Архитектура Аудит Военная наука Иностранные языки Медицина Металлургия Метрология
Образование Политология Производство Психология Стандартизация Технологии


ДОМАШНІ РОЗРАХУНКОВІ ЗАВДАННЯ



Завдання 1 (варіант А)

Розрахуйте стандартний тепловий ефект хімічної реакції та тепловий ефект при заданій температурі (таблиця 2.1). Встановіть, як відрізняється теплові ефекти при сталому тиску та об’єму. Термодинамічні данні для рішення задачі взяти в довіднику. Всі компоненти реакції знаходяться в газовому стані.

Таблиця 2.1

Реакція Т, К Реакція Т, К
1 2CO + O2 = 2CO2 800 16 СН4 + Н2О = СО + 3Н2 500
2 H2 + Cl2 = 2HCl 1000 17 С2Н5Cl = C2H4 + HCl 600
3 N2 + O2 = 2NO 600 18 PCl5 = PCl3 + Cl2 700
4 2SO2 + Cl2 = 2SO2Cl2 700 19 (СН2)3  =  СН3СН=СН2 800
5 CO + 1/2O2 + CO2 900 20 CH3CHO = CH4 + CO 900
6 2O3 = 3O2 1000 21 4HCl + O2 = 2H2O + 2Cl2 1000
7 2NO2 = N2O4 800 22 С2Н5ОН = C2H4 + H2O 1200
8 2H2 + S2(Г) = 2H2S(Г) 1200 23 H2 + C2H4 = C2H6 600
9 2Cl2 + 2H2O = 4HCl + O2 1300 24 CH4 + Cl2 = CH3Cl + HCl 500
10 2Н5ОН = (С2Н5)2О +Н2О 1000 25 2SO2 + O2 = 2SO3 700
11 NO + ½ О2 = NO2 1200 26 HI + CH3I = CH4 + I2 1100
12 Cl2 + H2 = 2HCl 600 27 2NO + Cl2 = 2NOCl 500
13 СО + Сl2 = СОСl2 500 28 2NO = N2 + O2 900
14 H2 + F2 = 2HF 700 29 2C6H5CH3 = м-C6H4(CH3)2 + C6H6 800
15 CO + 2H2 = CH3OH 1100 30 500

Завдання 1 (варіант Б).

1. Обчисліть зміну ентропії при нагріванні (охолодженні) 4 кг речовини А (таблиця 2.2) від t1 до t2, якщо відомі температури його плавлення та кипіння, теплоємності в рідкому, твердому та газоподібному стані, теплоти плавлення й випаровування.

2. Обчисліть зміну ентропії, енергії Гіббса, енергії Гельмгольца, внутрішньої енергії, роботи розширення, якщо 10 кмоль речовини, пари котрого підпорядковуються законам ідеальних газів, переходить при нормальній температурі кипіння з рідкого в газоподібний стан.

Таблиця 2.2

Речовина

t1°С

t2°С

tпл°С

tкип°С

ΔНпл,

кДж

моль

ΔНвип,

кДж

моль

Теплоємність, кДж/кг·К

Сртв Срж Срг
1 Бензол 200 -10 5,5 80,1 9,95 30,76 1,468 1,734 1,422
2 Толуол -100 120 -95 110,6 6,62 37,99 0,921 1,69 1,281
3 Бензиловий спирт -15,3 204,7 -15,3 204,7 8,97 50,48 2,014
4 Плюмбум(II) хлорид 960 400 495 953 23,85 128,9 0,277 0,375 0,199
5 1,4-діоксан 101,3 11,8 11,8 101,3 12,85 35,77 1,735
6 Етилацетат -83,6 77,2 -83,6 77,2 10,48 32,26 1,928
7 Діетиловий етер -120 45 -116,3 34,6 7,537 26,6 1,256 2,321 1,934
8 Бутанол 117,5 -79,9 -79,9 117,5 9,28 52,3 2,435
9 Піридин -40 115,3 -41,8 115,3 35,54 1,714
10 Бром -20 79 -7,1 59,2 10,551 20,733 0,674 0,461 0,225
11 Вода -20 100 0 100 6,009 40,66 0,570 4,187 1,919
12 Ртуть -40 360 -38,89 356,66 2,30 59,23 0,141 0,139 0,104
13 Трихлор-метан 65 -63,5 -63,5 61,3 9,211 31,42 0,963 0,545
14 Етанол -15,6 205 -15,6 197,3 5,02 42,30 2,453 1,399
15 Ацетон -100 60 -95,35 56,24 5,69 29,67 2,261 2,177 1,129
16 н-Пентан 36,074 -129,72 -129,72 36,074 8,42 26,43 1,666
17 Циклогексан 6,554 81,40 6,554 81,40 2,63 33,03 1,810
18 Мурашина кислота 7 110 8,2 100,7 12,687 23,112 1,620 2,135 1,058
19 о-Ксилол -25,175 144,41 -25,175 144,41 11,282 367,3 1,717 1,891
20 Фосген -118 15 -118 8,3 5,74 24,39 1,024 0,988
21 Хлор -33,8 100 -100,7 -33,8 6,406 20,41 0,471
22 Калій -10 63,55 63,55 791 2,38 79,2 0,754
23 Аміак 25 -77,7 -77,7 -33,6 5,655 23,33 4,742 2,065
24 Натрій 886 910 97,9 886 2,64 90,1 1,225 0,904
25 Фосфор трихлорид -90 100 -93,7 75,3 30,5 0,957 0,540
26 Етилен-гліколь 200 -12,6 -12,6 197,85 11,23 65,58 2,433 1,503
27 Пропанол 110 -126,2 -126,2 97,2 5,19 48,12 2,388 1,789
28 Тетрахлор-метан 80 -22,9 -22,9 76,8 2,512 30,021 0,846 0,543
29 Цинк 391 419,5 419,5 906,2 7,24 115,3 0,384
30 Оцтова кислота -10 120 16,8 118,1 11,53 23,36 2,039 2,01 1,197

 

Приклади розв ’ язання задач.

Задача 2.2.1. Для реакції: 4СО + 2SО2 = S2 + 4CO2

1) обчислить за теплотами утворення ізобарний тепловий ефект при стандартних умовах; 

2) розрахуйте коефіцієнти рівняння ΔСр = f(T) (Δа, Δb, Δc, Δc´) і вкажіть інтервал температур, для якого справедлива ця залежність;

3) за результатами розрахунку визначить тепловий ефект при 700 К та Р = 101325 Па.

Необхідні дані для розрахунку приведені в довіднику [6].

Розв’язання

1) Визначаємо ізобарний тепловий ефект реакції при стандартних умовах, беручи до уваги слідство із закону Геcса (величини теплот утворення вихідних речовин та продуктів реакції виписуємо з довідника [6]):

ΔН0298 = (4ΔН0f,298 (CO2) + ΔН0f,298(S2)) - (4ΔН0f,298 (СО) + 2·ΔН0f,298 (SО2)) = =(4·(-393,51) + +128,37) - (4·(-110,53) + 2·(-296,9)) = - 409,75 кДж.

2) Визначаємо коефіцієнти в рівнянні ΔСр0 = f (Т). Виписуємо у таблицю з довідника емпіричні коефіцієнти багаточленів Ср0 = f (Т) для продуктів реакції та вихідних речовин. За їх значенням розраховуємо коефіцієнти в рівнянні ΔСр0 = f (Т).



Речовина

Ср0 = f (Т),

Дж/(моль · К)

Температурний інтервал, К
а b · 103 с´·10-5
CO2 44,14 9,04 -8,54 298 – 2500
S2 36,11 1,09 -3,51 298 – 2000
2 46,19 7,87 -7,70 298 – 2000
СО 28,41 4,10 -0,46 298 – 2500

 

Δа = (4·а(СО2) + а (S2))-(4·а(СО) + 2·а(SО2))= (4·44,14 + 36,11)-(4·28,41 + 2·46,19) = 6,65

За аналогією розраховуємо Δ b та Δ с´:

Δb = 5,11 · 10-3

Δс´ = - 20,43 · 105

Інтервал температур, в якому справедливі розраховані коефіцієнти, визначаємо за найменшим з усіх температурних інтервалів для реагуючих речовин. 

Тоді, для даної реакції в інтервалі температур 298 – 2000 К отримаємо:

ΔС0р = 6,65 + 5,11· 10-3 · Т - 20,43· 1052

 

3) Залежність ΔНr0 = f (Т) визначається за законом Кірхгофа:

Підставивши в попереднє рівняння значення ізобарного теплового ефекту реакції при стандартних умовах та коефіцієнтів Δа, Δb та Δс´, отримаємо         ΔН0Т = f(Т):

.

Підставивши Т = 700 К, визначаємо тепловий ефект реакції ΔН0700 :

Відповідь: ΔН0700 = -410 кДж/моль.

Задача 2.2.2. Для реакцій а) Mg(OH)2 = MgO + H2O(г); б) Al2O3(корунд) + 3SO3 = Al2(SO4)3(кр.), які перебігають при 400 К, визначте, наскільки за цих умов відрізняються теплові ефекти при сталому тиску і сталому об’ємі.

Розв’язання

Тепловий ефект при постійному тиску дорівнює: Qp = ΔH = ΔU + PΔV, а для ідеальних газів:

Qp = ΔH = ΔU + ΔnRT,

де Δn – зміна кількості молів газоподібних речовин під час проходження реакції.

Тепловий ефект при сталому об’ємі дорівнює QV = ΔU. Тоді, різниця теплових ефектів хімічної реакції в ізобарному та ізохорному процесах визначається наступним чином:

Qp - QV = ΔH - ΔU = ΔU + ΔnRT - ΔU = ΔnRT.

Визначаємо Δn для реакції а) Mg(OH)2(ТВ) = MgO(ТВ) + H2O(Г):

Δn = 1 - 0 = 1 (враховуємо тільки газоподібні речовини).

Тоді: Qp - QV = 1 · 8,314 · 400 = 3326 Дж.

Розраховуємо Δn для реакції б) Al2O3(КОРУНД) + 3SO3 = Al2(SO4)3(КР.):

Δn = 0 - 3 = -3

Тоді: Qp - QV = -3 · 8,314 · 400 = - 9977 Дж.

Відповідь: а) 3326 Дж.; б) - 9977 Дж.

Задача 2.2.3. 1. Обчисліть зміну ентропії ∆SΣ  при нагріванні 25 кг метанолу від Т1 до Т2 , якщо відомі температури його плавлення та кипіння, теплоємності в рідкому та газоподібному стані, теплоти плавлення й випаровування.

2. Обчисліть зміну ентальпії ∆Н, енергії Гібса ∆G, енергії Гельмгольца ∆A, внутрішньої енергії ∆U, роботи розширення W, якщо 5 молей речовини, пари котрої підпорядковуються законам ідеальних газів, переходить при нормальній температурі кипіння з рідкого в газоподібний стан.

 

Речовина СН3 –ОН;     g = 25 кг.;         T1 = 175,3 K;    T2 = 400 K;

Tпл = 175,3 К;                                             ∆Нпл = 3,17.103 Дж/моль;

Ткип  = 337,9 К;                                         ∆Нвип = 35,296.103 Дж/моль;

Сррід = 2,512.103 Дж/кг. К;                       Сргаз = 1,371.103 Дж/кг.К.

                                             Розв’язання

1. Змінення ентропіі 25 кг СН3 –ОН  при нагріві від Т1 = 175,3 К до Т2  = 400 К дорівнює сумі ∆S для кількох стадій:

І - плавлення СН3 –ОН  при  Тпл = 175,3 К                         - ∆S1,

ІІ -  нагрів СН3 –ОН(рід)  від Тпл = 175,3 К до Ткип = 337.9 К - ∆S2,

ІІІ - кипіння СН3 –ОН при Ткип = 337,9 К                              - ∆S 3,

ІV - нагрів СН3 –ОН(г) від Ткип = 337,9 К до Т2 = 400 К       - ∆S4.

          Тобто                         ∆SΣ = ∆S1 + ∆S2 + ∆S3 + ∆S4

     де ∆S2, ∆S4 – змінення ентропіі при нагріві рідкого та газоподібного

СН3 –ОН відповідно;

     ∆S1, ∆S3 – змінення ентропіі при плавленні та кипінні.

Знаходимо кількість речовини моль.

             Дж/К;   

            Дж/К;

Дж/К;

Дж/К;

Дж/К.

2. Зміна ентальпії при випаровуванні 5 молей метанолу дорівнює:

ΔН = n ΔНвип = 5.35,296.103 = 176480 Дж.

Зміна енергії Гіббса розраховується за формулою:

    Для процесу випаровування, що відбувається за сталих тиску і температурі, зміна енергії Гельмгольца можна розрахувати таким чином:

ΔА =ΔG – nRT = 0 – 5.8,31.337,9 = - 14039,75 Дж.

Робота розширення в ізобароізотермічних умовах

W = nRT = 14039,75 Дж.

За цих умов зміна внутрішньої енергії пов’язана зі зміною ентальпії рівнянням

ΔН = ΔU + nRT, звідки знаходимо:

ΔU = ΔН – nRT = 176480 – 5.8,31.337,9 = 162440,26 Дж.

Задача 2.2.5. Розрахувати зміну ентропії при стандартних умовах для хімічної реакції: 2С4Н10(Г) + 5О2 = 4СН3СООН(Р) + 2Н2О(Р). Необхідні дані візьміть в довіднику.

Розв’язання

Визначаємо зміну ентропії для реакції при стандартних умовах (величини ентропій вихідних речовин та продуктів реакції відповідно даних з довідника):

ΔS0298 = (2S02982О(Р)) + 4S0298(СН3СООН(Р))) - (5S0298(O2) + 2S02984Н10(Г))) = (2.69,95 + 4·159,83) - (5·205,04 + 2·310,12) = -866,22 Дж/К.

    Відповідь: ΔS0298 = -866,22 Дж/К.

Задача 2.2.6. 100 г водню при 298 К розширюються в вакуум, займаючи втричі більший об’єм. Обчисліть зміну ентропії, вважаючи водень ідеальним газом.

Розв’язання

Розширення водню відбувається при сталій температурі, тому скористаємось рівнянням:

ΔS = n·R·ln(V2/V1),

де кількість речовини n = 100/2 = 50 моль, а V2/V1 =3 за умовами завдання.

Отже, зміна ентропії складає:

ΔS = 50·8,314·ln3 = 457 Дж/К.

    Відповідь: ΔS = 457 Дж/К.

Задача 2.2.7. Розрахуйте збільшення ентропії при змішуванні 100 см3 кисню та 200 см3 азоту при 298 К та 1,013·105 Па.

Розв’язання

Зміна ентропії при змішуванні двох газів дорівнює сумі змін ентропії кожного з газів при зворотному ізотермічному розширенні від початкового об’єму V1 або V2 до кінцевого V1 + V2:

ΔS = ΔS1 + ΔS2,

де ΔS1 = n1·R·ln((V1 + V2)/V1) та ΔS2 = n2·R·ln((V1 + V2)/V2).

     Розраховуємо кількість кисню n1 та азоту n2 за рівнянням стану ідеального газу:

P·V = n·R·T , звідки  n = P·V/R·T.

Тоді: n1 = P·V1/R·T = 1,013 · 105 · 100 · 10-6/8,314 · 298 = 0,0041 моль;

n2 = P·V2/R·T = 1,013 · 105 · 200 · 10-6/8,314 · 298 = 0,0082 моль.

     Визначаємо зміну ентропії кисню та азоту:

ΔS1 = 0,0041·8,314·ln((100 · 10-6 + 200 · 10-6)/100 · 10-6) = 0,037 Дж/К,

ΔS2 = 0,0082·8,314·ln((100 · 10-6 + 200 · 10-6)/200 · 10-6) = 0,028 Дж/К.

Тоді, збільшення ентропії при змішуванні кисню та азоту:

ΔS = 0,037 + 0,028 = 0,065 Дж/К.

    Відповідь: ΔS = 0,065 Дж/К.

Задача 2.2.8. Визначте роботу ізобарного зворотного розширення 5 моль ідеального газу при його нагріванні від 298 до 400 К.

Розв’язання

Роботу ізобарного розширення визначаємо за рівнянням:

W = P·(V2 – V1).

Для ідеальних газів воно набуває вигляд:

W = n·R·(Т2 – Т1).

Тоді: W = 5 · 8,314 · (400 - 298) = 4,240 · 103 Дж.

Відповідь: 4,240 · 103 Дж.

Задача 2.2.9. Газоподібні речовини А і В реагують з утворенням газоподібної речовини С:

3А + В = 4С

Виразіть Кр і Кс через рівноважну кількість речовини С, якщо А та В взяли в стехіометричних кількостях при загальному тиску в системі Р і температурі Т.

Розв’язання

За умовами задачі А та В взяли в стехіометричних кількостях, тобто n0A = 3 моль і n = 1 моль. Визначаємо рівноважні кількості А та В, прийняв до уваги, що рівноважна кількість С дорівнює х.

Кількість, моль 3А   +   В  = 4С

                              Вихідна                    3      1         0

                              Рівноважна          х

Константа рівноваги Кn має такий вираз

.   Тоді .

Спростив вираз, отримаємо

.

Кр пов’язана з Кn і Кс наступними співвідношеннями:  

                          ;        Кр = Кс(RT) Δn.                       

Кількість речовини в рівноважній системі складає

Σn =  +  + х = 4, а Δn = 4 – (3 + 1) = 0.

Оскільки Δn = 0, то таким чином, відповідь: .

Задача 2.2.10. Константа рівноваги (К0) хімічної реакції синтезу етилацетату: С2Н5ОН(Г) + СН3СООН(Г) → СН3СООС2Н5(Г) + Н2О(Г), дорівнює при 573 К 9,00, а при 423 К – 30,0. Розрахуйте тепловий ефект цієї реакції.

Розв’язання

Якщо тепловий ефект ΔН не залежить від температури, тоді його значення можна визначити за наближеною формою рівняння ізобари:

ln(K02/K01) = ΔН·(T2 – T1)/R·T2·T1 .

Звідси: ΔН = R·T2·T1·ln(K02/K01)/(T2–T1) = 8,314·423·573·ln(30,0/9,00)/(423–573) =           -16,2·103 Дж/моль

    Відповідь: ΔН = -16,2·103 Дж/моль.

Задача 2.2.11. Для хімічної реакції: 4СО + 2SО2 = S2 + 4CO2, розрахуйте стандартну спорідненість при 600 К.

Розв’язання

    1) Стандартну спорідненість (стандартну зміну енергії Гібса) при температурі Т розраховуємо за методом Тьомкіна – Шварцмана:

ΔG0Т = ΔН0298 - Т · ΔS0298 - Т · (Δа · М0 + Δb · М1 + Δc · М2 + Δc´ · М-2).

2) Визначаємо тепловий ефект реакціі при 298 К:

ΔН0298 = (4ΔН0f,298(CO2) + ΔН0f,298(S2)) - (4ΔН0f,298(СО) + 2ΔН0f,298(SО2)) =

(4·(-393,51) + 128,37) - (4·(-110,53) + 2·(-296,9)) = -409,75 кДж.

3) Обчислюємо зміну ентропії при 298 К:

ΔS0298 = (4S0298(CO2)+S0298(S2))-(4S0298(СО)+2S0298(SО2)) = (4·213,66+228,03) -(4·197,55+2·248,07) = -203,67 Дж/K.

     4) Розраховуємо коефіцієнти в рівнянні ΔСр° = f (Т).



Речовина

Ср0 = f (Т),

Дж/(моль · К)

Температурний інтервал, К а b · 103 с´·10-5 CO2 44,14 9,04 -8,54 298 – 2500 S2 36,11 1,09 -3,51 298 – 2000 SО2 46,19 7,87 -7,70 298 – 2000 СО 28,41 4,10 -0,46 298 – 2500

 

Δ а = (4а(СО2) + а (S2))-(4а(СО) + 2а(SО2))= (4·44,14 + 36,11) - (4·28,41 + 2·46,19) = 6,65.

За аналогією розраховуємо Δ b та Δ с´:

Δ b = 5,11 · 10-3; Δ с´ = -20,43 · 105.

Оскільки вихідні речовини та продукти реакції є неорганічними речовинами, Δс = 0.

Для T = 600 K згідно з довідником : М0 = 0,1962; М1 = 0,0759·103; М2 = 0,0303·106; М-2 = 0,1423·10-5.

Тоді, стандартна зміна енергії Гіббса при 600 К складає:

ΔG0600 = -409750 - 600 · (-203,67) - 600 · (6,65· 0,1962 + 5,11· 10-3 · 0,0759 · 103 + 0 · 0,0303 · 106 + (-20,43 · 105) · 0,1423 · 10-5) = -286,82·103 Дж

        

Відповідь: ΔG0600 = -286,82 кДж.



Завдання 2.

Фазові рівноваги в однокомпонентних системах.

 За залежністю тиску насиченої пари від температури і густини речовини А у твердому і рідкому станах (dТВ і dРІД в кг/м3) в потрійної точці:

1) побудуйте графік залежності ln p від 1/Т;

2) визначить за графіком координати потрійної точки;

3) розрахуйте середню теплоту випаровування і сублімації;

4) визначить теплоту плавлення речовини при температурі потрійної точки;

5) обчисліть dT/dp для процесу плавлення при температурі потрійної точки;

6) обчисліть температуру плавлення речовини при тиску р;

7) обчисліть зміну ентропії, енергії Гіббса, енергії Гельмгольца, ентальпії і внутрішньої енергії для процесу сублімації 1 кмоля речовини в потрійної точці;

8) визначить число фаз і число термодинамічних ступенів свободи для фігуративних точок, вибраних вами на “полі” діаграми, “лінії” і “точці”.

Необхідні для розрахунку дані взяти із таблиці 2.3.

Таблиця 2.3

Вихідні дані до завдання 2

Стан

Умови

твердий

рідкий

Т, К р, Па Т, К р, Па
1     268,2 269,2 270,2 271,2 272,2     401,2 437,2 475,9 517,2 533,2 269,2 272,2 273,2 275,2 278,2 283,2 288,2 505 533,2 573 656 760 982 1600

М = 18

р = 40,5.105 Па

dтв = 918

dрід = 1000

2     248 254,4 258 259 260 7998 13300 17995 19995 23327 260 265 270 278 282 23327 27190 31860 40290 47990

М = 27

р = 800.105 Па

dтв = 718

dрід = 709

3 55 58 59,2 63 64   1333 3999 11997 14663 17329 60 64 66 67,8 69 71 12663 17329 22394 27993 31993 39990

М = 28

Р = 500.105

dтв = 1026

dрід = 808

4   100 104 107 109 110,5 112 4132 8531 14663 19995 25367 29653 105 112 114 115 116 117 17329 29653 34738 38657 46435 53053

M = 30

р = 900.105 Па

dтв = 1272

dрід = 1260

 

5   229,2 248 257 267,2 273,2   133,3 694,5 1333 2966 4786   273,2 282,5 298,2 306,7 312,5 316,5 4786 6665 12697 16396 18929 21328

М = 32

р = 300.105 Па

dтв = 837

dрід = 825

6   173 178 183 184 190   7330 11600 16795 19995 31192   190 195 200 207 215 221 31192 38657 46655 55986 69476 77314

М = 34

р = 450.105 Па

dтв = 1010

dрід = 980

7   196 203 213 220     101325 190461 402360 648480     212 220 223 239 241 243 592751 648480 674824 1005114 1065237 1131722

М = 44

р = 750.105 Па

dтв = 1542

dрід = 1510

8   276,6 278,2 279,2 280,2 281,4 1413 1706 1879 2066 2372 277,2 279,2 281,4 283,2 285,2 288,7 1826 2052 2372 2626 2932 3279

М = 46

р = 950.105 Па

dтв = 1240

dрід = 1230

9 230 233 237 240 243 245 26260 31458 39990 49997 58818 66650 236 246 248 249 252,5 253,5 63315 78647 83979 86645 96942 100508

М = 52

р = 350.105 Па

dтв = 3010

dрід = 2955


Поделиться:



Последнее изменение этой страницы: 2019-04-10; Просмотров: 76; Нарушение авторского права страницы


lektsia.com 2007 - 2024 год. Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав! (0.134 с.)
Главная | Случайная страница | Обратная связь