Теоретическая часть

Изменение свободной энергии при химических реакциях

Рассмотрим реакцию

А+2В=3D

При равновесии изменение свободной энергии будет равно 0. Если ΔG<0, то реакция должна протекать в сторону образования соединения D, и если ΔG>0, то будет происходить его диссоциация.

Пусть имеется неравновесная смесь А, В и D, в которой эти газы находятся при любых парциальных давлениях Найдем изменение свободной энергии при протекании этой реакции, когда А и В при исходных давлениях и превращается в D при заданном давлении :

или (5)

(6)

Для того чтобы найти величину L(T), допустим, что выбранные давления отвечают состоянию равновесия, тогда ΔG=0, и, следовательно,

и (7)

(8)

Это важное уравнение (8), найденное Вант-Гоффом, позволяет вычислить изменение свободной энергии при химической реакции. Она называется уравнением изотермы химической реакции. Если первоначальные давления газов в смеси выбраны таким образом, что отношение равно К_р, то ΔG=0 и реакция в этом случае не пойдет. Если же в смеси величина будет настолько больше произведения , что

абсолютная величина второго члена уравнения (8) станет больше первого, то ΔG>0 , и реакция должна протекать справа налево. Наоборот, при больших значениях и и малом величина ΔG отрицательна, и должно происходить образование D.

Таким образом, уравнение (8) показывает, что величина ΔG есть мера химического сродства, т.е. характеризует тенденцию веществ реагировать друг с другом с самопроизвольным образованием продуктов реакции.

(9)

где и - изменения теплосодержания и энтропии при реакции.

При рассмотрении равновесий имеет значение особый случай, когда взятые исходные вещества реагируют в своих стандартных состояниях с образованием продуктов также в стандартных состояниях. Из уравнения (8) следует, что при этом

(10)

Из уравнения (10) видно, что между стандартным изменением свободной энергии и константой равновесия существует непосредственная связь.

Практическая часть

2.1 Задание №1

№ варианта	Реакция	T, K	p1· 10-2,Па	p2· 10-2,Па	p3· 10-2,Па	V·103,м3
9	2С + O2 = 2CO	873	100	572	500	4

Пользуясь справочником физико-химических величин и по результатам промежуточных расчетов можно составить следующую таблицу данных:

Вещество	а	b∙103	c’∙10-5	ΔSf,298 Дж/мольк	ΔHf,298 кДж/моль
С	20.80	-	-	157.99	716.67
О2	31.46	3.39	-3.77	205.04	0
CО	28.41	4.10	-0.46	197.55	-74.85
Σкон(νi,Cp0)	56.82	8.2	-0.92
Σисх(νi,Cp0)	73.06	3.39	-7.54
	-16.24	4.81	6.62

1. Определяем стандартное сродство веществ С и О₂ при Т=298К (ΔG₂₉₈):

Сравнивая полученное значение ΔG₂₉₈ с нулем (ΔG₂₉₈>0), делаем вывод, что реакция при данных условиях практически не идет.

2. Затем вычисляем константы равновесия Кр и Кс:

3. Определяем количество прореагировавшего твёрдого вещества C, если объём системы V=4∙10³ м³, а исходное давление С равно р₁=100 Па (объёмом твёрдой фазы можно пренебречь)

С помощью закона Менделеева-Клапперона:

PV=νRT

найдём количество молей вещества H₂

(моль)

Пусть прореагировало х моль твёрдого вещества C, тогда можем составить таблицу:

Состояние системы	Вещество
	2С	O2	2CO
исходное
равновесное

Тогда равновесный выход вещества:

, , ,

K_N=

Решив уравнение, найдём х= моль – количество прореагировавшего твёрдого вещества С.

4. Определение изменения энергии Гиббса, отнесённой к началу реакции, если исходное давление веществ O₂ и CO соответственно равны р₂=572∙10² Па и р₃=500∙10² Па (реакция протекает при Т=873К).

2С + O₂ = 2CO

∆C_p=a+b·T+c’·T^-2

a_k+b_k·T+c_k’·T^-2=16.94

a_н+b_н·T+c_н’·T^-2=66.29

ΔC_p⁰= Σ_кон(ν_i,C_p⁰)– Σ_исх(ν_i,C_p⁰)= 16.94 – 66,29=-49.35

ΔC_p⁰= -49.35 Дж/моль·К

ΔG_T⁰=-5.09 Дж/моль

ΔG_T=8,31·600·ln +5.09

ΔG_T= – 3086.23 Дж/моль

Вывод: получено значение энергии Гиббса при температуре Т=873К. Значение ΔG_T<0 (ΔG_T= -3086.23 Дж/моль), следовательно, совершаемая системой работа А>0, что говорит о том, что идёт прямая реакция. При стандартной температуре Т=298К величина ΔG₂₉₈>0 (ΔG₂₉₈=50860 Дж/моль), т.е. в данных условиях идёт обратная реакция.

Заключение

В первой части курсовой работы мы произвели фазовый расчёт химических равновесий, определили константы равновесия, количество прореагировавшего твёрдого вещества С, вычислили изменение энергии Гиббса, а вследствие этого определили возможность протекания реакция при заданных температурах.

Во второй части построили и детально проанализировали диаграмму плавкости двухкомпонентной системы KCl – SnCl₂.

Список литературы

1) Стромберг А. Г., Д.П.Семченко «Физическая химия», 2001г;

2) Краткий справочник физико - химических величин; под редакцией А.А.Равделя и А.М.Пономаревой Ленинград 1983г

3) «Физическая химия» под ред. К.С. Краснова. –М.: Высш. Школа, 1982. – 687 с.

4) Материал лекций Тиллес В.Ф.