Контрольная работа Вариант 8 Содержание

Контрольная работа
Вариант 8
Содержание
Задача 1..................................................................................................................... 3
Задача 2..................................................................................................................... 6
Задача 3..................................................................................................................... 8
Задача 4................................................................................................................... 10
Задача 5................................................................................................................... 13
Задача 6................................................................................................................... 14
Список использованных источников .................................................................. 17
2
Задача 1
Для химической реакции, протекающей в газовой фазе при атмосферном давлении рассчитать изменение:
-энтальпии (∆Н);
-внутренней энергии ∆U;
-энтропии ∆S;
-изобарно-изотермического потенциала ∆G;
-изохорно-изотермическоо потенциала (∆F) при температурах 298 К и
Т=600К.
При проведении рассчетов газы считать идеальными.
Сделать вывод, будет ли протекать данная реакция в указанных условиях?
Решение
Уравнение реакции:
СО2+4Н2=СН4+2Н2О
Таблица 1 - Данные для исходных веществ и продуктов реакции
СО2
Н2
СН4
Н2О
∆Н298 кДж/моль
-393,51
0
-74,5
-241,81
∆S298 Дж/моль·К
213,66
130,52
186,27
188,72
cp Дж/моль·К
37,11
27,28
35,71
33,61
По закону Гесса:
∆H298 реакции=∑n∆H298 продуктов реакции -∑m∆H298 исходных веществ
∆S298 реакции=∑n∆S298 продуктов реакции -∑m∆S298 исходных веществ,
∆с р298 реакции=∑n с р 298 продуктов реакции -∑m с р 298 исходных веществ, где
n,m-стереохимические коэффициенты по уравнению реакции.
3
Подставляем численные значения:
∆H298 реакции=((-74,5)+2(-241,81))-((-393,51)=-164,61 кДж/моль;
∆S298 реакции=(186,27+2·(188,72))-(213,66+4·(130,52)=-172,03;
По закону Киргофа:
∆Hт=∆H298 -∑∆ср(Т2-Т1)
∆с р298 реакции=(35,71+2(33,61))-(37,11+4(27,28))=-43,3Дж/(моль· К)
∆H600=-164610-(-43,3)(600-298)=-151533,4 Дж/(моль·К)
∆U298=∆H298 -p∆V при изобарном процессе p∆V=0, ∆U298=∆H298
∆Uт=∆U298 -∑∆сv(Т2-Т1)
Из уравнения Майера для идеальных газов
ср – сv =R, где R-универсальная газовая постоянная=8,31, отсюда
сv = ср –R, следовательно
∆U600=-164610 –(-43,3-8,31)(600-298)=-149023,78 Дж/(моль·К)
∆Sт=∆S298 -∆сpln T/298
Подставляем численные значения:
∆S600=-172,03-(-43,3)ln600/298=-141,72 Дж/(моль·К)
Изобарно-изотермический потенциал по уравнению Гибса-Гельмгольца
∆G298=∆H298 -T∆S298
∆G600=∆H600 -T∆S600
Подставляем численные значения
∆G298=-164610 -298(-172,03)=-113345,06 Дж=-113,35 кДж<0
∆G600=-151533,4-600(-141,72)=-66501,4Дж =-66,5 кДж<0
Изохорно-изотермический
потенциал
по
уравнению
Гибса-
Гельмгольца
∆F298=∆U298 -T∆S298
∆F600=∆U600 -T∆S600
Подставляем численные значения
∆F298=-164610 -298(-172,03)=-113345,06 Дж=-113,35 кДж<0
∆F600=-149023,78-600(-141,72)=-63991,78Дж =-63,78 кДж<0
Поскольку∆G<0 и ∆F<0, реакции могут протекать самопроизвольно в
4
указанном направлении при данных температурах.
5
Задача 2
Вычислить константу скорости реакции при температуре 600К по методу Темкина-Шварцмана. Сделать вывод, в каком направлении сместится
равновесие:
-с ростом температуры
-при уменьшении давления
Решение
Уравнение реакции:
СО2+4Н2=СН4+2Н2О
Таблица2- Данные для исходных веществ и продуктов реакции
СО2
Н2
СН4
Н2О
∆Н298 кДж/моль
-393,51
0
-74,5
-241,81
∆S298 Дж/моль·К
213,66
130,52
186,27
188,72
27,28
30,0
14,32
74,66
Коэффициенты
урав- 44,14
нений ср=а+вТ+сТ2
Дж/(моль·К),
а
в·103
9,04
3,26
10,71
С 10-5
-8,54
0,5
0,33
с·106
-17,43
По закону Гесса:
∆H298 реакции=∑n∆H298 продуктов реакции -∑m∆H298 исходных веществ
∆S298 реакции=∑n∆S298 продуктов реакции -∑m∆S298 исходных веществ,
n,m-стереохимические коэффициенты по уравнению реакции.
Подставляем численные значения:
6
∆H298 реакции=((-74,5)+2(-241,81))-((-393,51)=-164,61 кДж/моль;
∆S298 реакции=(186,27+2·(188,72))-(213,66+4·(130,52)=-172,03;
∆а=(30,0+2·14,32)-(44,14+4·27,28)=-94,62
∆b·103=(10,71+2·74,6)-(9,04+4·3,26)=137,83
∆c10-5=0,33-(-8,54+4·0,5)=6,87
∆c106=-17,43
По уравнению Темкина-Шварцмана
∆G600=∆H298-T∆S298 +∆aM0+∆bM1+∆cM2+∆cM-2
Таблица 3- Данные для уравнения Темкина –Шварцмана
Т,К
600
M1 10-3
M0
0,1962
0,0759
M2 10-6
0,303
M-2 105
0,1423
Подставляем числовые значения:
∆G600=-164610-600·(-172,03)
+(-94,62)·0,1962+137,83·0,0759+
(-
17,43)·0,1423+ 6,87·0,303= -61400Дж
∆Gт=-RTln Kp, отсюда
Кр=е-∆G/RT
Подставляем численные значения
Кр=1,01
При повышении температуры химическое равновесие данной реакции
сместится в сторону сходных продуктов, так как рация экзотермическая, потому что чем больше по абсолютной величине тепловой эффект химической
реакции, тем сильнее влияет температура на величину константы равновесия.
При понижении давления химическое равновесие так же сместится в
сторону образованиия исходных веществ.
7
Задача 3
Нелетучее вещество ванилин массой 84,3 г растворено в 1 кг воды. Рассчитать:
-давление пара над раствором;
-осмотическое давление пара
-температуру замерзания раствора
-температуру кипения раствора;
Давление пара чистой воды при температуре 50С-12335 Па. Криоскопическая и эбулиоскопическая постоянные воды равны соответственно 1,86 и
0,52 к кг моль.
Решение
Мольная доля растворенного вещества ванилина:
Х=N ванилина/N общее кол-во вещества раствора
N= m/M, где м- масса растворенного вещества,
М - молярная масса вещества
Х=(84,3/152,15)/( 84,3/152,15+1000/18)=0,0099
Давлеие пара над раствором по Закону Рауля:
Р = Р0- Р0·Хванилина
Подставляем численные значения
Р=12335-12335·0,0099=12212,88 Па
Осмотическое давление раствора:
Π=I CRT,
Где I-изотонический коэффициент раствора,
R-универсальная газовая постоянная
Т-температура
С-молярная концентрация
8
I=p/p0
Подставляем числовые значения:
П=12212,88/12335·0,0006·8,31·323=1,62 кПа
Температура замерзания раствора:
Т=Т0- кm
Температура кипения раствора:
Т=Т0+ Еm, где
M - моляльная концентрация раствора,
К, Е - криоскопическая и эбулиоскопическая константы воды/
m=N ванилина/М воды (кг)
подставляем числовые значения
Температура замерзания раствора:
Т=0-1,86·0,55=-1,02°С
Температура кипения раствора:
Т=100+0,52·0,55=100,29°С
9
Задача 4
В таблице приведена зависимость составов жидкой (х) и газообразной(у) фаз от температуры Т для бинарной жидкой системы А-В при постоянном давлении.Составы х и у выражены в мольных долях вещества А.
-построить график зависимости состава пара у от состава жидкой фазы
х при р= соnst.
-поcтроить график зависимости температуры кипения от состава жидкой и паровой фаз Т=F(x,y).
-по графику определить температуру кипения системы, содержащей а
моль%=30 компонента А, состав равновесного с ней пара, температуру, при
которой исчезнет последняя капля жидкости и ее состав.
-определить состав жидкой смеси, кипящей при Т1 и состав равновесного с ней пара.
Определить вариантность системы в азеотропной точке.
Решение
Таблица 4-Данные для построения графиков
Система
А-СНСl3
B-CH3OH
Состав А моль%
х
у
0
0
2,9
8,3
6,3
16,1
10,3
24,0
15,2
32,3
21,2
41,2
28,7
48,8
38,5
54,2
51,8
58,9
70,7
67,8
84,7
82,3
100
100
10
Т,К
Т1,К
337,9
337,1
335,4
333,7
332,1
330,5
328,9
327,5
326,7
326,7
330
334,4
330,5
120
100
80
60
40
20
0
0
8.3 16.1
24
32.3 41.2 48.8 54.2 58.9 67.8 82.3 100
Рисунок 1- График зависимости состава пара у от состава жидкой фазы
х при р= соnst.
120
100
80
60
40
20
0
337.9 337.1 335.4 333.7 332.1 330.5 328.9 327.5 326.7 326.7
330
334.4
мольная концентрация % А в газообразной фазе
мольная концентрация % А в жидкой фазе
Рисунок 2- График зависимости температуры кипения от состава жидкой и паровой фаз Т=F(x,y)
График зависимости температуры кипения от состава жидкой и паро11
вой фаз Т=F(x,y) построен в шаблоне ворд 2007 для иллюстрации, поэтому
ось абсцисс температура К, ось ординат мольная концентрация % вещества
Ав жидкой и газообразной фазе. Реальный график отражает температуру по
оси ординат и концентрации жидкой и газообразной фазы веществ А0→100 и
В 0←100 по оси абсцисс. Рассчеты производились по реальному графику.
По графику
температура кипения системы, содержащей 30 моль%
компонента А равна 328,1К, состав равновесного с ней пара состав равновесного с ней пара 44,3 мольных процента вещества А и 55,7мольных% вещества В, температура, при которой исчезнет последняя капля жидкости равна
337,9K и ее состав 100% вещество В-СН3ОН.
Состав жидкой смеси, кипящей при Т1=330,5К равен 19,1 мольный %
вещества А-СНСl3 и 80,7 мольный % вещества В СН3ОН и состав равновесного с ней пара равен 30,1 мольный % вещества А-СНСl3 и 69,9 мольный %
вещества В СН3ОН.
Система в азеотропной точке инвариантна и имеет одинаковый состав
жидкой и газобразных фаз, согласно 2 закону Гиббса-Коновалова: 65 мольных% вещества А-СНСl3 и 35 мольных % вещества В СН3ОН.
12
Задача 5
Вычислить ионную силу водного раствора (I), средний ионный коэффицент активности (y) и термодинамическую активность электролита (
a)Cr2(SO4)3, a=108m5y5, m=1,023.Величина А для водного расвора при
298К=0,509.
Решение
Ионная сила раствора определяется для Cr2(SO4)3 и равна полусумме
произведения концентраций ионов на квадраты их зарядов:
I = 1/2 * Σ(См*z2]
I=0,5·(1,023·9+1,023·4)=6,64
Тогда средний коэффициент активности ионов хрома и сульфат-ионов
может быть рассчитан по уравнению Дебая-Хюккеля
lg y = - Аz2(I)1/2/(1+(I)1/2
у(Cr3+)= 0,0005
у(SO)2-)= 0,0034
у ср=0,0023
a=108m5y5
а=1,6·10-12
13
Задача 6
Экспериментально определены зависимости констант скорости реакций от температуры.
-Построить графическую зависимость в координатах lnk=f(1/T)
-Определить энергию активации указанной реакции
-Определитьтемпературный коэффициент скорости реакции у.
-Рассчитать константу скорости реакции при температуре 355K и найти
через какое время при этой температуре реакция завершится на 40%.
-Установить при температуре 298К чему равен период полураспада.
Решение
Реакция окисление оксида азота (II) кислородом воздуха.
2NO+O2=2NO2
Таблица 5 - Данные условия
Т,К
228
300
414
564
К1 10-5мин-1
2,8
4,0
7,1
10,1
Таблица 6 - Данные для построения графика
1/Т
0,0044
0,0034
0,0025
0,0018
Ln k
-4,55
-4,39
-4,14
-4,0
14
-3.7
0.0018
0.0025
0.0034
0.0044
-3.8
-3.9
-4
-4.1
-4.2
-4.3
-4.4
-4.5
-4.6
Рисунок 3 - Графическая зависимость в координатах lnk=f(1/T)
По уравнению Аррениуса энергия активации
Еа=Rtgα
Еа=8,31 tg165°=-2,27кДж
Температурный коэффициент скорости реакции ϒ:
По правилу Вант-Гоффа
v2/v1 = γ(T2 - T1)/10
в данном случае отношение скоростей можно заменить отношением
констант скорости реакций
k2/k1 = γ(Т2 - Т1)/10
2,8/4,0 = γ(300- 228)/10
Отсюда γ = 0,95
Константа скорости реакции при температуре 355K и найти через какое
время при этой температуре реакция завершится на 40%.
По уравнению Аррениуса:
lg(k2/k1) = (Ea/2,3R)*(1/T1 - 1/T2),
где k1 и k2 - константы скоростей реакции при температурах Т1 и Т2
соответственно,
Еа - энергия активации реакции,
15
R - универсальная газовая константа.
Используя Еа, найти k- при 355К:
lg(2,8*10-5/k) =-2270/19,1222*(1/228 - 1/355)
lg(2,8*10-5/k) = -0,201
(2,8*10-5/k) = 10-0,201 = 3,162
k(355) = 2,8*10-5/3,0162= 6,9*10-5 (с-1)
время при этой температуре реакция завершится на 40%.
t=-ln(C/(C0-C))/k
t=-ln1,5/6,9·10-5 =5880c=98мин
При температуре 298К период полураспада равен:
t1/2298= ln2/k
Константа скорости реакции при Т=298К:
lg(2,8*10-5/k) =-2270/19,1222*(1/228 - 1/355)
lg(2,8*10-5/k) = -0,136
(2,8*10-5/k) = 10-0,136= 0,813
k(298) = 2,8*10-5/4,008= 3,786*10-5 (с-1)
t1/2298= ln2/3,786·10-5 =18310c=5 ч 5 мин
16
Список использованных источников
1.
Краткий справочник физико-химических величин. – 8-е изд., перераб. /
Сост. Н.М. Барон, А.М. Пономарева, А.А. Равдель, З.Н. Тимофеева.– Л.:
Химия, 1983. – 232 с.
2.
Кудряшов И.В., Каретников Г.С. Сборник примеров и задач по физи-
ческой химии. – 6-е изд., перераб. и доп. – М.: Высшая школа, 1991. – 526 с.
3.
Кузнецов Ю.С., Леонович Б.И. Физическая химия: Учебное пособие. –
Челябинск: ЮУрГУ, 1998. – 344 с.
4.
Курс физической химии. – 2-е изд., испр. / Я.И. Герасимов, В.П. Дре-
винг, Е.Н. Еремин и др. – М.: Химия, 1970. – Т. 1. – 592 с.
5.
Стромберг А.Г., Семченко Д.П. Физическая химия. – 2-е изд., перераб.
и доп. – М.: Высшая школа, 1988. – 495 с.
17