Методическое пособие 235

ФГБОУ ВО «Воронежский государственный технический университет»

Кафедра полупроводниковой электроники и наноэлектроники

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

к выполнению лабораторных работ по дисциплине

“Физическая химия материалов и процессов электронной техники”

для студентов направления подготовки 11.03.04 «Электроника и наноэлектроника», профиля «Микроэлектроника и твердотельная электроника» заочной формы обучения

Воронеж 2016

Составители: канд. физ.-мат. наук Е.П. Николаева, канд. техн. наук Е.П. Новокрещенова

УДК 541.1

Методические указания к выполнению лабораторных работ по дисциплине “Физическая химия материалов и процессов электронной техники” для студентов направления подготовки 11.03.04 «Электроника и наноэлектроника», профиля «Микроэлектроника и твердотельная электроника» заочной формы обучения / ФГБОУ ВО «Воронежский государственный технический университет»; сост. Е.П. Николаева, Е.П. Новокрещенова. Воронеж, 2016. 42 с.

Методические указания включают основные методы расчета химических равновесий, определения степени завершенности и направления химической реакции, а также определения зависимости теплового эффекта химической реакции от температуры. Приведены примеры расчета и библиографический список.

Методические указания предназначены для студентов первого курса направления подготовки 11.03.04 «Электроника и наноэлектроника», профиля «Микроэлектроника и твердотельная электроника» заочной формы обучения.

Методические указания подготовлены в электронном виде в текстовом редакторе MS Word 2003 и содержатся в файле МУ ФХ заочн 2016.doc.

Табл. 4. Библиогр.: 4 назв.

Рецензент канд. техн. наук, доц. Н.Н. Кошелева Ответственный за выпуск зав. кафедрой д-р физ.-мат. наук, проф. С.И. Рембеза

Издается по решению редакционно-издательского совета Воронежского государственного технического университета

© ФГБОУ ВО «Воронежский государственный технический университет», 2016

2

1.4. Теоретическая часть

Для реакции

температурную зависимость теплового эффекта химической реакции r HT определяем по закону Кирхгофа

где СP , СV – изменения молярной теплоемкости в резуль-

тате протекания процесса при P = const или V = const. Для реакции (1.1)

емкостей соответственно продуктов реакции и исходных веществ с учетом стехиометрических коэффициентов ni.

2

т.е. тепловой эффект не зависит от температуры.

При интегрировании уравнения (1.2), если известен тепловой эффект при Т1, получим

где r H1 – тепловой эффект данной химической реакции при

Т = Т1 (обычно 298 К) при условии, что в заданном интервале температур нет фазовых переходов веществ, участвующих в реакции.

3

Например, для реакции (1.1)

Аналогичным образом определяются b, c, c , d. Подставив СР из (1.11) в (1.9), после интегрирования

получим

Если вычислить r HT0 через неопределенный интеграл, получим

где Н0 – постоянная интегрирования, которая определяется обычно из значения теплового эффекта при стандартных условиях.

1.5. Пример расчета

Найти температурную зависимость теплового эффекта реакции

СаСО3 = СаО + СО2,

если известно, что при Т = 1173 К тепловой эффект данной реакции r H11730 = 178,074 кДж/моль. Термодинамические характеристики веществ приведены в таблице.

4

Термодинамические характеристики веществ

Так как C p a bT c T 2 , то

C p aТ bT 2 c T 2 .

Согласно уравнению Кирхгофа (1.15), определяем а, b

и c .

а aCaO аСО2 аСаСО2

49,64 44,14 104,5 10,73 ,

Отсюда

5

Отсюда Н0 = 191141,4.

Тогда уравнение (1.15) для рассматриваемой реакции имеет вид:

На основании этого уравнения можно рассчитать тепловой эффект реакции при любой температуре.

Для определения теплового эффекта, например, при 1300 К подставим значение температуры в полученное уравнение:

= 163869 [Дж/моль].

Для определения расхода теплоты, например, на разложение 1 кг СаСО3 при 1300 К нужно определить число молей п в 1 кг CaCO3, тогда

H 0 r H13000 n ,

H 0 163,869 1000100 1638 [кДж/кг].

6

Если значение теплового эффекта не задано в условии, то для определения Н0 нужно найти тепловой эффект реакции при Т = 298 К, используя справочные значения стандартных теплот образования компонентов реакции f H 2980 .

r H2980 f H2980 ,CaO f H2980 ,CO2 f H 2980 ,CfCO3

635,55 393,51 1206,88 77,82 [кДж/моль].

На основании определенного теплового эффекта r H 2980

находим Н0:

77820 H 0 10,73 298 4,18 10 3 2982 10,46 105 , 298

Н0 = 191149,4.

1.6. Отчет о работе

Отчет о работе должен содержать:

–краткое описание физико-химических свойств каждого компонента реакции с указанием фазовых переходов;

–термодинамические характеристики веществ;

–методику расчета теплового эффекта химической ре-

акции r HT ;

– результаты расчета температурной зависимости теплового эффекта r HT с шагом 100 К, представленные в виде

таблицы и графика;

– выводы.

Оформление отчета должно соответствовать требованиям стандарта предприятия СТП006.

7

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 2 Определение направления и степени завершенности хи-

мической реакции в равновесных условиях

2.1.Цель работы

2.1.1.Определить направление и степень завершенности химической реакции в равновесных условиях.

2.1.2.Определить оптимальные условия реакции в заданном интервале температур.

2.1.3.Рассчитать температурную зависимость стандарт-

ного изменения энергии Гиббса r GT0 и константы равновесия химической реакции K p0 с помощью стандартных термодинамических величин.

2.2.Задание

2.2.1.Рассчитать температурную зависимость стандартного изменения энергии Гиббса и константы равновесия химической реакции в заданном интервале температур с помощью стандартных термодинамических величин.

2.2.2. Построить графики зависимостей lg K p0 f (1T ) и

r GT0 f (T ) .

2.2.3.Определить направление и предел протекания хи-

мической реакции.

2.3. Подготовка к лабораторной работе

Подготовка к лабораторной работе включает:

–изучение основных теоретических вопросов – закона действующих масс, константы равновесия, уравнений изотер-

мы [1, С. 108 – 143; 2, С. 74 – 87, 3, С. 45 – 59];

–изучение методов расчета химических равновесий, приведенных в данных методических указаниях [1, С. 113 –

121].

8