Текст работы

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. Al2O3(T)+3SO3(Г)→Al2(SO4)3(T)
Определить ∆Н, ∆U, ∆S, ∆F, ∆G реакции при постоянном давлении р = 1,013*105 Па и Т = 450 К.

Справочные материалы.

Вещество	∆Нf,298,0кДж/моль	S298,0Дж/моль*К	∆Gf,298,0кДж/моль	Коэффициенты уравнения Cр0=f(T)
				a	b*103	c,*10-5
Al2O3(T)	-1675,69	50,92	-1582,27	114,55	12,89	-34,31
SO3(Г)	-395,85	256,69	-371,17	64,98	11,75	-16,37
Al2(SO4)3(T)	-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):

∆Нr0(298)= ∆Hf(298)Al2(SO4)3-(∆Hf0(298)Al2O3(Г)+3∆Hf0(298)SO3(Г))
∆Hf298=-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
∆HrT=∆Hr0298+298T∆a+∆bT+∆c,T2dT
∆a = aAl(SO4)3-(aAl2O3+3*aSO3)=366,31-(114,55+3*64,98)=56,82
∆b = bAl(SO4)3-(bAl2O3+3*bSO3)=62,59-(12,89+3*11,75)=14,45*10-3
∆c,= c,Al(SO4)3-(c,Al2O3+3*c,SO3)=-112,47-(-34,31-3*16,37)=-29,05*105
∆Hr(450)=-578560+298450(56,82+14,45*103T-29,05*105/T2)dT= -578560+56,82298450dT+14,45*10-3 298450TdT-29,05*105298450dT/T2= -578560+56,82(450-298)+14,45*10-3/2*(4502-2982)-29,05*105((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=∆nконеч.-∆nисх.= 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:

∆Sr0(298) = S0(298)Al2(SO4)3(T)- (S0(298)Al2O3(T) + 3*S0(298)SO3(Г))
∆Sr0(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 ∆SТ, К∆Н, кДж∆U, кДж∆G,кДж/моль∆F, кДж∆S, Дж298-578,56-571,13-405,19-397,76-581,79450-572,39-561,17-317,996-306,78-565,32
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 ΔH, ΔU, ΔS, ΔF, ΔG, реакции при постоянном давлении P=1.013 * 105 Па.

СdO(т) + H2SO4 (ж) = CdSO4 (т) + H2O (г)

Реакция протекает при температуре 511 градусов Цельсия .

Исходные данные

Вещест-во	ΔHf˚298 кДж/моль	S˚298 Дж/моль*К	ΔGf˚298 кДж/моль	Ср298 Дж/моль*К	Коэф. уравнения Ср˚= f(T)
					a	b * 103	c΄ * 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

ΔНr˚ (298) = (ΔНf˚ (298) CdSO4 + ΔНf˚ (298) H2O) – (ΔНf˚ (298) CdO + ΔНf˚ (298) H2SO4)
ΔНr˚ (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

ΔH(T) = ΔНr˚ (298) + 298T(Δa+ ΔbT+ Δc΄/ T2 )dT;
Δa = ( Δa CdSO4+ Δa H2O) - ( Δa CdO+ Δa H2SO4)
Δa = (77,32+30,00) – (48,94+156,90) = -97,82 ;
Δb = (Δb CdSO4+ Δb H2O) - (Δb CdO+ Δb H2SO4)
Δb = (77,40+10,71) – (6,38+28,30) = 53,43 * 10-3
Δc΄ =( Δc΄CdSO4+ Δc΄H2O) - (Δc΄CdO+ Δc΄H2SO4)
Δc΄ = (0 + 0.33) – (-4,90-23,46) = 28,69 * 105

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

ΔH(511) = -103,24 * 103 + 298511(-97,82+ 53,43*10-3T+ 28,69*105/ T2 )dT =
= -103,24 * 103 + (-97,82) * (511-298) + 53,43* 10-32 * (5112 – 2982) + 28,69* 105* 511-298511*298= -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

ΔU = ΔН – ΔnRT
Δn = Δnкон. – Δnнач
Δn=1-0=1

Газовая постоянная R = 8.314 Дж/моль*К

ΔU(298)= ΔНr˚ (298) –Δn*R*T
ΔU(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

ΔU(511)= ΔНr˚ (511) –Δn*R*T
ΔU(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

ΔS˚ (298) = (S (298) Cd SO4 + S (298) H2O) – (S(298) Cd O + S (298) H2SO4)
ΔS˚ (298) = (123,05+188,72)-( 54,81+156,90)= 100,06 ДжК
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.

ΔS(T) = ΔS˚ (298) + 298T(Δa+ ΔbT+ Δc΄/ T2 )dT/T ;
ΔS (511) = 100,06 + 298511(-97,82+53,43* 10-3 Т+ 28,69*105Т2)dTT = 100,06 – 97,82298511dTT + 53,43 * 10-3 298498dT + 28,69 * 105 298498dTT3 = 100,06 – 97,82 ln511298 + 53,43 * 10-3 * (511-298) + 28,96* 1052 * (5112 - 29825112* 2982) = 121,66 ДжК
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

ΔGr˚ (298) = (G (298) Cd SO4 + G (298) H2O) – (G (298) Cd O + G(298) H2SO4)
ΔGr˚ (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 ΔGr˚ 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	ΔH, кДж	ΔU, кДж	ΔS, ДжК	ΔG, кДж/моль	ΔF, кДж
298	-103,24	-105,72	100,06	-133,02	-135,53
511	-115,42	-119,67	121,66	-181,63	-185,87