Основы физической химии

Министерство науки и образования Российской Федерации

Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

"Пермский государственный технический университет"

Березниковский филиал

Кафедра химической технологии и экологии

Расчетная работа

Основы физической химии

2010



1. Задание.

Определить ?Н, ?U, ?S, ?F, ?G реакции при постоянном давлении р = Па и Т = 450 К.

Справочные материалы.

Вещество	? кДж/моль	Дж/моль*К	? кДж/моль	Коэффициенты уравнения
				a	b*
	-1675,69	50,92	-1582,27	114,55	12,89	-34,31
	-395,85	256,69	-371,17	64,98	11,75	-16,37
	-3441,80	239,20	-3100,87	366,31	62,59	-112,47

1.1 Расчет теплового эффекта реакции

Расчет теплового эффекта реакции в изобарном процессе в стандартных условиях (H):

?= ?-(?)

?-3441,80-(-1675,69+3(-395,85))=-578,56 кДж

Вывод: В стандартных условиях данный процесс является экзотермический, реакция идет с выделением тепла.

Расчет теплового эффекта реакции в изобарном процессе при заданной температуре(H):

?с=0, т.к. все вещества неорганические

?

?a ==366,31-(114,55+3*64,98)=56,82

?b ==62,59-(12,89+3*11,75)=14,45*1

?=)=-112,47-(-34,31-3*16,37)=-29,05*1

?=-578560+56,82+14,45*1T-29,05*1/)dT= -578560+56,82+14,45*1 -29,05*1= -578560+56,82(450-298)+14,45*1/2*(45-29)-29,05*1((450-298)/298*450)=-578560+8636,64+821,45-3292,77=-572,39 кДж

Вывод: При увеличении температуры на 152 К тепловой эффект реакции изменился на 6,17 кДж, реакция осталась экзотермической.

Расчет теплового эффекта реакции в изохорном процессе в стандартных условиях(U):

?Н=?U+p?V ; ?U=?H-p?V

p?V=?nRT

?U=?H-?nRT

?n=??= 0 - 3 = -3; ?n = -3

R=8,314 Дж/моль*К

?U(298)=-578,56-(-3)*0,008314*298=-571,13 кДж

Вывод: В изохорно-изотермическом процессе, при стандартных условиях реакция протекает с выделением тепла, т.е. процесс экзотермический.

Расчет теплового эффекта реакции в изохорном процессе при заданной температуре (U):

?U(450)=-572,39-(-3)*0,008314*450=-561,17 кДж



Вывод: При увеличении температуры на 152 К тепловой эффект данной реакции в изохорно-изотермическом процессе уменьшился на 9,96 кДж, реакция идет с выделением тепла.

1.2 Определение направления протекания химического процесса

Определение направления протекания реакции в изолированной системе (S):

а) в стандартных условиях:

?(298) =(298- ((298 + 3*(298)

?(298) =239,2-(50,92+3*256,69)=-581,79 Дж

Вывод: При взаимодействии оксида алюминия с оксидом серы (VI) в изолированной системе получилось, что ?S<0, поэтому процесс невозможен.

б) при заданной температуре:

?с=0, т.к. все вещества неорганические

?(T)=?(450)+

?(450)=-581,79+56,82+14,45*1*T-29,05*1/)dT/T= -581,79+56,82+14,45*1-29,05*1= -581,79+56,82*ln450/298+14,45*1(450-298)- 29,05*1*1/2*((45-29/29*45)=-581,79+23,42+2,196-9,15=-565,32 Дж

Вывод: При увеличении температуры на 152 К энтропия увеличилась на 16,466 Дж, но осталась отрицательной. В изолированной системе процесс невозможен. Расчет изобарно-изотермического потенциала (G):

а) в стандартных условиях



?(298) =(298- ((298 + 3*(298)

?(298) =-3100,87-(-1582,27+3*(-371,17))=-405,13 кДж/моль

Вывод: При взаимодействии оксида алюминия с оксидом серы (VI) в стандартных условиях ?G<0, поэтому процесс самопроизвольный.

?(298) = ?Н(298)-Т?(298)

?(298) = -578560-298*(-581,79)=-405,19 кДж

% ош.=((-405,13+405,19)/(-405,13))*100=0,01% ,

т.к процент ошибки очень мал, следовательно, можно использовать для расчета оба метода.

Вывод: В закрытой системе изобарно-изотермический процесс будет протекать самопроизвольно, т.к. ?G<0.

б) при заданной температуре

?(450) = ?Н(450)-450*?(450)

?(450) = -572390-450*(-565,32)=-317,996 кДж

При увеличении температуры на 152 К, энергия Гиббса увеличилась на 87,194 кДж, отсюда следует, что чем больше температура, тем больше энергия Гиббса. В закрытой системе изобарно-изотермический процесс остался самопроизвольным, т.к. ?G<0. Дальнейшее повышение температуры не выгодно, т.к. ?G стремится к нулю и процесс от самопроизвольного перейдет в равновесный, а затем в не самопроизвольный.

Расчет изохорно-изотермического потенциала (F):

а) в стандартных условиях

1 способ:



?F = ?U-T?S

?F(298)=-571130-298*(-581,79)=-397,76 кДж

2 способ:

?F(298)=?G-?nRT

?F(298)=-405,13-(-3)*298*0,008314=-397,7 кДж

%ош.=((-397,76+397,7)/(-397,76))*100=0,02%,

т.к процент ошибки очень мал, следовательно, можно использовать для расчета оба метода.

Вывод: В закрытой системе при стандартных условиях изохорно-изотермический процесс будет протекать самопроизвольно, т.к. ?F<0.

б) при заданной температуре

1 способ:

?F(450)= -561170-450*(-565,32)=-306,78 кДж

2 способ:

?F(450)=-317,996-(-3)*450*0,008314=-306,78 кДж

%ош.=((-306,78-306,78)/(-306,78))*100=0%,

т.к процент ошибки равен нулю, следовательно, можно использовать для расчета оба метода.

Вывод: При увеличении температуры энергия Гельмгольца увеличилась. В закрытой системе изохорно-изотермический процесс будет протекать самопроизвольно.

Вывод:

Т, К	?Н, кДж	?U, кДж	?G,кДж/моль	?F, кДж	?S, Дж
298	-578,56	-571,13	-405,19	-397,76	-581,79
450	-572,39	-561,17	-317,996	-306,78	-565,32



С увеличением температуры тепловые эффекты изобарно-изотермического и изохорно-изотермического процессов увеличились.

В данной работе ?Н, ?S, ?G получились отрицательными, отсюда следует, что процесс протекает самопроизвольно, но при невысоких температурах.

При увеличении температуры энергия Гиббса и энергия Гельмгольца увеличились, значит система стремиться к равновесию (в условиях равновесия ?F, ?G достигают минимума).



2. Задание: Определить ДH, ДU, ДS, ДF, ДG, реакции при постоянном давлении P=1.013 * 10⁵ Па.

СdO_(т) + H₂SO_{4 (ж)} = CdSO_{4 (т)} + H₂O _(г)

Реакция протекает при температуре 511 градусов Цельсия .

Исходные данные

Вещест-во	ДHf?298 кДж/моль	S?298 Дж/моль*К	ДGf?298 кДж/моль	Ср298 Дж/моль*К	Коэф. уравнения Ср?= f(T)
					a	b * 103	cґ * 10-5
H2O	-241,81	188,72	-228,61	33,61	30,00	10,71	0,33
CdO	-258,99	54,81	-229,33	43,64	48,24	6,38	-4,90
H2SO4	-813,99	156,90	-690,14	138,91	156,9	28,3	-23,46
Cd SO4	-934,41	123,05	-828,88	99,62	77,32	77,40	-

2.1 Расчёт теплового эффекта реакции

Расчёт теплового эффекта реакции в изобарном процессе в стандартных условиях

ДН_r^? ₍₂₉₈₎ = (ДН_f^? _{(298) CdSO4} + ДН_f^? _{(298) H2O}) - (ДН_f^? _{(298) CdO} + ДН_f^? _{(298) H2SO4})

ДН_r^? ₍₂₉₈₎ = (-934,41 - 241,81) - (-258,99 - 813,99) = -103,24 кДж.

Вывод: При реакции в стандартных условиях ,произошло выделение тепла в количестве 103,24 кДж как следствие реакция является экзотермической.

Расчёт теплового эффекта реакции в изобарном процессе при заданной температуре



ДH_(T) = ДН_r^? ₍₂₉₈₎ + ;

Дa = ( Дa _CdSO4+ Дa _H2O) - ( Дa _CdO+ Дa _H2SO4)

Дa = (77,32+30,00) - (48,94+156,90) = -97,82 ;

Дb = (Дb _CdSO4+ Дb _H2O) - (Дb _CdO+ Дb _H2SO4)

Дb = (77,40+10,71) - (6,38+28,30) = 53,43 * 10^-3

Дcґ =( Дcґ_CdSO4+ Дcґ_H2O) - (Дcґ_CdO+ Дcґ_H2SO4)

Дcґ = (0 + 0.33) - (-4,90-23,46) = 28,69 * 10⁵

Дc = 0, т.к. все вещества неорганические.

ДH₍₅₁₁₎ = -103,24 * 10³ + =

= -103,24 * 10³ + (-97,82) * (511-298) + * (511² - 298²) + -103240 - 20835,66 + 4603,45 + 4050,80 = -115,42 kДж.

Вывод: Увеличение температуры привело к увеличению количества теплоты выделившегося в следствии реакции.

Расчёт теплового эффекта реакции в изохорном процессе в стандартных условиях

ДU = ДН - ДnRT

Дn = Дn_кон. - Дn_нач

Дn=1-0=1

Газовая постоянная R = 8.314 Дж/моль*К



ДU₍₂₉₈₎= ДН_r^? ₍₂₉₈₎ -Дn*R*T

ДU₍₂₉₈₎ = -103,24 * 10³ -1 * 8,314 * 298 = -103240 - 2477,57 = -105,72 кДж.

Вывод: Внутренняя энергия реакции в изохорном процессе составила 100,76 килоджоуля.

Расчёт теплового эффекта реакции в изохорном процессе при заданной температуре

ДU₍₅₁₁₎= ДН_r^? ₍₅₁₁₎ -Дn*R*T

ДU₍₅₁₁₎ = -115,42 * 10³ - 1 * 8,314 * 511 = -115420 - 4248,45 = - 119,67 кДж.

Вывод: Как и в изобарном процессе увеличение температуры приводит к увеличению внутренней энергии реакции на 18,91 кДж.

2.2 Определение направления протекания химического процесса

Определение направления протекания данной реакции в изолированной системе

Определение направления протекания реакции в стандартных условиях

ДS^? ₍₂₉₈₎ = (S _{(298) Cd SO4} + S _{(298) H2O}) - (S_{(298) Cd O} + S _{(298) H2SO4})

ДS^? ₍₂₉₈₎ = (123,05+188,72)-( 54,81+156,90)= 100,06

Вывод: Так как энтропия S больше ноля 100,06>0 то процесс реакции в изолированной системе протекает самопроизвольно без внешнего воздействия. Определение направления протекания реакции при заданной температуре.



ДS_(T) = ДS^? ₍₂₉₈₎ + ;

ДS ₍₅₁₁₎ = 100,06 + = 100,06 - 97,82 + 53,43 * 10^-3 + 28,69 * 10⁵ = 100,06 - 97,82 + 53,43 * 10^-3 * (511-298) + * = 121,66

Вывод: Изменение температуры привело к увеличению энтропии по сравнению с процессом при стандартных условиях . Следовательно повышение температуры ведёт к увеличению неупорядоченности и увеличению количества соударений молекул при реакции.

Определение направления протекания химического процесса в закрытой системе

Расчёт изобарно - изотермического потенциала в стандартных условиях

ДG_r^? ₍₂₉₈₎ = (G _{(298) Cd SO4} + G _{(298) H2O}) - (G _{(298) Cd O} + G_{(298) H2SO4})

ДG_r^? ₍₂₉₈₎= (-823,88 - 228.61) - (-229,33 - 690.14) = -133,02 кДж/моль.

Вывод: Изобарно - изотермический потенциал показывает что процесс в закрытой системе идёт самопроизвольно ДG_r^? < 0 ; -133,02<0 .

Произведем расчет изобарно - изотермического потенциала по другой формуле:

ДG_r^? ₍₂₉₈₎ = ДН_r^? ₍₂₉₈₎ - Т* ДS^? ₍₂₉₈₎

ДG_r^? ₍₂₉₈₎ = -103,24 * 10³ - 298 * 100,06 = -133,06 кДж/моль.

Найдем процент ошибки:



% ошибки =

Расчет можно производить любым способом, т.к. процент ошибки не существенен. Расчёт изобарно - изотермического потенциала при заданной температуре

ДG_r^? ₍₅₁₁₎ = ДН_r^? ₍₅₁₁₎ - Т* ДS^? ₍₅₁₁₎

ДG_r^? ₍₅₁₁₎ = -119,46 * 10³ - 511 * 121,66 = -181,63 кДж/моль.

Вывод: Увеличение температуры никак не повлияло на процесс реакции в закрытой системе, она по прежнему идёт самопроизвольно ДG_r^? < 0; -181,63<0. Расчёт изохорно - изотермического потенциала в стандартных условиях.

ДF₍₂₉₈₎ = ДU₍₂₉₈₎ - T* ДS^? ₍₂₉₈₎

ДF₍₂₉₈₎ = -105,72 * 10³ - 298 * 100,06 = -135,53 кДж.

Вывод: Изохорно - изотермический потенциал показывает что процесс в закрытой системе идёт самопроизвольно ДF < 0 ; -135,53<0

Расчёт изохорно - изотермического потенциала при заданной температуре

ДF₍₅₁₁₎ = ДU₍₅₁₁₎ - T* ДS^? ₍₅₁₁₎

ДF₍₅₁₁₎ = - 123,70 * 10³ - 511 *121,66 = -185,87кДж.

Вывод: Изменение температуры привело к уменьшению потенциала по сравнению с процессом при стандартных условиях, а это означает что глубина реакции в закрытой системе увеличилась ДF < 0 ; -185,87>0.



Вывод

Рассмотренная реакция оксида кадмия и серной кислоты идёт самопроизвольно на это указывают все характеристики реакции, а рассмотренное увеличение температуры реакции её ничуть не замедляет. Всё это позволяет сделать вывод о том что увеличение температуры реакции позволяет увеличить её глубину и полноту. При этом реакция останется самопроизвольной.

T, K	ДH, кДж	ДU, кДж	ДS,	ДG, кДж/моль	ДF, кДж
298	-103,24	-105,72	100,06	-133,02	-135,53
511	-115,42	-119,67	121,66	-181,63	-185,87