Термодинамічний аналіз складних хімічних реакцій. Курсова робота з Хімія. Робота № 525908

Термодинамічний аналіз складних хімічних реакцій

Інформація про навчальний заклад

ВУЗ:

Національний університет Львівська політехніка

Інститут:

Не вказано

Факультет:

Не вказано

Кафедра:

Не вказано

Інформація про роботу

Рік:

2014

Тип роботи:

Курсова робота

Предмет:

Хімія

Завантажити

Частина тексту файла (без зображень, графіків і формул):

Зміст Завдання....................................................................................................................... A-Теоретична частина.............................................................................................. Б-Розрахункова Частина..................................................................................... В - Висновок............................................................................................................ Е-Список літератури.............................................................................................. Завдання Провести термодинамічний аналіз рівноважної системи, що утворилась внаслідок перебігу заданих хімічних реакцій в заданому інтервалі температур і тисків між загоподібними речовинами, які вважати ідеальними газами Реакція 1: 2,2 диметилбутан гексан (СH3-CH2-CH2-CH3 C6H14 ) CH3 CH3 Реакція 2: гексан циклопентан + метан ( C6Н14 + CH4 ) A. Теоретична частина Для кінцевого виміру стану системи перший закон термодинаміки виражається формулою: Q = ΔU + W, Де Q – теплота, приведена до системи або відведена від системи; ΔU – зміна внутрішньої енергії W – робота; За позитивну роботу прийнята робота розширення системи. Зміна внутрішньої енергії дорівнює: ΔU = U2 - U1, Де U2 і U1 – внутрішня енергія системи в кінці і на початку процесу; Н = U + PV, де H ентальпія системи; ΔH = ΔU + Δ(PV). Тепловий ефект хімічної реакції в ізохорному процесі (V = const) Qv = ΔV = U2 – U1. В ізобарному процесі (P = const) Qp = ΔH = H2 – H1. Перший наслідок із закону Гесса описується рівнянням: , де vi – стехіометричний коефіцієнт; - суми стандартних теплових ефектів утворенні кінцевими і початковими продуктами реакції; - тепловий ефект утворення речовини із простих речовин в стандартних умовах при температурі Т. За стандартних умов прийнято вважати стан в чистому виді при тиску 1 атм. Стандартний стан речовини позначується індексом „0”. Другий наслідок з закону Гесса описується рівнянням: , де - сума стандартних теплових ефектів згорання вихідних і кінцевих речовин. Залежність теплоємності речовин від температури виражається рівнянням: Для істинної температури: Сv = dU/dT; Cp = dH/dT; Для ідеальних газів Сp = Сv + R. Рівняння для середньої теплоємності Сv в інтервалі температури Т2/Т1 має вигляд: Середня і істина теплоємності пов(язані рівнянням Залежність теплоємності від температури виражається рівнянням: Для неорганічних речовин Для органічних речовин Т2 + dT3, для a, b, c, c’ і d – коефіцієнти, які визначають емпіричні або на основі молекулярно-статистичних розрахунків. Дані коефіцієнти приводяться в справ очниках. Залежність ентальпії речовини від температури виражається рівняннями: де - ентальпія речовини при абсолютному нулю; де - - приріст ентальпії при нагріванні речовини від 298 до Т, К. Якщо в інтервалі температури Т/298 проходять фазові перетворення , то рівняння має вигляд: +, де ΔHпер, ΔHпл, ΔHвип - теплоти перекристалізації, плавлення і випаровування ; ;;- теплоємності речовини в низькотемпературному кристалічному стані, у високотемпературному кристалічному стані, в рідкому і газоподібному станах. Повна ентальпія речовини (умовна) при температурі Т де - повна ентальпія речовини при температурі Т і при стандартному тиску для того фазового стану, який стійкий при температурі Т; - стандартна теплота утворення речовини при 298 К. Залежність теплового ефекту хімічної реакції від температури виражається рівнянням - = Δ, (1) де,- суми теплоємностей кінцевих і початкових речовин; Δ- зміна теплоємності в процесі хімічної реакції Δ= Δ a+ΔbT+ΔcT2 +ΔdT3+ Δc(/T2. Рівняння (1) в інтегральному вигляді буде ΔΔ+. При розрахунку теплових ефектів хімічних реакцій при заданій температурі можна використати приведені в таблицях середні значення теплоємностей в температурному інтервалі від 298 до Т Δ+=+ Δ(Т-298). Якщо в заданому температурному інтервалі відбувається фазове перетворення однієї або декількох речовин, то зручно тепловий ефект розраховувати на основі таблиць повних ентальпій або таблиць функцій (): Δ - = + = - . При наявності фазових перетворень в інтервалі температур від 298 до Т зручно користуватися значеннями приведеними в прикладах для температур від 298 до 1000 К. Основні властивості ентропії: де δQ – елементарна кількість теплоти. Для хімічної реакції зміна ентропії розраховують за рівнянням: Зміна енергії Гіббса при нагріванні від Т1 до Т2 в інтегральній формі: Для хімічної реакції: де ΔG0, ΔH0, ΔS0 – зміна відповідних функцій в стандартних станах при температурі Т. Вплив температури і тиску на рівновагу хімічної реакції Хімічна термодинаміка дозволяє визначати константу рівноваги при якій-небудь температурі, якщо відомі константа рівноваги при іншій температре і тепловий ефект реакції. Рівняння ізотерми хімічної реакції в суміші ідеальних газів має вигляд А- Вплив температури ∆Н > 0 тепловий ефект реакції позитивний (реакція ендотермічна), то температурний коефіцієнт константи рівноваги також позитивний. Це значить, що із зростанням температури константа рівноваги ендотермічної реакції завжди збільшується і рівновага зсовується управо ∆Н < 0 рівновага зсовується у бік исходных речовин. Якщо ∆Н = 0, то константа рівноваги реакції Кр не залежить від температур. Б- Вплив тиску Якщо ∆nгаз >0 то чим більший тиск тим реакція більш зсуваеться зправа наліво. Якщо ∆nгаз < 0 то чим більший тиск тим реакція більш зсуваеться зліва направо. Якщо ∆nгаз =0 тиск не впливає на рівновагу реакції Реакція 1: 2,2 диметилбутан гексан ( CH3(CH3)-CH2-CH2 -(CH3)-CH3) C6H14 ) Реакція 2: гексан циклопентан + метан ( C6H14 + CH4 ) Розрахунок і аналіз термодинамічних характеристик складних реакцій Термодинамічні характеристики реагуючих речовин, що необхідні для подальших розрахунків, взяті з довідника (3), наведені в таб. 1. Таблиця 1. Термодинамічні характеристики речовин, що реагують Речовина ∆fH0298 Кдж/моль ∆fS0298 дж/моль.К Cp0 = a+ b.T + c.T2 +c’/T2 дж/моль.К a b.103 c.106 c‘.10-5 C6H14 -167,19 388,4 8,66 505,8 -184,4 0 2,2-диметилбутан -185,77 359,15 -1,49 547,3 -214,2 0 CH4 -74,85 186,27 14,32 74,7 -17,4 0 -77,24 292,88 -42,43 475,3 -201,5 0 ) Розраховуємо зміну термодинамічних характеристик для заданих реакцій при 298 К. Для реакції 1: ∆ Н° = -167,19-(-185,77)=18,58 КДж ∆S° = 388,4-359,15=29,25 Дж/моль.К ∆a = 8,66-(-1,49)= 10,15 ∆b = ( 505,8-547,3).10-3 = - 41,5*10-3 ∆c = (-184,4-(-214,2)). 10-6 = 29,8.10-6 ∆с’ = 0 Для реакції 2: ∆ Н° = -74,85+(-77,24)-(-167,19)=15,1 КДж ∆S° , = 292,88+186,27-388,4=90,75 Дж/моль.К ∆a = -42,43+14,32-8,66 = -36,77 ∆b = (475,3+74,7-505,8).10-3 = 44,2.10-3 ∆с = (-201,5-17,4+184,4). 10-6 = -34,5.10-6 ∆с’ = 0 Термодинамічні характеристики заданих реакцій таблиця 2 ∆fH0298 дж/моль ∆fS0298 дж/моль.К Cp0 = a+ b.T + c.T2 +c’/T2 дж/моль.К a b.103 c.106 c‘.10-5 Реакція 1 18580 29,25 10,15 -41,5 29,8 0 Реакція 2 15100 90,75 -36,77 44,2 -34,5 0 Розраховуємо стандартну зміну теплоємності реакції ∆С° в інтервалі температурну від 300 до 1000 К за рівняння: ∆С° = ∆a + ∆ b.Т + ∆ с.Т² + ∆ с’/T² Наприклад : при Т= 300К Реакція1: ∆С° = 10,15-41,5.300.10ˉ3 +29,8 .3002.10-6+ 0/3002 = 0,382(Дж/K) Реакція 2: ∆С° = -36,77+44,2.10-3.300 -34,5.10-6.300²+0/3002 = -26,615 (Дж/K) 1.4 Розраховуємо стандартну зміну теплового екфекту реакцій ∆Н°т в інтервалі температура від 300 до 1000К за рівняння ∆ Н°т = ∆Н°298 +∆а.(Т-298)+ ∆b/2.(Т²-298²)+ ∆с/3.(Т3-2983) +∆с’(1/Т-1/298) Наприклад :розрахунок ∆Н°т при Т=300° Реакція 1 : ∆Н°= 18,580.103 +10,15.(300-298) – 41,5.10-3/2.(300²-2982)+29,8.10-6/3.(3003-2983) – 0.(1/300-1/298) =18580,81 (Дж) Реакція 2: ∆Н°=15,100.1000-36,77.(300-298) + 44,2/2.10-3.(300²-298²) -34,5.10-6.(3003-2983) + 0.(1/300-1/298)= 15034,38 (Дж) Розраховуємо стандарні значення зміни ентропії реакції ∆S°T в інтервалі температури 300°К до 1000°К за рівняння: ∆S°= ∆S°298 +∆а .ln(T/298) +∆b(T-298) +∆c/2.(T²-298²) - ∆c’/2.(1/300²-1/298²) Наприклад: при Т=300°К Реакція 1: ∆S°=29,25+10,15. ln( 300/298)- 41,5.10-3 ( 300-298) + 29,8/2.10-6(300²-298²) - 0/2(1/300²-1/298²) = 29,27 (Дж/К) Реакція 2 : ∆S°=90,75-36,77.ln( 300/298) +44,2.10-3.(300-298) – 34,5/2.10-6 (300²-298²) - 0/2(1/300²-1/298²) = 90,57 (Дж/К) Розрахуємо стандарні значення зміни енергії Гіббса реакції ∆G°T в інтервалі температури 300°К до 1000°К за рівняння: ∆G°T = ∆ Н°т - T.∆S°T Реакція 1 : ∆G°= 18580,81 - 300. 29,27 = 9799,81 ( Дж) Реакція 2 : ∆G°= 15034,38 - 300. 90,57 = -12136,62 ( Дж) Термодинамічні параметри хім. Реакцій Для 1-ої реакції Таблиця 3 .а T ∆C° ∆H°, ∆S° ∆G° К Дж/К Дж Дж/К Дж 300 0,382 18580,81 29,25271 9804.997231 400 -1,682 18510,84 29,06569 6884.569987 500 -3,15 18264,28 28,52159 4003.481131 600 -4,022 17900,71 27,86116 1184.016812 700 -4,298 17479,74 27,21279 -1569.20619 800 -3,978 17060,98 26,65313 -4261.52645 900 -3,062 16704,01 26,23163 -6904.4542 1000 -1,55 16468,44 25,98204 -9513.59294 Для 2-ої реакції Таблиця 3. б T (K) ΔC0 (Дж/К) ΔН0(Дж) ΔS0(Дж/K) ΔG0(Дж) 300 -26.615 15046.72 90.57181 -12124.8216 400 -24.61 12491.22 83.20625 -20791.2751 500 -23.295 10101.72 77.86876 -28832.6555 600 -22.67 7809.223 73.68729 -36403.1529 700 -22.735 5544.723 70.19667 -43592.9479 800 -23.49 3239.223 67.11922 -50456.1557 900 -24.935 823.7229 64.27584 -57024.534 1000 -27.07 -1770.78 61.54423 -63315.012 Розраховуємо стандартні значення констант рівноваги для заданих реакцій Кр за рівняннями: К°р = ехр ( - ∆G°T/ R.T) ; lnK°p =-∆G°T / R.T Наприклад . Розрахунок К°р і lnK°p для 300°К Реакція 1: lnK°p =-9799,81/(8,314.300) = -3,93 К°р = ехр (9799,81/(8,314.300))= 0,01958 Реакція 2 : lnK°p =--12136/(8,314.300)= 4,96 К°р = ехр (12136/(8,314.300))= 129,48 Залежність стандарних констант рівноваги від температури : T, K 1000/T ln(T) Kp0(р-1) ln Kp0(р-1) Kp0(р-2) ln Kp0(р-2) 300 3.333333 5.703782 0.019584608 -3.93301 129.482606 4.863547 400 2.5 5.991465 0.126038196 -2.07117 520.555364 6.254896 500 2 6.214608 0.381542373 -0.96353 1032.013737 6.939267 600 1.666667 6.396930 0.788621911 -0.23747 1481.890022 7.301074 700 1.428571 6.551080 1.309652859 0.269762 1797.334748 7.49406 800 1.25 6.684612 1.898423556 0.641024 1977.669569 7.589674 900 1.111111 6.802395 2.5172796 0.923179 2048.002366 7.62462 1000 1 6.907755 3.141928224 1.144837 2036.799569 7.619135 1.9 За даними, наведеними в табл 3,4 будуємо графічки залежності ∆ С° = f(T), ∆H°=f(T), ∆S°=f(lnT), ∆G°= f( T) I LnK° =f( 103/T) / Рис 1: Графік залежності зміни теплоємності реакцій від температури / Рис 2: Графік залежності зміни теплового ефекту реакцій від температури / Рис 3: Графік залежності зміни ентропії реакцій від температури / Рис 4: Графік залежності зміни енергії Гіббса реакцій від температури / Рис 5: Графік залежності зміни константи рівноваги реакцій від температури 1.10 Графічним диференціювання отриманих графіків при Т=800К знаходимо похідну фунції як відношення природу функції до приросту аргументу Для реакції 1 : 1/ Із графіка ∆Н°Т=f(T) (рис 2) tgα=∆Cp = -4,18 Дж/К 2/ Iз графіка ∆S°T =f(lnT) (Рис3) tgα= ∆Cp/T =-0,00187 ; ∆Сp=-4,4 Дж/К 3/ Із графіка ∆G°T= f(T) (рис4) tgα=-∆S°T =-26,92 Дж/К 4/ Із графіка lnK°p =f (103/T) (puc 5) tgα= -∆H°T/R= 2,08; ∆H°T=17,3 кДж Для реакції 2 : 1/ Із графіка ∆Н°Т=f(T) (рис 2) tgα=∆Cp = -23,05 Дж/К 2/ Iз графіка ∆S°T =f(lnT) (Рис3) tgα= ∆Cp/Т= -0,03 ; ∆Cр =-24,6Дж/К 3/ Із графіка ∆G°T= f(T) (рис4) tgα=-∆S°T =68,6 Дж/К 4/ Із графіка lnK°p =f (103/T) (puc 5) tgα= -∆H°T/R=0,53 ; ∆H°T=4,45 кДж Порівняння розрахункових та визначених графічно термодинамічних параметрів хімічних реакцій при Т= 800°К Реакції ∆С°р, Дж/К ∆S°T Дж/К ∆Н°т кДж Розрах. Графічно Рис 2 Рис 3 Розрах. Графічно Розрах. Графічно І -3,9 -4,18 -4,4 26,65 26,92 17,06 17,3 ІІ -23,49 -23,05 -24,6 67,11 68,6 3,24 4,45 1.11 Аналізуючи отримані результати, можна зробити висновок, що із зростанням температури значення К°р зростають для обох реакцій, причому швидкість зростання для першогої є вищою. Для температурного інтервалу 800 – 1000 К обчислюємо значення Кр за рівнянням : Кр = Кр0 ( р0 )∆ν. Для двох реакцій ∆ν = 1 резулльтати обчислень наведені в табл. 6. Таблиція 6 Константи рівноваги хімічних реакцій T (K) T1 = 800 T2 = 900 T3 = 1000 Kp (Реакції 1) *104 19,145 25,42 31,8080 Kp (Реакції 2)*104 20033,8 20746,26 20632,9 ІІ . Розкладу рівноважної суміші газоподібних реагентів. Аналіз впливу температури і тиску на напрям зміщення хімічної рівноваги 2.1 Для заданої системи хім. Реакції: 2,2-диметилбутан (A) гексан (B) Гексан (В) циклопентан (С) + метан (D) Виразимо константи рівноваги Кр через рівноважні значення : x – кількість молів речовин А, що вступила в реакція, у- кількість молів речовини D, що утворилося в результаті реакції, Р- рівноважний тиск газової суміші. А → B B → C + D Вих : 1 0 0 0 0 Рів : 1-х х -y x-y y y Ni Pi : nA = 1 - x nB = x-y nC = y nD = y ∑ni = 1 – x + x - y + y + y = 1+ y Kp’=(x-y)*P/(1-x) Kp’/P(1-x) – x +y = 0 ↔ Kp’’/P(1+y)(x-y) –y2 =0 Kp’’= y2*P/(1+y)*(x-y) Де Ni – мольна частка і-го комполента в реакційній суміші; Кр’. Кр’’ – константа рівноваги 1-ї 2-ї реакції відповідно Р – рівноважний тиск в системі виражений в Па Для розвязання системи двох нелінійних рівнянь із двлма невідомими було використано стандартний математичний пакет програм MAPLE V RELEASE 5для ЕОМ. Знайдені значення х та у підставлялися в рівнання для розрахунку мольних часток за якими розрахувалися мольні частки компонентів рівноважної суміші Результати розрахунків наведені в табл. 8 і 7 а також графічно зображені на рис. 6 і 7 Залежність складу рівноважної суміші від температури при тиску Р1 = 1,013. 105 Па Таблиція 7 Речовина Склад суміші при температурі Т,К ( Nі , % моль) Т = 800 Т=900 Т=1000 2,2-диметилбутан (А) 94,925 94,916 94,917 Гексан (В) 0,013 0,012 0,013 Циклопентан ( С) 2,531 2,536 2,535 Метан ( D) 2,531 2,536 2,535 / Рис 6:Залежність складу рівноважної суміші від температури при тиску Р1 = 1,013. 105 Па Залежність складу рівноважної суміші від тиску при температури Т=600 К Таблиця 8 Речовина Склад суміші при тиску Р, Па Р = 1.105 P=5.105 P=20.105 2,2диметилбутан (А) 94,993 94,807 94,013 Гексан (В) 0,013 0,009 0,018 Циклопентан( С) 2,497 2,596 2,993 Метан( D) 2,497 2,596 2,993 / Рис 7: Залежність складу рівноважної суміші від тиску при температури Т=900К Висновки 1.a) Коли збільшується температура ∆Ср зменшується. Коли збільшується температура ∆HT збільшується. (d∆H/dT=∆Ср>0) Коли збільшується температура ∆ST збільшується. (d∆H/dT=∆Ср/T>0) б) (d∆G/dT)p= -∆S < 0 Коли збільшується температура ∆GT зменшується. в) dlnKp/dT= ∆H/RT2 ∆H>0 Тому що, коли збільшується температура, тобто зменшується 1/Т значення lnKp збільшується. 2. Для аналізу впливу температури на вихід продуктів реакції скористаємось рівнянням ізобари хімічної реакції dlnKp/dT= ∆H/RT2. Дані реакції відбуваються з поглинанням теплоти (∆H>0). Тому підвищення температури приводить до зміщення положення рівноваги вправо. Вмість рівноважних продуктів зростає. 3. Для аналізу тиску на вихід продуктів реакцій використаємо рівняння Планка: dlnKn/dp= -∆n/p В Першій реакції не змінюється числа молів газоподібних речовини (∆n=0). Тому тиск не впливає на рівновагу. Друга реакція відбувається при зростанні тиску ,рівновага зсунута в бік утворення меншої кількості молів ( вправо). 4. Рекомендація Т=1500К і Р=1,013.105 Па .

Курсова робота Хімія

tapa

28.03.2014 14:31

Коментарі

Ви не можете залишити коментар. Для цього, будь ласка, або зареєструйтесь.

Ділись своїми роботами та отримуй миттєві бонуси!

поділитись