Добавил:

Y-FT-WE Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.

Вуз:

Санкт-Петербургский государственный технологический институт (технический университет)

Предмет:

Физическая химия

Файл:

var1_podv1

.pdf

Скачиваний:

Добавлен:

25.11.2025

Размер:

1.49 Mб

Скачать

☆

1 / 31 2 3 > Следующая >>>

Многовариантное задание №1

«Расчет степени превращения, равновесного состава и выхода продукта химической реакции и выбор оптимальных условий проведения процесса»

Решение:

Сводим необходимые справочные данные в таблицу.

Таблица 1. Справочные данные для веществ, участвующих в реакции

	i	, моль
	i

H	0	,	кДж
H	f ,298	,	моль
	f ,298

S	0	,	Дж
S	298	,				моль K
	298

0					Дж
C p,298 500				,	Дж
C p,298 500				,		моль K
						моль K

N2	H2
1	3
0	0
191,50	130,52
29,58	28,92

NH	3

2
-45,94

192,66

38,84

1. На основании значений теплот образования веществ

0 f ,298

из «Краткого справочника

физико-химических величин» [2] определите изобарный тепловой эффект химической

реакции А (таблица 1.1)

Q		H
			0
	p	r	298

(в кДж) при условии, что все вещества, участвующие

в реакции, находятся в идеальном газообразном состоянии.

1. Рассчитаем тепловой эффект реакции А при Т=298 К (
r H	298	i H f ,298	i H f ,298
	0	0	0
H		i кон. в ва	i исх. в ва
H	0	2 45.94 1 0 3 0 91.88кДж
	0
r	298

0 298

) по закону Гесса:

2. Определите изменение числа молей газообразных веществ реакции А при 298К и

стандартном давлении.
2. Изменения числа молей газообразных вещества в ходе реакции:
	i		i		2 1 3 2моль - реакция протекает с уменьшением
	i	кон. в в а	i	исх. в в а

количества газообразных веществ.

3. Рассчитайте работу (в кДж), совершаемую в реакции А против внешнего давления при p = const и T = 298 K.

3. Работа системы против внешнего давления при p=const и T=298К

W v R T 2моль 8,314	Дж	298К 4955 Дж 4.96кДж
	моль
		К

4. Определите изохорный тепловой эффект химической реакции А QV rU 2980 при

условии, что все вещества, участвующие в реакции, находятся в идеальном газообразном состоянии.

4.Взаимосвязь изобарного и изохорного тепловых эффектов:

r HT0 rUT0 RT , откуда

rUT0 r HT0 RT

Тогда:

rUT0 91880 Дж 2 8,314 298 86925 Дж 86.925кДж

5. На основании данных из справочника [2] определите изменение средней теплоемкости в

системе в результате реакции А

		0
	r	C P,298 T
	r

(в Дж/К). Температуру Т для своего варианта

возьмите из таблицы 1.1.

5. Определим изменение средней теплоемкости для нашей реакции в интервале температур 298÷500 К

C p,298 500

кон. в ва

исх. в ва

2 38.84 1 29.58 3 28.92 38.66 Дж / K

C p,298 500

6. Определите тепловой эффект реакции А при температуре T и стандартном давлении

r HT0 (в кДж), используя найденные ранее значения

	r

	H	0
	H	298
		298

и r C 0P,298 T .

6. Определим тепловой эффект при заданной температуре Т=500 К для нашей реакции. Тепловой эффект при заданной температуре находится по интегральной форме уравнения Кирхгофа:

			T	0
0	r H	0		0
0		0	r C P,298 T dT
r HT		298	r C P,298 T dT
			298

При использовании средних теплоемкостей, интеграл легко берется т.к.

		0
	r	C P,298 T
	r

не

зависит от температуры. Выражение для теплового эффекта при заданной температуре:

	H 0			H 0			0P,298 T (T 298)
	H 0			H 0		C	0P,298 T (T 298)
r		T	r	298	r
	H	0	91880 38.66 500 298 99689 Дж 99.689кДж
	H	500	91880 38.66 500 298 99689 Дж 99.689кДж
r		500

7. Установите, как будет меняться тепловой эффект химической реакции А при повышении температуры. Ответ аргументируйте, используя соответствующие уравнения химической термодинамики.

Анализ влияния температуры на тепловой эффект:

По уравнению Кирхгофа:
H	0	C
	0
r	T
r	T
T			r	p
T			H
			H		0
					0
				r	T	<0 => с увеличением температуры r	0
r C p <0 =>				r	T		HT	будет уменьшаться
r C p <0 =>				T			HT	будет уменьшаться
				T

(становится более отрицательным).

8. Определите изменение энтропии системы (в Дж/К) в результате химической реакции А (таблице 1.1), протекающей между веществами в идеальном газообразном состоянии при стандартном давлении и температуре 298 К. Значения стандартной энтропии для веществ возьмите из справочника [2].

8. Определим изменение энтропии в ходе реакции при 298К

0	i	0		i	0
r S298	i	S298		i	S298
		i	кон. в в а		i	исх. в в а
r S2980	2 192.66 1 191.50 3 130.52 197.74 Дж / K
						0

9. Рассчитайте изменение энтропии

r ST

(в Дж/К) в результате реакции А при

температуре Т и стандартном давлении, используя рассчитанные в п. 1.8. значения

изменения энтропии при температуре 298 К и r C 0P,298 T . 9. Определим изменение энтропии для реакции при T=500К

		0			0		0
	S			S			C P,298 T
		T			298
r			r			r

	ln	T
	ln	298
		298

	S	0	197.74	38.66 ln	500	217.75	Дж

		500
r					298		К

10. Определите изменение стандартной энергии Гиббса

реакции А при температуре 298 К и при температуре Т. 10. Определим изменение энергии Гиббса при Т = 298 К

0	(Дж) для химической
r GT

и Т = 500 К и давлении р=1 атм.

r GT0 r HT0 T r ST0

r G2980 91880 298 197.74 32953 Дж

	G	0	99689 500 217.75 9186 Дж

r	500

11. Рассчитайте термодинамическую константу равновесия K a реакции А при

температуре 298 К и температуре Т.

11. Рассчитаем константу равновесия для нашей реакции при Т= 298 К и Т= 500 К:

rGT0

Ka,T e RT

K		e		32953	5.98 10
K		e	8.314 298		5.98 10	5
			8.314 298			5
	a,298
				9186
K		e		8.314 500	1.10 10	1
K		e			1.10 10	1

	a,500

12. Определите глубину превращения ξ в реакции A при температуре Т и атмосферном давлении при условии, что исходные вещества взяты в стехиометрических количествах.

12.

Запишем выражение для константы равновесия:

Чтобы выразить константу равновесия через химическую переменную, выразим равновесные количества вещества для каждого газа через их исходные количества и изменения, произошедшие к моменту наступления равновесия.

Таблица 2. Выражение количества вещества через химическую переменную

			n0,i	, моль
			ni , моль
			ni , моль
n 1			3 3 2 4 2
K		nNH2 3			n	2		2 2
	a
			nH3				1	3	3 3
		nN	nH3	2	P		1	3	3 3
			2	2

N	2

1

1

4 2 2

		H	2

		3
		3
		3 3
		16 2 2 2

		27 1 4

NH	3
	3
0
2
2

Определим глубину превращения для реакции А при стехиометрическом соотношении исходных веществ, атмосферном давлении и Т= 298 К и Т= 500 К:

а) 298К

Ka,298 5.98 105

16				2					2
16					2									5.98 10	5
															5
								4
								4
		27 1
		2							27					5.98 10	5		1004.55
															5
					2				16
					2
	1
2					2	1004.55 2009.1 1004.55												2
2						1004.55 2009.1 1004.55
1005.55							2	2011.1 1004.55 0
1005.55								2011.1 1004.55 0
			2011.1											2		1005.55 1004.55
			2011.1							2011.1 4						1005.55 1004.55			0.96846
														2 1005.55					0.96846
														2 1005.55
0.96846
б) 500К
	K				1.10 10							1
	K	a,500			1.10 10
		a,500
16 2					2 2						1.10 10 1
		27 1 4									1.10 10 1
		27 1 4
		2							27				1.10 10		1		0.4308
															1
					2				16
	1								16

2 2 1.4308

0.4308 0.86162.8616 0.4308

0.4308	2
0.4308
0

	2.8616	2.8616	2	4	1.4308	0.4308
							0.1640
		2 1.4308

0.1640

13. Определите глубину превращения ξ в реакции A при температуре Т и атмосферном давлении при условии, что исходные вещества взяты в количествах, указанных в таблице 1.2.

13.

n	N	2	0.2моль
0		2
n	H	2	2.0моль
0		2

Таблица 3. Выражение количества вещества через химическую переменную

n0,i , моль

ni , моль

n 0.2 2.0 3 2 2.2 2

N	2

0,2

2,0

2.03

NH	3
	3
0
2
2

K		nNH2		3		n 2		2 2	2.2 2 2	16 2		1.1	2
	a
			nH3				0.2	2.0 3 3	P2	0.2	2.0		3 3
		nN	nH3		2	P	0.2	2.0 3 3	P2	0.2	2.0		3 3
			2		2

Определим глубину превращения для реакции А при заданном количестве исходного вещества, атмосферном давлении и Т= 298 К и Т= 500 К:

а) 298К

Ka,298 5.98 105

16 2 1.1 2 3 5.98 105

0.22.0 3

0.2 3.16 10	7	0.199999684

б) 500К

Ka,500 1.10 10 1

16 2 1.1 2 3 1.10 10 1

0.22.0 3

0,06981

14. Определите степень превращения исходных веществ при условиях 12 и 13.

14.

Степень превращения при температуре Т и стехиометрическом соотношении

			n		n	N					1 1 0.1640
			0,N	2		N		2		100%	1 1 0.1640	100% 16.40%
				2				2		100%		100% 16.40%
	N	2	n								1
				0,N
					2
			n		n		H				3 3 3 0.1640
			0,H	2			H		2	100%	3 3 3 0.1640		100%			16.40%
				2					2	100%			100%			16.40%
	H	2	n								3
				0,H
					2
При заданном количестве исходного вещества:
			n		n	N					0.2 0.2 0.06981
			0,N	2		N		2		100%	0.2 0.2 0.06981			100%			34.91%
				2				2		100%				100%			34.91%
	N	2	n								0.2
		2
				0,N
					2
			n		n		H				2.0 2.0 3 0.06981
			0,H	2			H		2	100%	2.0 2.0 3 0.06981				100%			10.47%
				2					2	100%					100%			10.47%
	H	2	n								2.0
		2
				0,H
					2

15. Определите состав равновесной смеси в %(мол.) для химической реакции А при температуре Т и атмосферном давлении при условиях 1.12 и 1.13.

15.

Определим равновесный состав (в мольных %) при Т = 500К при стехиометрическом и соотношении реагентов.

0.1640

		n
X		i	100%
X	i	i	100%
	i	n
		n
n 4 2 3.672

X	N
	2

1		1 0.1640	0.22767
4	2	3.672

X	H
	2

3 3		3 3 0.1640	0.68301
4	2	3.672

X	NH
	3

	2	2 0.1640	0.08932
			0.08932
4	2	3.672

500К при заданном соотношении:

0,06981

Xi nini 100%

n 2.2 2 2.06038

X X X

	0.2
	2.2	2

	2.0 3
	2.2	2

		2

3	2.2 2

0.2 0,06981 0.06319

2.06038

2.0 3 0,06981 0.86905

2.06038

2 0,06981 0.06776

2.06038

16. Установите, равновесия K a

как влияет повышение температуры на термодинамическую константу и равновесный выход продуктов химической реакции А. Ответ

аргументируйте, используя соответствующие уравнения химической термодинамики. Сопоставьте сделанные выводы с расчетными значениями констант равновесия.

16.

Проведем анализ влияния температуры на константу равновесия. При Т=298 К и Т= 500 К реакция экзотермическая. Для анализа используем дифференциальную форму уравнения изобары химической реакции:

ln K				H
					0
		a		r	T

	T			RT	2
			p

которая является производной функции

ln K	a
	a

при постоянном давлении и меньше

нуля, это является признаком убывания функции. Т.о. с ростом температуры константа равновесия уменьшается => уменьшается и выход продуктов реакции.

Данный вывод соответствует найденным значения констант равновесия и глубины превращения:

При 298К

Ka,298 5.98 105

0.96846

При 500К

Ka,500 1.10 10 1

0.1640

17. Установите, как влияет повышение общего давления на равновесный выход продуктов химической реакции А. Ответ аргументируйте.

N	2	3H	2	2NH	3

T 500К

17. Повышение давления смещает равновесие в сторону продукта реакции (вправо),

как прямая реакция протекает с уменьшением количества газообразных веществ
=> равновесный выход продуктов увеличивается.

так

Многовариантное задание №2 «Расчет равновесных парциальных давлений гетерогенной химической реакции»

Fe CO FeO CO
2
T 500К
Решение:
Выписываем необходимые справочные данные:
				Таблица 4. Справочные данные для веществ, участвующих в реакции
					Fe (тв)	CO2 (г)	FeO (тв)	CO (г)
			i , моль		1	1	1	1

			H 0 ,	кДж	0	-393,51	-264,85	-110,53
			f ,298	моль
			f ,298

			S 0 , Дж		27,15	213,66	60,75	197,55
	298			моль K
	298

			0p,298 500 ,	Дж
		C	0p,298 500 ,	Дж	27,12	42,02	52,01	29,74
				моль K

1. Определите константу равновесия Ka химической использованием средних изобарных теплоемкостей.

1. Определение константы равновесия при 500К

Изменение энтальпии при 298К					H f ,298
r H	298	i H f ,298		i	H f ,298
	0	0			0
H		i	кон. в ва		i	исх. в ва
H	0	1 264.85 1 110.53 1 0 1 393.51
	0
r	298

реакции В при температуре T с

18.13кДж

Изменение энтропии при 298К
S	0			S	0
	0				0
r	298		i		298i	кон. в в а
r S2980		1 60.75 1 197.55 1

		S
		0
	i	298i

27.15

исх. в в а

1 213.66 17.49 Дж / K

Изменение

	0
	C p,298 500
r

теплоемкости:

i	0
	C p,298 500

		0
	i	C p,298 500
кон. в ва			исх. в ва

	0
	C p,298 500
r

1 52.01 1 29.74 1 27.12 1 42.02 12.61Дж / K

Изменение энтальпии при 500К

H 0 H 0 C 0 (T 298)

r T r 298 r P,298 T

r H5000 18130 12.61 500 298 20677 Дж 20.677кДж

Изменение энтропии при 500К

	S	0			0		0
				S			C P,298 T
		T			298
r			r			r

	ln	T
	ln	298
		298

r S5000 17.49 12.61 ln 500298 24.02 ДжК

Изменение энергии Гиббса при 500К

T S

20677 500

24.02 8667 Дж

500

Константа равновесия

r T

a,T

8667

1.24 10 1

a,500

8.314 500

2. Запишите в общем виде выражение для константы равновесия химической реакции B через парциальные давления реагирующих веществ.

Константа равновесия:

K		K		p
K		K		CO
				CO
	a		p	p
				p
				CO
				2

3. Определите парциальные давления газообразных веществ при температуре T и атмосферном давлении.

p p	CO	p	CO	1атм
			2

p		p p			1 p
CO		2		CO		CO
Тогда:
				p		p		1
K		K		CO		CO	1.24 10	1
K	a	K	p	p		1 p	1.24 10
	a		p

				CO		CO
				2

1.124 pCO 0.124атм

pCO pCO2

0.1103атм

p pCO 1 0.1103 атм 0.8897атм

4. Оцените влияние изменения общего давления, температуры и разбавления реакционной смеси газом, не участвующим в химической реакции, на положение равновесия реакции и равновесный выход продукта.

Влияние температуры При Т=298 К и Т= 500 К реакция эндотермическая. Для анализа используем

дифференциальную форму уравнения изобары химической реакции:

ln Ka		r HT0
		RT 2
T
	p

которая является производной функции

ln K	a
	a

при постоянном давлении и больше

нуля, это является признаком возрастания функции. Т.о. с ростом температуры константа равновесия увеличивается => увеличивается и выход продуктов реакции.

Влияние давления Изменение давления не влияет на положение равновесие и равновесный выход, так как

реакция протекает без изменения количества газообразных веществ 0 Влияние добавки инертного компонента.

Введение инертного компонента увеличивает суммарное число моль вещества в системе. Запишем выражение для константы равновесия:

Внашей реакции величина 0 , следовательно изменение суммарного количества не приведёт к смещению равновесия и не изменит равновесного выхода продуктаKn n

Многовариантное задание №3 «Анализ фазового равновесия жидкость – пар в однокомпонентной системе»

C2HCl3O2 трихлоруксусная кислота

t		130	0	C
t	x	130		C
	x
Решение:
Выписываем справочные данные
					Таблица 5. Зависимость давления насыщенного пара от температуры.
		№ п/п					Температура		1/Т, К-1	P, Па	ln(P)
		№ п/п				t,	0C	T, K	1/Т, К-1	P, Па	ln(P)
						t,	0C	T, K
		1				51,0(кр)		324,0	0,003086	133	4,890
		2				76,0		349,0	0,002865	667	6,503
		3				88,2		361,2	0,002769	1333	7,195
		4				101,8		374,8	0,002668	2666	7,888
		5				116,3		389,3	0,002569	5333	8,582
		6				125,9		398,9	0,002507	7999	8,987
		7				137,8		410,8	0,002434	13330	9,498
		8				155,4		428,4	0,002334	26660	10,191
		9				175,2		448,2	0,002231	53330	10,884
		10				195,6		468,6	0,002134	101320	11,526

1. Для вещества А, заданного в таблице 2.1, используя данные справочника [2] по за-
висимости температуры кипения веществ от давления, постройте кривую испарения в
координатах p = f (T) и lnp = f(1/Т).
По табличным значениям строим кривую испарения (первую точку исключаем, так как
она соответствует возгонке, а не испарению):
	120000
	100000
	80000
Па	60000
p,	60000
p,
	40000
	20000
	0
	340.0	360.0	380.0	400.0	420.0	440.0	460.0	480.0
				T, К
				10

	14.000
	12.000
	y = -6869,7x + 26,211
	10.000
Па))	8.000
Па))
ln(p(	6.000
	4.000
	2.000
	0.000
	0.002000.002100.002200.002300.002400.002500.002600.002700.002800.002900.003000
	1/T, К-1

2. Определите коэффициенты уравнения ln p A				B
2. Определите коэффициенты уравнения ln p A				T
				T
2.
ln p A	B
ln p A	T
	T
Кривая испарения в координатах ln p		1
Кривая испарения в координатах ln p		f	представляет собой прямую с угловым
		T
коэффициентом (или тангенсом угла наклона) равным B и свободным коэффициентом
(или ординатой точки пересечения с вертикальной осью lnp) A
Тогда:
A 26.211
B 6869.7К

3. Вычислите теплоту испарения vapН для вещества А (кДж /моль), используя коэффициент В, найденный в п. 2.

По уравнению Клаузиуса Клапейрона для процесса испарения:

ln p					vap	H	const
					vap
					RT
					RT
Тогда ранее найденный коэффициент B:
B			vap	H
			vap
			R
			R
		H		B R 6869.7К 8,314				Дж	57115	Дж
	vap	H		B R 6869.7К 8,314				моль К	57115	моль
	vap

4. Вычислите температуру кипения при р = 1,0132∙105 Па. Сопоставьте ее с табличным значением.

Вычисляем температуру кипения при p 101320Па ln p A TB

1 / 31 2 3 > Следующая >>>

Соседние файлы в предмете Физическая химия

#
14.01.202524.62 Mб5+!!!Экзамен ФИЗИЧЕСКАЯ ХИМИЯ.doc
#
25.11.20251.49 Mб2var1_podv1.pdf
#
25.07.20257.05 Mб2готовые вопросы по ФХ.doc