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

Перехід до торгівельного партнера Binance

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 14:03-

Коментарі

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

Ділись своїми роботами та отримуй миттєві бонуси!

Маєш корисні навчальні матеріали, які припадають пилом на твоєму комп'ютері? Розрахункові, лабораторні, практичні чи контрольні роботи — завантажуй їх прямо зараз і одразу отримуй бали на свій рахунок! Заархівуй всі файли в один .zip (до 100 МБ) або завантажуй кожен файл окремо. Внесок у спільноту – це легкий спосіб допомогти іншим та отримати додаткові можливості на сайті. Твої старі роботи можуть приносити тобі нові нагороди!

поділитись