Реферат: Основы физической химии

Министерство науки иобразования 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

1.1Расчет теплового эффекта реакции

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

∆= ∆-(∆)

∆-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(DH):

∆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(DU):

∆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 (DU):

∆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 (DS):

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 (DG):

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 (DF):

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 ΔH, ΔU, ΔS, ΔF, ΔG, реакции при постоянном давлении P=1.013 * 105 Па.

СdO(т) + H2 SO4(ж) = CdSO4 (т) + H2 O (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
H2 O	-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
H2 SO4	-813,99	156,90	-690,14	138,91	156,9	28,3	-23,46
CdSO4	-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) + ;

Δa = ( ΔaCdSO4 + ΔaH2O )- ( ΔaCdO + ΔaH2SO4 )

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

Δb = (ΔbCdSO4 + ΔbH2O )- (ΔbCdO + ΔbH2SO4 )

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 + =

= -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

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

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) + ;

ΔS(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

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; -133,02<0 .

Произведем расчет изобарно – изотермического потенциала по другой формуле:

ΔGr˚ (298) = ΔНr˚ (298) — Т* ΔS˚ (298)

ΔGr˚ (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

ΔGr˚ (511) = ΔНr˚ (511) — Т* ΔS˚ (511)

ΔGr˚ (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 ΔGr˚ < 0; -181,63<0. Расчёт изохорно – изотермического потенциала в стандартных условиях.

ΔF(298) = ΔU(298) – T* ΔS˚ (298)

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

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

Расчёт изохорно – изотермического потенциала при заданной температуре

ΔF(511) = ΔU(511) – T* ΔS˚ (511)

ΔF(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 ΔF< 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	ΔH, кДж	ΔU, кДж	ΔS,	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