Термодинамический анализ химических реакций с помощью пакета прикладных программ

Министерство  образования и науки Российской Федерации

ФГАО  ВПО «Уральский Федеральный Университет  имени первого Президента России Б. Н. Ельцина»

Кафедра «Металлургии тяжелых цветных металлов»

 

 

 

 

 

 

ОТЧЕТ

по лабораторной работе №3

ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ХИМИЧЕСКИХ РЕАКЦИЙ С ПОМОЩЬЮ ПАКЕТА ПРИКЛАДНЫХ ПРОГРАММ

 

Вариант № 15

 

 

 

                                                                       Руководитель: Агеев Н.Г.

                                                                       Студент: Яковлев А.М.

                                                                       Группа: Мт – 480401б

 

 

 

 

 

Екатеринбург 2012

1. ЦЕЛЬ РАБОТЫ

 

Используя возможности пакета HSC-5 провести термодинамический анализ химических реакций: оценку возможности осуществления реакции в выбранном направлении при заданной температуре, определения величины и знака теплового эффекта реакции, расчета ее константы равновесия.

Для заданной реакции рассчитайте изменение  энтальпии, энтропии, энергии Гиббса и величину константы равновесия. При каких температурах данная реакция  термодинамически возможна? Каков тепловой эффект данной реакции? Является ли она экзо- или эндотермической?

 

 

 

2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ РАБОТЫ

 

Для исследуемой  химической реакции

 

…,   (5)

 

в которой  участвуют исходные вещества  A,B и продукты C,D в количествах, соответствующих стехиометрическим коэффициентам a,b,c,d, программа рассчитывает изменение энтальпии DH_T,   энтропии  DS_T и величину изменения энергии Гиббса DG_T по следующим уравнениям:

 

  (6)

            (7)

,                        (8)

     

где s_i- стехиометрические коэффициенты. Величина константы равновесия для приведенной химической реакции, равная отношению произведений активностей реагирующих веществ, в степенях, равных стехиометрическим коэффициентам

 

 (9)

 

связана с изменением энергии Гиббса:

 

ln

,   (10)

 

где R- универсальная газовая постоянная, равная 8,31 Дж/(моль К), Т- температура.

 

Программа ищет для каждого из веществ-участников химической реакции в базе данных справочные данные: стандартные значения энтальпии и энтропии, коэффициенты полинома для расчета мольной  теплоемкости. Используя эти величины, она рассчитывает энтальпию и  энтропию веществ и определяет энергию  Гиббса при заданной температуре. Далее, в соответствии с приведенными выше формулами, программа рассчитывает термодинамические функции.

Отрицательное значение изменения энергии Гиббса DG для данной химической реакции означает возможность ее осуществления в прямом направлении, при положительной величине DG реакция невозможна.

Тепловой  эффект реакции равен по величине и противоположен по знаку изменению  энтальпии DH, при DH>0 реакция эндотермическая, идет с поглощением теплоты. При DH<0 реакция экзотермическая, сопровождается выделением теплоты.

 

 

3. ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

 

В работе следует  рассчитать с помощью пакета HSC-5 термодинамические характеристики химической реакции, указанной в таблице вариантов. Расчеты изменения энтальпии, энтропии и убыли энергии Гиббса выполняются в заданном интервале температур.

В главном  меню пакета щелкните по кнопке Reaction Equations (Уравнения реакций). Открывается окно с таким названием, в котором имеется поле для ввода уравнения реакции, озаглавленное Reaction Equation or Chemical Formula (Уравнение реакции или химическая формула). Следует, используя правила записи формул, принятые в пакете HSC-5, записать уравнение химической реакции. Например, для следующей химической реакции:

 

Cu₂O+FeS → Cu₂S + FeO

следует записать:

 

Cu2O + FeS = Cu2 S + FeO

 

Указывать значения стехиометрических коэффициентов  необязательно: для того, чтобы их расставить правильно, достаточно щелкнуть по кнопке Balance Equation (Уравнять реакцию), коэффициенты при веществах будут вычислены автоматически. Далее в следующем поле ввода Temperature (Температура) указываем начальную, конечную температуру и шаг, предварительно указав, в каких единицах (градусах Цельсия или Кельвинах) она будет задана. Последнее требует установки значка в виде точки против Celsius или Kelvins соответственно, по умолчанию пакет предлагает градусы Цельсия. При записи уравнения реакции следует обратить внимание на состояние ( Solid, Liquid или Gas) исходных веществ и продуктов. Газообразные продукты реакции требуют обязательного указания, например SO2(g).

С помощью кнопки Peep Database (Просмотреть базу данных) можно предварительно убедиться, что вещества, принимающие участие в реакции, имеются в базе данных.

Щелкнув далее по кнопке Calculate (Вычислить) получим в результате новое окно, в котором в виде таблицы приведены табулированные в заданном интервале температур с назначенным шагом значения ΔH, ΔS, ΔG, а также константы равновесия и ее логарифма (рис.1).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4. ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ

 

В нижней части окна программа выводит  мольные массы всех участвующих  в реакции веществ, количество их молей и массу веществ в граммах. Используя данные о плотностях веществ, программа также рассчитывает объемы реагентов.

 

 

Рис.1. Результаты расчета термодинамических функций для реакции

 

 

Размерность этих величин должна быть предварительно установлена в окне Units (Единицы) либо в Calories (Калории), либо в Joules (Джоули).

 

 

 

 

 

 

Выводы: Как видно на рис.1, значение изменения энергии Гиббса отрицательно во всем диапазоне температур. Это означает, что исследуемая реакция термодинамически возможна во всей области температур. Значение ΔH во всем диапазоне температур отрицательно. Следовательно, реакция идет с выделением тепла, т.е. является экзотермической.

Тепловой  эффект реакции равен:

ΔH = ΔH₁ + ΔH₂=-74,872+(-67,068) = - 141,94 кДж

Следовательно в ходе реакции (0-1000 С) выделяется 141,94 кДж теплоты.