принять за 0.
Решение:

1. 
   1 кг сырьевой смеси содержит:
   

Компонент	Известняк CaCO3	Каолинит Al2O3·2SiO2·2H2O	Огарки Fe2O3	Песок SiO2
Содержание, в %%	77,22	11,48	3,03	8,28
Содержание, в г	772,2	114,8	30,3	82,8
Молекулярный вес	56+44=100	102+2·60+2·18=258	160	60
Число молей в 1 кг сырьевой смеси	CaCO3 – 7,722 СаО – 7,722 СО2 – 7,722	Al2O3·2SiO2·2H2O – 0,445 Al2O3 – 0,445 SiO2 – 0,890 Н2О – 0,890	Fe2O3 – 0,190	SiO2 –1,380

2. 
   После прокаливания сырьевая смесь будет содержать:
   

Оксид	СаО	SiO2	Al2O3	Fe2O3
Содержание, в г	772,2·56/100 =432,43	82,8+114,8·2·60/ 258=136,20	114,8·102/258 =45,39	30,3
Содержание, в %%, при массе оксидов 432,43+ 136,20+45,39+30,3= 644,32 г	67,12	21,14	7,05	4,70
Молекулярный вес	56	60	102	160
Число молей оксидов в прокаленной смеси: Мn=M/Mm	432,43/56= 7,772	136,20/60= 2,270	45,39/102= 0,445	30,3/160 = 0,190

3. 
   Расчет минералогического состава клинкера:
   

• 
  C₃S=4,07C–7,6S–6,72A–1,42F=4,07·67,12–7,6·21,14–6,72·7,05–1,42·4,70=58,5
  
• 
  C₂S=8,6S+5,07A+1,07F–3,07C=8,6·21,14+5,07·7,05+1,07·4,70–3,07·67,12=16,4
  
• 
  C₃A=2,65A–1,70F=2,65·7,05–1,70·4,70=10,7
  
• 
  C₄AF=3,04F=3,04·4,70=14,3
  

4. 
   644,32 г клинкера будут содержать:
   

Минерал	C3S	C2S	C3A	C4AF
Содержание, в %%	58,5	16,4	10,7	14,3
Содержание, в г (в 644,32 г клинкера)	376,93	105,67	68,94	92,14
Молекулярный вес	228	172	270	486
Содержание в молях (в 644,32 г клинкера)	1,653	0,614	0,255	0,190

5. 
   Реакции разложения известняка и каолина:
   

• 
  разложение известняка: 7,722CaCO₃ = 7,722СаО+7,722СО₂
  
• 
  разложение каолина: 0,445Al₂O₃·2SiO₂·2H₂O = 0,445Al₂O₃+0,890SiO₂+0,890Н₂О
  

6. 
   Реакции синтеза клинкерных минералов:
   

• 
  Синтез 4CaO·Al₂O₃·Fe₂O₃: после обжига клинкер содержит 0,190 молей 4CaO·Al₂O₃·Fe₂O₃; на синтез этого количества 4CaO·Al₂O₃·Fe₂O₃ будет израсходовано 0,190 моля Al₂O₃ и 4·0,190=0,760 молей СаО; уравнение реакции синтеза 4CaO·Al₂O₃·Fe₂O₃: 0,760СаО+0,190Al₂O₃+0,190Fe₂O₃=0,190(4CaO·Al₂O₃·Fe₂O₃);
  
• 
  Синтез 3СаО·Al₂O₃: после обжига клинкер содержит 0,255 молей 3СаО·Al₂O₃; осталось 0,445-0,190=0,255 моля Al₂O₃; на синтез этого количества 3СаО·Al₂O₃ будет израсходовано 3·0,255=0,765 молей СаО и 0,255 моля Al₂O₃; уравнение реакции синтеза 3СаО·Al₂O₃: 0,765СаО+0,255Al₂O₃=0,255(3СаО·Al₂O₃);
  
• 
  Синтез 2СаО·SiO₂: после обжига клинкер содержит 0,614 молей 2СаО·SiO₂; на синтез этого количества 2СаО·SiO₂ будет израсходовано 0,614 молей SiO₂ и 2·0,614=1,228 молей СаО; уравнение реакции синтеза 2СаО· SiO₂: 1,228СаО+0,614SiO₂=0,614(2СаО·SiO₂);
  
• 
  Синтез 3СаО·SiO₂: после обжига клинкер содержит 1,653 моля 3СаО·SiO₂: на синтез этого количества 3СаО·SiO₂ будет израсходовано 1,653 моля SiO₂ и 3·1,653=4,959 молей СаО; осталось молей СаО: 7,772–0,760–0,765–1,228=5,019; Невязка (избыток молей СаО) = 5,019–4,959=0,06 моля – выделяется в виде СаО_св. Уравнение реакции синтеза 3СаО· SiO₂: 4,959СаО+1,653SiO₂=4,959(3СаО·SiO₂);
  

7. 
   Тепловые эффекты химических реакций при температуре 1450 ^оС:
   

№ п/п	Реакция	Тип реакции	Тепловой эффект реакции, кал
1	7,722CaCO3 = 7,722СаО+7,722СО2	Эндо	+282201
2	0,445Al2O3·2SiO2·2H2O = 0,445Al2O3+0,890SiO2+0,890Н2О	Эндо	+21287
3	0,760СаО+0,190Al2O3+0,190Fe2O3=0,190(4CaO·Al2O3·Fe2O3)	Экзо	–5550
4	0,765СаО+0,255Al2O3=0,255(3СаО·Al2O3)	Эндо	+686
5	1,228СаО+0,614SiO2=0,614(2СаО·SiO2)	Экзо	–25769
6	4,959СаО+1,653SiO2=4,959(3СаО·SiO2)	Экзо	–63227

8. 
   Суммарный расход тепла на обжиг 1 кг смеси:
   

+282201+21287–5550+686–25769–63227=209628 кал/кг=209,628 ккал/кг