6. ДОМАШНИЕ ЗАДАНИЯ Задание 1 Расчёт термодинамических характеристик веществ на основе их молекулярно-физических свойств 6.1. Провести расчет виртуальной энтропии ST и теплоёмкости СP,Т для вещества X(г) при Ti, Pi. Для расчетов рекомендуется следующие вещества: BCl3 BF3 CO2 ClO2 Cl2О HCN HCl HNO2 CH3Cl (≤ 1000 К ) ( ≤ 1000 К ) ( ≤ 2500 К) ( ≤ 1500 К) ( ≤ 2000 К ) ( ≤ 2500 K ) ( ≤ 2000 К ) ( ≤ 2000 К ( ≤ 2000 К) HF H2O NH3 NO NO2 N2O ONCl SO3 CHCl3 ( ≤ 2000 К ) ( ≤ 2500 К ) ( ≤ 1800 К) ( ≤ 2500 К ) ( ≤ 2000 К ) ( ≤ 2000 К ) ( ≤ 2000 К ) ( ≤ 2000 К) ( ≤ 2000 К) CH4 CH3 СН3Cl CH3F CHCl3 CCl4 CF4 COCl2 CH3F ( ≤ 1500 К ) ( ≤ 1500 К ) (≤ 1000 К ) ( ≤ 1500 К ) ( ≤ 1000 К ) ( ≤ 1000 К ) ( ≤ 1000 К ) ( ≤ 1500 К) ( ≤ 2000 К) Результаты расчета сопоставить с вычисленными по уравнению T ST = S0298 + ∫C P (T )d ln T − R ln P , 298 воспользовавшись справочными величинами S0298 и СP(Т). 6.2. При какой температуре станут равными вращательная и колебательная энтропии вещества X? Какова температура, соответствующая равенству колебательного и вращательного вклада в общую теплоемкость вещества X? Предложите аппроксимационное уравнение, отражающее зависимость СP = f(T) в диапазоне Т = 298 ÷ 1000 К для вещества Х. 95 Задание 2 Расчёт химических равновесий по данным о термодинамических свойствах веществ 6.3. Рассчитать температуру Т1, при которой степень диссоциации вещества Х будет равна α при общем давлении равновесной смеси 1 атм. Построить график зависимости степени диссоциации от Р в диапазоне от 0,1 атм до 10 атм при Т1. Рассчитать степень диссоциации при Р = 1 атм, Т2 = 0,5 Т1 и Т3 = 1,5 Т1 и прокомментировать характер зависимости степени диссоциации от давления и температуры. Для расчета предлагаются следующие равновесия : 1. SO3 R SO2 + 1/2 O2, 6. N2O4 R 2 NO2, 2. COCl2 R CO + Cl2, 7. NO2 R NO + 1/2 O2, 3. PCl5 R PCl3 + Cl2, 8. NOCl R NO + 1/2 Cl2, 4. CO2 R CO + 1/2 O2, 9. Н2S R H2 + 1/2 S2, 5. H2О R Н2 + 1/2 О2, 10. NH3 R 1/2 N2 + 3/2 H2. 6.4. Восстановление минерала Fe3O4 до металлического железа проводится оксидом углерода: Fe3O4(тв) + 4 СО R 3 Fe(тв) + 4 CO2, продуваемым через слой Fe3O4 при Т ≤ 700 К. В реактор с Fe3O4 поступает нагретая до температуры реактора смесь СО с N2 состава 1 : 2. 1) Рассчитать равновесные мольные доли СО, СО2 , N2 на выходе из реактора при температуре Т. 2) При какой температуре n % оксида углерода будет использоваться для восстановления Fe3O4? 96 3) Будет ли происходить восстановление Fe3O4 до Fe, если через реактор при температуре Т будет продуваться смесь N2, СО2, СО, в которой отношение СО2 : СО = е? 6.5. Минерал пирит, FeS2, восстанавливается водородом до FeS. Для температуры Т построить график зависимости процентного превращения Н2 в Н2S в равновесной смеси, выходящей из реактора, от процентного содержания Н2 в смеси Н2 с Н2S, поступающей в реактор. Оценить, при каких Т станет необходим учет последующей стадии восстановления FeS до Fe. 6.6. Дициан, C2N2 (∆fH0298 = 309 кДж/моль), в смеси с кислородом взрывается с образованием N2, СО, твердого углерода (сажи) при недостатке кислорода, а при его избытке – с образованием N2 и СО2 . Рассчитать и сопоставить зависимости Тmax и реальной Т взрыва от соотношения О2 : C2N2, выбираемых равными 0,5; 1,0; 1,5; 2,0. Термической диссоциацией СО, N2 и О2 в расчетах Т можно пренебречь. 97 7. КОМПЛЕКСНЫЕ ЗАДАЧИ 7.1 (2*) В городском воздухе содержится тетраэтилсвинец (ТЭС) – антидетонационная добавка к моторным топливам. Предельно допустимая концентрация его (ПДК) не должна превышать 3·10–3 мг на 1 м3 воздуха. Величина tнтк = 200 oС для ТЭС. Оценить, какая добавка ТЭС (в мг/л) в бензин допустима при работе с бензином (С8Н18) в закрытом, плохо проветриваемом помещении в зимнее (15 °С) и летнее (25 °С) время? (АМPb = 207) 7.2. (2) В парах цезия при 552 К методом оптической спектроскопии обнаруживаются интенсивные линии поглощения атомарного цезия и слабые полосы поглощения молекулярного Cs2. Измеренная концентрация атомарного цезия равна 1,66·1016 см–3 при общем давлении 1 Торр. Молекулярнофизические характеристики Cs2: АМ = 265,8; ωе = 42 см–1; re = 0,455 нм. Определить энергию диссоциации молекулярного цезия при 298 К, используя справочную информацию о давлении паров цезия при различных температурах, рассчитать значения ∆fH0298 и S0298 для Cs2(г) и Cs(г). 7.3. (2) Каким будет давление пара над смесью о-, м- и пксилолов C6H4(CH3)2 в тройной эвтектической точке? Вещество Тпл, К Тнтк, К о-ксилол м-ксилол п-ксилол 248,0 225,5 286,5 417,5 412,2 411,4 ∆Hпл, кДж/моль 13,9 22,6 16,9 ∆Hисп, кДж/моль 42,1 41,6 41,8 Раствор идеален, а кристаллизуются чистые компоненты. * Цифра в скобках после номера задачи характеризует относительную сложность задачи в пятибалльной шкале. 98 7.4 (3) В сосуде постоянного объема находится газовая смесь HCl : NH3 = 3 : 2 при Т = 750 К и Р = 6 атм. При охлаждении сосуда происходит образование "тумана" – тонкодисперсных частичек NH4Cl. При какой температуре это произойдет? Каким будет суммарное давление HCl и NH3 при 700 К, при 600 К? Термодинамические свойства реагентов приведены в таблице. Вещество НCl(г) NH3(г) NH4Cl(кр) ∆fH0298 , кДж/моль −92,3 −46,19 −314,35 S0298, Дж/(моль⋅К) 186,7 192,5 94,5 СP, 298, Дж/(моль⋅К) 29,16 35,55 84,08 7.5. (5) Жидкая двухлористая сера (SCl2) химически неустойчива при нагревании. С однохлористой серой (S2Cl2), кипящей при 138 °С, SCl2 образует относительно стабильный и близкий по свойствам к идеальному раствор. Давление паров над таким раствором с N(SCl2) = 0,1 при 40 °С равно 56 Торр и 18 Торр при 15,7 °С. Стандартные энтальпии образования некоторых веществ: ∆fH0298(Cl–S–S–Cl)(г) = –23,6 кДж/моль; ∆fH0298(S2Cl2)(ж) = = –63,3 кДж/моль; ∆fH0298(S8)(г) = +83,7 кДж/моль. Определить величины ∆fH0298 и S0298 для SCl2(г) и SCl2(ж). 7.6. (5) Гальванический элемент составлен из окислительновосстановительного электрода Fe3+, Fе2+ (Pt) и обратимого железного электрода Fе2+ (Fe). Для приготовления растворов электролитов использовали соли Fе(СlO4)2 и Fе(СlО4)3. Концентрация Fе2+ в обоих полуэлементах равна [Fe3+] = 10–5 М. При 25 °С ЭДС такого элемента была измерена равной 1,36 В. Стандартный потенциал для железного обратимого электрода равен – 0,44 В. Величиной контактного потенциала Fе/Рt можно пренебречь. Определить величину стандартной ЭДС этого элемента и ее температурный коэффициент при 25 °С. Какой станет ЭДС описанного элемента при 100-кратном увеличении концентрации Fе(СlО4)3? 99 7.7. (5) В 100 литровом реакторе осуществляется гетерогеннокаталитический синтез этанола из воды и этилена: C2H4 + H2O R C2H5OH. Термодинамические свойства веществ приведены в таблице: Вещество ΔfН0298, кДж/моль S0298, Дж/(моль⋅К) СP,298, Дж/(моль⋅К) Н2О −242 (г) −286 (ж) 189 (г) 70 (ж) 33,6 (г) 75,3 (ж) С2Н4 +52,3 (г) — 219 (г) 43,6 (г) С2Н5ОН −235,0 (г) −277,6 (ж) 282 (г) 161 (ж) 73,6 (г) 111,4 (ж) В реактор вводится 1 кг равномолярной смеси воды и этилена. Определить : 1) Максимальный процент превращения этилена в этиловый спирт при температурах 200, 160, 120 °С; 2) Во сколько раз увеличивается процент превращения С2Н4 в С2Н5ОН при 160 °С, если при том же весовом количестве вводимой смеси молярный состав ее будет не С2Н4 : Н2О = 1 : 1, а 3 : 1 и 1 : 3. Этилен кипит при –104 °С, а его растворимость в воде при 100 °С столь мала, что ею можно в расчетах пренебречь. 7.8. (3) В литровый сосуд из инертного материала, выдерживающего избыточное внутреннее давление 5,5 атм, вводится 8 граммов жидкого фтористого водорода. Можно ли погрузить этот закрытый сосуд в кипящую воду без опасения его разрыва? При 100 °С давление паров над жидким фтористым водородом равно 9,6 атм. В газовой фазе за счёт водородных связей Н·····F фтористый водород образует ассоциаты НnFn с n = 2÷6. Величины стандартных энтальпий образования ΔfH0298 для ассоциатов HnFn известны и равны: −566,4 (H2F2); −878,4 (H3F3); −1180 (H4F4); −1489 (H5F5) и −1790 (H6F6) кДж/моль. 100 Энтропии ассоциатов не установлены, но для проведения расчетов можно воспользоваться приближенным полуэмпирическим правилом Н.И. Кобозева для гомогенных газовых превращений: ΔST0 = (21 + 29·lgT) Дж/(моль·К), Δnгаз где Δnгаз – изменение числа молей реагентов. 7.9. (3) Йод обладает бактерицидным действием как в форме его спиртового раствора ("йодная настойка"), так и в парах. Время стерилизации тем меньше, чем выше температура и концентрация йода. Используя приведенные термодинамические характеристики Вещество I2 (кр) I2 (г) ΔfН0298, кДж/моль 0 62,24 S0298, Дж/(моль⋅К) 116,73 259,30 СP,298, Дж/(моль⋅К) 54,44 36,73 а) рассчитать концентрацию газообразного иода в г/л в стерилизаторе-емкости, заполненной стерилизуемым материалом и кристаллами иода, который погружается в кипящую воду (плавится иод при 113,6 °С, а tнтк = 185,5 °С), б) определить молекулярно-физические характеристики молекулы I2 (г): ωe и re ( АМ(I) = 126,9). 7.10. (4) Будет ли происходить «самозагрязнение» бифторида аммония NH4HF2 примесью NH4F в результате установления сопряженных равновесий 1) NH4HF2(кр) R NH4F(кр) + HF(г), 2) NH4F(кр) R NH3(г) + HF(г), при хранении NH4HF2 в инертной атмосфере при 298 К? Изменится ли ответ на этот вопрос при переходе от 298 К к 400 К? Какое давление газов установится в предварительно откачанном сосуде после вбрасывания в сосуд: а) кристаллов NH4HF2, 101 б) кристаллов NH4F, в) равномолярной смеси кристаллов NH4HF2 и NH4F? Термодинамические свойства компонентов равновесий даны в таблице: Вещество ΔfΗ 0298, кДж/моль S0298, Дж/(моль⋅К) NH4HF2(кр) NH4F(кр) NH3(г) HF(г) −802,7 −463,8 −46,19 −268,6 115,5 71,95 192,5 173,5 7.11. (4) При нагревании соли (NH4)2MeO3(кр) (Ме – металл IV-й группы) выделяется газ – смесь аммиака и воды. Температурная зависимость константы равновесия выводится на основании термодинамических свойств газообразных и кристаллических компонентов гетерогенного равновесия и имеет вид lg K P = − 1140 + 23, 4 , T где KР выражено в единицах [атм], ΔrСP можно считать равным нулю во всем диапазоне температур. При измерении давления газа над (NH4)2MeO3(кр) было найдено, что в системе координат lgP – T−1 линейность графика сохраняется не во всем диапазоне температур. Известно, что иных веществ, кроме NH3 и Н2О, в газовой фазе не обнаруживается и не происходит перехода (NH4)2MeO3(кр) или MeO2(кр) в иные кристаллические формы. Что является причиной нарушения линейного характера зависимости lgP = f(T −1)? При более низких или более высоких температурах выполняется линейная зависимость? Оцените температуру, разделяющую области линейной и нелинейной зависимости от Т −1. Пользуясь правилом фаз, установите вариантность систем, соответствующих двум областям зависимости lgP от Т −1. При решении задачи полезной окажется информация о том, что при 0 °С давление насыщенных паров воды равно 4,58 Торр. 102 8. ПРИЛОЖЕНИЯ 8.1 Физико-химические константы и полезные соотношения Фундаментальные константы постоянная Больцмана универсальная газовая постоянная постоянная Авогадро масса покоя электрона заряд электрона число Фарадея постоянная Планка скорость света атомная единица массы масса покоя протона масса покоя нейтрона проницаемость вакуума боровский радиус стандартный объём идеального газа k = 1,38⋅10−23 Дж/К R = 8,31 Дж/моль⋅К NA = 6,022⋅1023моль–1 me = 9,11⋅10−31кг е = 1,6⋅10−19Кл F = 96485 Кл/моль h = 6,63⋅10−34 Дж⋅с c = 2,998⋅108 м/с а.е.м. = 1,66⋅10−27кг mp = 1,6726⋅10−27 кг mn = 1,6750⋅10−27 кг ε0 = 8,9⋅10−12 Кл2/Дж⋅м а0 = 5,29⋅10−11м V0273,15 = 22,41 л/моль Полезные соотношения R·T (при 298,15 К) = 2,48 кДж/моль. h·c/kБ = 1,439 см⋅К. Т, К 298 1000 2000 3000 4000 5000 –1 206 695 1390 2085 2780 3475 ν, см 1 атм = 1,013⋅105 Па. 1 мм рт. ст. = 1 Торр = 133,3 Па. 1 кал = 4,1868 Дж. 1 эВ = 1,602⋅10−19Дж = 96,48 кДж/моль –1 −20 1000 см = 1,986⋅10 Дж = 11,96 кДж/моль = 0,124 эВ. R = 8,314 Дж/(моль⋅К) = 1,99 кал/(моль⋅К) = 82,06 см3⋅атм/ /(моль⋅К) = 0,082 л⋅атм/(моль⋅К). 1 Дебай = 1 D = 3,34⋅10−30 Кл⋅м = 10−18 ед. СГСЕ. 103 8.2 Энергетические характеристики и молекулярные постоянные частиц Т а б л и ц а 8.2.1 Потенциалы ионизации (IP) и сродство к электрону (Q) для некоторых атомов, радикалов и молекул Частица IP, кДж/моль Q, кДж/моль Частица IP, кДж/моль Q, кДж/моль Н 1312 73 ClO 1003 280 He Li C N O F Na S Cl Fe Br I Cs СН СН2 СН3 С2 С2Н5 НО2 CN ОН NO 2372 520 1086 1402 1314 1681 496 1000 1251 762 1142 1008 376 1070 1003 950 1148 809 1112 1370 1272 892 –20 60÷80 120 –20 140 330 30÷50 200 350 55 325 300 20÷60 160÷250 80÷220 100÷175 320 90÷135 370 360 170 80 SO NH2 CF3 CCl3 CH3O CH3CO C6H5 C6H5CH2 Н2 С2Н4 С6Н6 СО2 NO2 O3 SO2 H2O O2 Cl2 Br2 I2 CНО CO 1168 1100 890 850 837 779 900 746 1489 1014 892 1330 944 1208 1190 1217 1165 1109 1019 907 946 1352 100 70÷110 200 140 145 325 210 175 70 175 50 370, < 0 240 180 120 170 190 230 245 245 190 — 104 Т а б л и ц а 8.2.2 Энтальпии образования некоторых атомов в основном состоянии Атом Br C Cl F H He I N Ne O S ΔfH00, кДж/моль 117,9 711,2 119,6 77,4 216,0 0 107,2 470,8 0 246,8 274,7 М, г/моль 79,90 12,01 35,45 19,00 1,008 4,003 126,9 14,01 20,17 16,00 32,06 ΔfH0298, кДж/моль 111,8 716,7 121,3 79,5 218,0 0 106,8 472,7 0 249,2 277,0 Данные таблиц 8.2.1 и 8.2.2 взяты из справочника Гурвич Л.В., Карачевцев Г.В., Кондратьев В.Н., Лебедев Ю.А., Медведев В.А., Потапов В.К., Ходеев Ю.С. Энергии разрыва химических связей. Потенциалы ионизации и сродство к электрону. – М: Наука, 1974. 351с. При составлении таблиц использовались коэффициенты перехода между единицами энергии, принятые в справочнике: 1 кал = 4,184 Дж, 1эВ/молекула = 96,497 кДж/моль 105 Т а б л и ц а 8.2.3 Термодинамические свойства (стандартная энтальпия образования ∆fH0298, энтропия S0298, теплоемкость СP0298) простых веществ, неорганических и органических соединений P Частица ∆fH0298, кДж/моль S0298, Дж/моль⋅К СP0298, Дж/моль·К P I. Простые вещества Сграфит 0 5,74 8,54 Салмаз 1,83 2,37 6,11 H2(г) 0 130,52 28,83 H(г) 217.98 114,60 20,79 O2(г) 0 205,4 29,37 O(г) 249,17 160,95 21,91 O3(г) 142,26 238,82 39,25 N2(г) 0 191,50 29,12 I2(кр) 0 116,14 54,44 I2(г) 62,43 260,60 36,90 I(г) 106,76 180,67 20,79 Br2(ж) 0 152,21 75,69 Br2(г) 30,91 245,37 36,07 Cl2(г) 0 222,98 33,93 Cl(г) 121,34 165,08 21,84 K(кр) 0 64,18 29,58 Na(кр) 0 51,21 28,24 S(ромб) 0 31,92 22,68 0,38 32,55 23,64 S(монокл) 106 Продолжение таблицы 8.2.3 II. Неорганические вещества CO(г) –110,53 197,55 29,14 CO2(г) –393,51 213,66 37,11 COCl2(г) –219,50 283,64 67,15 H2O(г) –241,81 188,72 33,61 H2O(ж) –285,83 69,95 75,30 H2O(кр) –291,85 39,33 – HCl(г) –92,31 186,79 29,14 NO2(г) 34,19 240,06 36,66 SO2(г) –296,90 248,07 39,87 N2O4(г) 11,11 304,35 79,16 SO3(г) –395,85 256,69 50,09 –1206,83 91,71 83,47 CaO(кр) –635,09 38,07 42,05 KCl(кр) –436,68 82,55 51,49 KI(кр) –327,90 106,40 53,00 CaCO3(кальцит) Продолжение таблицы 8.2.3 на странице 108 107 Продолжение таблицы 8.2.3 III. Органические вещества CH4 (г) метан –74,85 186,27 35,71 C2H6 (г) этан –84,67 229,49 52,64 C3H8 (г) пропан –103,85 269,91 73,51 C6H6 (г) бензол 82,93 269,20 81,67 C6H6 (ж) бензол 49,03 173,26 135,14 C7H8 (г) толуол 50,00 320,66 103,64 C7H8 (ж) толуол 12,01 220,96 156,06 C14H10 (кр) антрацен CH2O2(ж) 129,16 207,44 207,94 –424,76 128,95 99,04 C4H2O2(ж) –484,09 159,83 123,43 C3H6O(ж) –248,11 200,41 125,00 C3H6O(г) –217,57 294,93 74,90 н-C3H8O(ж) –304,55 192,88 148,60 н-C3H8O(г) –257,53 324,80 87,11 C6H6O2(кр) –362,96 140,16 139,74 C12H22O11(кр) –2222,12 360,24 425,00 муравьиная кислота уксусная кислота ацетон ацетон н -пропиловый спирт н -пропиловый спирт гидрохинон сахароза 108 Т а б л и ц а 8.2.4 Термодинамические свойства (стандартная энтальпия образования ∆fH0298, стандартная свободная энергия Гиббса образования ∆fG0298, энтропия S0298) ионов в водных растворах [1] Ион H+ OH– ∆fH0298, кДж/моль 0 ∆fG0298, кДж/моль 0 S0298, Дж/моль⋅К 0* –230,02 –157,35 –10,71 – CH3COO –485,64 –369,37 87,58 – HCOO Cl –426,22 –351,54 90,81 – –167,07 –131,29 56,74 – –121,50 –104,04 82,84 –252,17 –282,62 101,04 Br + K I – –56,90 –51,94 106,69 NO3 – –207,38 –111,49 146,94 NH4 + –132,80 –79,52 112,84 NO2 – –106,60 –37,16 139,85 105,75 77,10 73,39 –220,52 –127,16 117,78 –627,98 –527,32 132,38 –743,99 18,20 Ag + IO3 – HSO3 SO4 *) 2– – –909,26 + Абсолютная энтропия H (р-р) 0 S 298= 109 –14,2 Дж/моль⋅К. Пояснения к таблицам 8.2.5 – 8.2.8 Эти таблицы составлены по справочнику Краснов К.С., Филиппенко Н.В., Бобкова В.А. и др. Молекулярные постоянные неорганических соединений. Справочник./Под ред. Краснова К.С. – Л.: Химия, 1979. 448 c. В таблице 8.2.5 для двухатомных молекул приводится терм основного состояния молекулы, отнесённый к минимуму потенциальной кривой значение волнового числа собственных колебаний ωе = ν/с, равновесное межъядерное расстояние re. Энергия диссоциации молекулы D00 отнесена к стандартному состоянию при 0 К. Симметрия двухатомных молекул не указана, так как все гомонуклеарные молекулы относятся к точечной группе симметрии D∞ h, а гетеронуклеарные – к C∞ v. Для многоатомных молекул приводятся точечная группа симметрии молекулы, параметры геометрической конфигурации (межъядерные расстояния, валентные углы), фундаментальные частоты колебаний в виде волновых чисел ωе и теплоты образования соединений при 298 К в стандартном газовом состоянии ΔfH0298. Фундаментальные частоты приводятся под номерами (ν1, ν2, ν3 и т. д.) в тех случаях, когда частоты колебаний отнесены к типам симметрии точечной группы молекулы. Для вырожденных колебаний рядом с частотой в скобках указывается степень вырождения (соответственно 2 и 3). Если отнесение частот к типам симметрии не сделано, они приводятся без нумерации. 110 Т а б л и ц а 8.2.5 Молекулярные постоянные двухатомных частиц Частица NaCl С2 CH CO СS CN SiO N2 NH NO O2 OH S2 HS SO H2 HCl HF HBr F2 Cl2 ClO Br2 I2 Терм основного состояния Частота колебания ωе, см−1 Межъядерное расстояние re⋅1010, м D00 , кДж/моль … Σg 2 Π 1 + Σ 1 + Σ 2 + Σ 1 + Σ 1 + Σg 3 – Σ 2 Π 3 – Σg 2 Πi 3 – Σg 2 Πi 3 – Σ 1 + Σg 1 Σ 1 Σ 1 Σ 1 + Σg 1 + Σg 2 Π 1 + Σg 1 + Σg 364,6 ± 10 1854,8 2861,4 2169,8 1285,1 2028,6 1241,5 2358,0 3316,5 1904,4 1579,8 3737,9 725,7 2711,6 1148,2 4396,6 2990,9 4141,0 2649,7 919,0 559,7 853,8 325,3 214,5 2,361 1,243 1,120 1,128 1,535 1,172 1,510 1,098 1,038 1,151 1,207 0,971 1,889 1,34 1,481 0,7414 1,275 0,917 1,414 1,416 1,988 1,570 2,281 2,666 408,4 602 ± 12 333,0 1072 710 755,6 795 ± 8 942 310 ± 12 626,8 493,7 423,8 421,3 341 ± 12 517 432 428 566 362 155 239,3 265 190 149 1 + 111 Энергия диссоциации Т а б л и ц а 8.2.6 Молекулярные постоянные трёхатомных частиц Частица Симметрия NaOH C∞ v СH2 C2 v ∠HCH=136º Межъядерные расстояния r⋅1010, м rNa–O = 1,93 rO–H = 0,97 rC–H = 1,078 Cs rH–C = 1,151 rC–O = 1,177 HCN C∞ v rH–C = 1,066 rC–N = 1,153 CO2 D∞ h rC–O = 1,162 rC–O = 1,167 HCO NH2 HNO ONCl NO2 ∠HCO=123º C2 v ∠HNH=103º rN–H = 1,024 Частоты колебаний ν, см−1 ν1 = 431 ν2 = 3650 ν3 = 337(2) (2954) (1056) (3123) ν1 = 2488 ν2 = 1820 ν3 = 1083 ν1 = 3441 ν2 = 2129 ν3 = 727(2) ν1 = 1388 ν2 = 667(2) ν3 = 2349 ν1 = 3173 ν2 = 1499 ν3 = 3220 ν1 = 2719 ν2 = 1564 ν3 = 1505 Теплота образования ΔfH0298, кДж/моль −198 ± 12 383 42 ± 5 121 ± 12 −393,5 174 ± 8 Cs rH–N = 1,090 rN–O = 1,209 Cs rO–N = 1,143 rN–Cl = 1,976 ν1 = 1836 ν2 = 336 ν3 = 603 52,3 rN–O = 1,197 ν1 = 1356 ν2 = 757 ν3 = 1664 33,1 ∠HNO=108º ∠ONCl=113º C2 v ∠ONO=134º 112 99,5 N2O H2O HOCl HO2 O3 H2S SO2 ClO2 Cl2O KrF2 C∞ v rN–N = 1,128 rN–O = 1,184 Продолжение таблицы 8.2.6 ν1 = 2224 82,0 ν2 = 1285 ν3 = 589(2) rO–H = 0,957 ν1 = 3657 ν2 = 1595 ν3 = 3756 −241,8 Cs rH–O = 0,959 rO–Cl = 1,689 ν1 = 3609 ν2 = 725 ν3 = 1240 −92 ± 10 Cs rH–O = 0,977 rO–O = 1,335 ν1 = 3410 ν2 = 1095 ν3 = 1390 23,4 ± 8 rO–O = 1,272 ν1 = 1103 ν2 = 701 ν3 = 1042 142,3 ± 2 rH–S = 1,336 ν1 = 2615 ν2 = 1183 ν3 = 2625 −19,2 ± 1 C2 v ∠HOH=105º ∠HOCl=102º ∠HOO=104º C2 v ∠OOO=117º C2 v ∠HSH=92º C2 v ∠OSO=118º C2 v ∠OClO=118º C2 v ∠ClOCl=111º D∞ h rS–O = 1,431 rCl–O = 1,475 rCl–O = 1,700 rKr–F = 1,889 rF···F = 3,781 113 ν1 = 1151 ν2 = 518 ν3 = 1362 ν1 = 963 ν2 = 452 ν3 = 1133 ν1 = 640 ν2 = 300 ν3 = 686 ν1 = 449 ν2 = 233(2) ν3 = 588 −296,8 105 ± 6 78,7 ± 10 60,2 ± 4 (40ºC) Т а б л и ц а 8.2.7 Молекулярные постоянные четырёхатомных частиц Частица BF3 BCl3 CH3 CH2O COCl2 Межъядерные расстояния Симметрия r⋅1010 м Частоты колебаний ν, см−1 Теплота образования ΔfH0298 кДж/моль D3 h rB–F = 1,311 ν1 = 888 ν2 = 697 −1140 ± 15 ν3=1463 (2) ν4 = 481 (2) D3 h rB–Cl = 1,742 rCl···Cl = 3,013 ν1 = 471,0 ν2 = 470,6 ν3 = 986 (2) ν4 = 243 (2) −403 ± 2 rC–H = 1,079 ν1 = 3044 ν2 = 607 ν3=3162 (2) ν4=1396 (2) 147 ± 4 D3 h ∠HCH=120º C2 v ∠HCH = 116º ∠HCO = 122º C2 v ∠ClCCl=111º rC–H = 1,117 rC–O = 1,201 rC–O = 1,166 rCl–O = 2,589 rC–Cl = 1,746 rCl···Cl = 2,884 114 ν1 = 2780 ν2 = 1748 ν3 = 1507 ν4 = 1180 ν5 = 2847 ν6 = 1257 (570); 1827; 285; 849; 440; (585) −116 ± 6 −220 ± 3 Продолжение таблицы 8.2.7 NH3 HNO2 C2 v ∠HNH=107º Cs трансформа ∠NOH=102º ∠ONO=111º NO3 N2O2 (D2 h) ∠ONO=120º (C2 v) цис-форма ∠NNO = 90º H3O+ (C3 v) ∠HOH =109º rN–H = 1,016 rH···H = 1,66 ν1 = 3337 ν2 = 950 ν3=3444 (2) ν4=1627 (2) −45,9 rO–H = 0,959 rN–OH = 1,442 rN–O = 1,186 ν1 = 3588 ν2 = 1699 ν3 = 1265 ν4 = 791 ν5 = 593 ν6 = 540 −78,8 rO–N = (1,27) ν1 = 940 ν2 = 765 ν3=1158 (2) ν4 = 704 (2) 71 ± 8 rN–O = 1,15 rN–N = 1,75 rO–H = (0,95) 581 ± 12 rO–H = 0,965 rO–O = 1,452 ν1 = 3598 ν2 = 1388 ν3 = 875 вн. вращ. вдоль О–О ν5 = 3610 ν6 = 1266 −136 ∠OOH =100º H2O2 169 ν1 = 3760 ν2 = 1050 ν3=3870 (2) ν4=1550 (2) C2 двугран. угол между плоскми связей νs = 1860 νas = 1788 О–Н = 120º 115 Продолжение таблицы 8.2.7 H2S2 SOCl2 SO3 NO2Cl ∠SSH = 91º Cs ∠ClSCl = 96º ∠ClSO =106º D3 h ∠OSO = 120º ∠ONO =130º rS–S = 2,055 rS–H = 1,327 rS–O = 1,443 rS–Cl = 2,076 rS–O = 1,418 rCl–N = 1,83 rN–O = 1,21 116 νs; 2509; 882 509; 202; νas; 2577; 886 ν1 = 1229 ν2 = 490 ν3 = 194 ν4 = 344 ν5 = 443 ν6 = 284 ν1 = 1068 ν2 = 495 ν3= 1391(2) ν4= 529 (2) ν1 = 1319 ν2 = 793 ν3 = 370 ν4 = 652 ν5 = 1685 ν6 = 652 15,5 −213 −396 12 ± 2 Т а б л и ц а 8.2.8 Молекулярные постоянные многоатомных частиц Частица Симметрия, межъядерные расстояния Частоты колебаний ν, см−1 10 r⋅10 , м ν1 = 2916,5 ν2 = 1534,0 (2) ν3 = 3019 (3) ν4 = 1306 (3) Теплота образования ΔfH0298, кДж/моль CH4 Td rC–H = 1,0934 CH3Cl C3 v ∠HCH = 108º ∠HCCl = 111º rC–H = 1,096 rC–Cl = 1,781 ν1 = 2968 ν2 = 1355 ν3 = 732 ν4 = 3054 (2) ν5 = 1455 (2) ν6 = 1017 (2) −83,7 ± 2 CH3F C3 v ∠HCH = 110º rC–H = 1,106 rC–F = 1,385 ν1 = 3046 ν2 = 1496 ν3 = 1077 ν4 = 3165 (2) ν5 = 1514 (2) ν6 = 1207 (2) −238 ± 8 C3 v ∠HCH = 111º17′ rC–H = 1,085 rC–I = 2,133 ν1 = 2915 ν2 = 1251 ν3 = 533 ν4 = 3062 (2) ν5 = 1438 (2) ν6 = 883 (2) 14,6 ± 1 CH3I 117 −74,8 Продолжение таблицы 8.2.8 цис ν1 3570; ν2 2943; ν3 1770; ν4 1387; ν5 1227; ν6 1105; ν7 625; ν8 1033; ν9 638; Cs ∠OCO = 125º ∠H–C=O = 124º35′ ∠C–O–H = 106º50′ CH2O2 rC–H = 1,097 rC=O = 1,228 rC–O = 1,317 rO–H = 0,974 rO···O = 2,258 транс ν1 3570 ν2 2943 ν3 1770 ν4 1387 ν5 1229 ν6 1105 ν7 638 ν8 1033 ν9 582 −379 CHCl3 C3 v ∠ClCCl = 111º18′ ∠HCCl = 107º34′ rC–H = 1,100 rC–Cl = 1,758 ν1 = 3034 ν2 = 680 ν3 = 363 ν4 = 1220 (2) ν5 = 774 (2) ν6 = 261 (2) −103,2 ± 1 CF4 Td rC–F = 1,322 ν1 = 908; ν2 = 435 (2) ν3 = 1272 (3) ν4 = 632 (3) −933 CCl4 Td rC–Cl = 1,766 ν1 = 459 ν2 = 218 (2) ν3 = 776 (3) ν4 = 312 (3) −103 Td rSi–H = 1,480 ν1 = 2185 ν2 = 972 (2) ν3 = 2189 (3) ν4 = 913 (3) 35 ± 1 SiH4 118 Продолжение таблицы 8.2.8 N2O3 O′ O N −N′ O′′ Cs ∠ONN′ = 105,1º ∠O′N′N = 112,7º ∠O′′N′N = 117,5º rN–N′ = 1,864, rN–O = 1,142, rN′–O′ = 1,202 rO′′–N′ = 1,217 SO3F C3 v ∠OSF = 108,6º rS–O = 1,46 rS–F = 1,64 FClO3 C3 v ∠OClO = 116,5º ∠OClF = 100,8º rCl–O = 1,404 rCl–F = 1,619 XeO4 Td rXe–O = 1,736 BH3CO C3 v ∠HBC = 104º37′ ∠BCO = 180º ∠HBH = 113º52′ rB–H = 1,194 rC–O = 1,131 rB–C = 1,540 ν1= 1832 ν8 = 337 ν2 = 1652 ν9 = 63? ν3 = 1305 ν4 = 773 ν5 = 414 ν6 = 241 ν7 = 160 ν1 = 1056 ν2 = 839 ν3 = 534 ν4 = 1178 (2) ν5 = 604 (2) ν6 = 369 (2) ν1 = 1061 ν2 = 707 ν3 = 549 ν4 = 1315 (2) ν5 = 589 (2) ν6 = 405(2) ν1 = 776 ν2 = 267 (2) ν3 = 879 (3) ν4 = 306 (3) ν1 = 2385 ν2 = 2166 ν3 = 1083 ν4 = 707 ν5 = 2456 (2) ν6 = 1100 (2) ν7 = 819 (2) ν8 = 314(2) 119 83,3 ± 1 ……… −21,4 ± 2 ……… ΔfH00 = −177 Продолжение таблицы 8.2.8 CH3CN C3 v ∠CCH = 109,7º rC–H = 1,107 rC–N = 1,159 rC–C = 1,468 ν1 = 2954 ν2 = 2278 ν3 = 1111 ν4 = 920 ν5 = 3009(2) ν6 = 2257(2) ν7 = 1047(2) ν8 = 1042(2) 66 ± 7 ν1=3026; ν7=949 C2H4 D2 h ∠HCH = 117º22′ ∠CCH = 121º19′ rC–H=1,086 rC=C=1,337 ν2=1623; ν8=3136 ν3=1342; ν9=1374 ν4=1023; ν10=1130 52,5 ν5=3102; ν11=769 ν6=1222; ν12=756 N2O4 CH3NO2 D2 h ∠ONO = 135,4º rN–N=1,782 rN–O=1,190 Cs ∠ONO = 125,3º ∠NCH = 107,2º rC–N = 1,489 rN–O = 1,224 rC–H = 1,088 ν1=1380; ν7=425 ν2=808; ν8=672 ν3=266; ν9=1758 ν4=79; ν10=270 ν5=1712; ν11=1264 ν6=482; ν12=751 9,2 ± 1,7 ν1=3048; ν9=599 ν2=2965; ν10=3048 ν3=1488; ν11=1582 ν4=1449; ν12=1413 ν5=1384; ν13=1097 ν6=1153; ν14=476 ν7=921; ν15=(200) ν8=647 −74,7 120 Продолжение таблицы 8.2.8 ν1 = 770, ν6 = 947 (3) ν2 = 640 (2) −1221 ± 1 ν3 = 522 (3) ν4 = 345 (3) ν5 = 615 (3) SF6 Oh rS–F = 1,564 H2SO4 C2 v ∠O–S–O = (100º) ∠O=S=O = (125º) ∠SOH = (105º) rS=O = (1,42) rO–H = (0,97) rS–O(H) = (1,53) C2 v N2O5 ∠O=N=O =134 ± 9º ∠NON = 95 ± 3º rN=O = 1,21 rN–O = 1,46 ν1=3500; ν9=3610 ν2=1223; ν10=1159 ν3=1138; ν11=883 ν4=834; ν12=400 ν5=550; ν13=1450 ν6=380; ν14=450 ν7=450; ν15=568 ν8=390; −741 ± 8 ν1=1728; ν9=577 ν2=1338; ν11=1728 ν3=743; ν12=1247 ν4=614; ν13=860 ν5=353; ν14=743 ν6=(85); ν15=353 ν7=(614); ν8=?; ν10=? 11,3 ± 1,5 121 8.3. Ответы к задачам 1. Энергетика химических реакций 1.2. 0; −1,24; −4,95; −7,44; 0 кДж/моль. 1.4. +17,5 кДж/моль и 94 Дж/(моль⋅К) для К(кр); 104,6 и 185 для К(г); −431 и 143 для КCl(кр).1.6. СО2 + 2N2 + 3О2. 1.8. Реакция 2. 1.10. +24,3 кДж/моль. 1.12. −872 кДж/моль. 1.14. −94 кДж/моль. 1.16. −717 кДж/моль. 1.20. –185 кДж/моль, 427 Дж/(моль⋅К). 1.22. 1. – В, 2. – Б или В, 3. – А, 4. – Б. 1.24. 804; 536, 473; 463; 385, 410, 416; 327; 486; 202; 136 кДж/моль. 1.26. 27 кДж/моль. 1.28. 12,2; 259,2 кДж/моль. 1.30. С5Н10, С6Н4 – ΔfH < 0; C4H6, C2H2 – ΔfH > 0. 1.32. 1. ΔrΗ > 0, ΔrS ≈ 0. 2. ΔrΗ < 0, ΔrS < 0. 3. ΔrΗ < 0, ΔrS < 0. 4. ΔrΗ > 0, ΔrS > 0. 1.34. Диметилпероксид. 1.36. СО, Н2, (Хе, Не), О2, СО2. 2. Расчеты положений химических равновесий 2.2. 1) 1 атм−2; 2) 6,25 атм−2; 3) 128 атм−3; 4) 0,197 атм−2; 5) 5 атм; 6) 104 атм−1. 2.4. 1) 0,6, в 10 раз; 2) 10−2, в 1000 раз; 3) 0,23, в 3,8 раза. 2.6. 1,31⋅10−5 атм, 2⋅10−7 М, 5⋅10−3. 2.8. 0,666. 2.10. 2,22⋅10−2 атм. 2.12. 272,8 М−1. 2.14. 1,32; 1,555; 1,84; 2,46; 3,44 атм. 2.16. [Ag+] = 7,18⋅10−7 M, [Br−] = 6,96⋅10−7 M, [CN−] = = 0,22⋅10−7 M. 3. Расчеты термодинамических функций с использованием методов статистической термодинамики 3.2. При Т → 0 заселён только уровень Е0, при Т → ∞ распределение частиц по уровням равномерное; ST=0 = 0; ST→∞ = k⋅N⋅ln4. 17 23 3.4. 2⋅10−4 Дж; 104,76⋅10 . 3.6. 1; 12,23; 106,5⋅10 . 3.8. а) 0,895; 3.10. Н2О. 3.12. 0,0076; 0,022. 3.14. 19. в) 0,714R. 3.18. 6; 8; 12; 6; 24. 3.20. −4,57 3.16. 13,7 Дж/(моль⋅К). Дж/(моль⋅К). 3.21. 0; 0; −1,68; −1,68 кДж/моль; 5,65 Дж/(моль⋅К). 3.22. − 816 Дж/моль. 3.23. CP,298 = 71,6; СP,600 = 79,7; СP,1000 = 81,9 Дж/(моль⋅К). 3.24. 5/2. 3.26. 274,0; 308,0 Дж/(моль⋅К). 3.27. 357,0; 403,5; 434,2 Дж/(моль⋅К). 122 4. Физические равновесия 4.2. 242,6 Дж/(моль⋅К). 4.4. –235 кДж/моль, 282 Дж/(моль⋅К). 4.6. 449 К. 4.8. 56ºС; −2,7 кДж/моль; 98,6 Дж/(моль⋅К); 32,5 кДж/моль. 4.10. n⋅R⋅(В – Т). 4.12. 18,5 кДж/моль. 4.14. Рвода < <Рэтилакрилат < Рэтилпропионат < Ртриметилпентан; Триметилпентан Р298 = = 57,9 Торр. 4.16. 140 атм. 4.18. 130 атм. 4.20. −35,5 Дж/(моль⋅К); 4.22. 2; не изменится. 4.24. 2; 3; 1; 2;.1; 2. 4.26. М2 = = q2 ⋅ M1 * q1 P P − 1 . 4.28. 6,53 Дж/К. 4.30. а)1,07⋅10−3 М, 1,1⋅10−4 М; б)1100 см3; в) 3. 4.32. 9,7; 6,6; 9,5 кДж/моль; 4.34. ≈ 12 кДж. 4.36. 0,0036. 4.38. 4,3 г. 4.40. 6,25⋅10−3; 2,66⋅10−2; 0,1. −19 4.44. 3,1⋅10 . 4.46. –8,3 кДж/моль. 5. Химические равновесия 5.2. ΔrH < 0, ΔrU < 0, ΔrS > 0, ΔrG < 0, A > 0. 5.4. РСО2 = РН2 = 2,43 атм, РСО = РН2О = 2,57 атм. 5.6. 23,9 Дж/(моль⋅К). 5.8. 0,98 кДж. 5.10. 2) 8,69; 4) 154,9; 6) 9,34; 8) 46,5 кДж/моль. 5.12. lg K P = − 6861 T + 1, 03 ln T − 0, 60 . 5.14. 80,7 кДж/моль. 5.16. −241,8 кДж/моль. 5.18. 63,4 атм. 5.20. 3,46 атм; 108,6 Дж. 5.22. 185,5 Дж/(моль⋅К). 5.24. Увеличится. 5.26. Увеличится в 1,8 раза. 5.28. 0,08. 5.30. 5,7⋅10–2. 7. Комплексные задачи 7.2. 48 кДж/моль. 7.4. 660 К; Р700 = 4,666 атм; Р600 = 1,23 атм. 7.6. 1,211 в; 1,14⋅10−3 в/К; 1,476 в. 7.8. Можно. 7.10. Не будет; не изменится; 1,11⋅10−5; 8,85⋅10−6; 8,85⋅10−6 атм. 123 ЗАКЛЮЧЕНИЕ В связи с химическими и физическими преобразованиями веществ возникают вопросы о возможности таких преобразований в заданных условиях и их скоростях. Поисками ответа на эти вопросы и занимается химическая физика. Ответ на первый вопрос – предмет рассмотрения термодинамики. Химическая термодинамика имеет дело с термодинамическими системами, в которых может меняться число частиц и/или их химический состав. Это самый сложный раздел термодинамики с особым математическим аппаратом. Он основан на законе сохранения энергии и таких понятиях, как энтропия, химический потенциал и константа равновесия. Большинство задач настоящего пособия даны в классической однопараметрической форме – задается интенсивный параметр, при вариации которого следует рассчитать изменение термодинамических свойств в процессах перехода системы к равновесию. Такая постановка задачи имеет бесспорные достоинства – простоту, минимальное время расчета и возможность представления результата в аналитическом виде. Между тем многие научные коллективы успешно внедряют методы компьютерного моделирования при исследовании сложных термодинамических и кинетических процессов в химии и биологии. Часть задач пособия может быть задана в многопараметрической форме (широкая область температур, давлений и составов термодинамической системы и др.) Отметим, что использование многопараметрического метода необычайно расширяет возможности анализа физико-химического явления в целом. Нет сомнения, что многопараметрическая форма расчета может быть с успехом использована преподавателями, ведущими семинарские занятия по химической термодинамике, в домашних и индивидуальных заданиях. Представление результатов выполнения таких исследований в графическом виде способствует более глубокому пониманию поведения различных термодинамических систем. 124 СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 1. Герасимов Я.И., Древинг В.П., Еремин Е.Н., Киселев А.В., Лебедев В.П., Панченков Г.М., Шлыгин А.И. Курс физической химии. Т. 1. – М., Химия, 1970. – 592 с. 2. Гиббс Дж.В. Термодинамика. Статистическая механика. – М.: Наука, 1982. – 584 с. 3. Гурвич Л.В., Вейц И.В., Медведев В.А. и др. Термодинамические свойства индивидуальных веществ. Справочное издание. В 4 Т. – 3-е изд., перераб. и расширен. – М.: Наука, 1978 – 1982. 4. Гурвич Л.В., Карачевцев Г.В., Кондратьев В.Н., Лебедев Ю.А., Медведев В.А., Потапов В.К., Ходеев Ю.С. Энергии разрыва химических связей. Потенциалы ионизации и сродство к электрону. – М.: Наука, 1974. – 351 с. 5. Даниэльс Ф., Олберти Р. Физическая химия / Под ред. Топчиевой К.В.; Пер с англ. – М.: Мир, 1978. – 645 с. 6. Древинг В.П., Калашников Я.А. Правило фаз. – М.: МГУ, 1964. – 455 с. 7. Карапетьянц М.Л., Карапетьянц М.Х. Основные термодинамические константы неорганических и органических веществ. − М.: Химия, 1968. 8. Карапетьянц М.Х. Химическая термодинамика. – М.: Химия, 1975. – 520 с. 9. Карякин Н.В. Основы химической термодинамики: Учеб. пособие для вузов – М.: Издательский центр «Академия», 2003. – 464 с. 10. Краткий справочник физико-химических величин. – 8-е изд./ Под ред. Равделя А.А. и Пономарёвой А.М. – Л.: Химия, 1983. – 232 с. 11. Леонова В.Ф. Термодинамика. – М.: Высшая школа, 1968. – 158 с. 12. Мелвин-Хьюз Э. А. Физическая химия / Под ред. Герасимова Я.И. ; Пер с англ. в двух книгах. – М.: Издатинлит. 1962. – 1148 с. 13. Мюнстер А. Химическая термодинамика. / Под ред. Герасимова Я.И.; Пер. с нем. – М.: Мир,1971. – 295 с. 125 14. Полторак О.М. Термодинамика в физической химии. – М.: Высшая школа, 1991. – 319 с. 15. Пригожин И. , Кондепуди Д. Современная термодинамика. От тепловых двигателей до диссипативных структур / Пер. с англ. Данилова Ю.А. и Белого В.В. – М.: Мир, 2002. – 461 с. 16. Смирнова Н.А. Методы статистической термодинамики в физической химии. – М.: Высшая школа, 1982. – 456 с. 17. Тиноко И., Зауэр К., Вэнг Дж., Паглиси Дж. Физическая химия. Принципы и применение в биологических науках. / Под ред. Горшкова В.И.; Пер. с англ. Разумовой Е.Р. – М.: Техносфера, 2005. – 744 с. 18. Физическая химия. Теоретическое и практическое руководство. Учеб. пособие для вузов / Под ред. Никольского Б.П. – Л.: Химия, 1987. – 880 с. 19. Хачкурузов Г.А. Основы общей и химической термодинамики. – М.: Высшая школа, 1979. – 268 с. 20. Шляпинтох В.Я., Замараев К.И., Пурмаль А.П. Химическая термодинамика. – М.: МФТИ, 1975. – 280с. 21. Эткинс П. Физическая химия / Пер. с англ. Бутина К.П. Т. 1, 2 – М.: Мир, 1980. – 580, 584 с. 126