Основы физической химии

Министерство науки иобразования Российской Федерации

Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

"Пермский государственный технический университет"

Березниковский филиал

Кафедра химической технологии и экологии

Расчетная работа

Основы физической химии

2010

1. Задание.

Определить ∆Н, ∆U, ∆S, ∆F, ∆G реакции при постоянном давлении р = Па и Т = 450 К.

Справочные материалы.

1.1Расчет теплового эффекта реакции

Расчет теплового эффекта реакции в изобарном процессе в стандартных условиях (DH):

∆= ∆-(∆)

∆-3441,80-(-1675,69+3(-395,85))=-578,56 кДж

Вывод: В стандартных условиях данный процесс является экзотермический, реакция идет с выделением тепла.

Расчет теплового эффекта реакции в изобарном процессе при заданной температуре(DH):

∆с=0, т.к. все вещества неорганические

∆

∆a ==366,31-(114,55+3*64,98)=56,82

∆b ==62,59-(12,89+3*11,75)=14,45*1

∆=)=-112,47-(-34,31-3*16,37)=-29,05*1

∆=-578560+56,82+14,45*1T-29,05*1/)dT= -578560+56,82+14,45*1-29,05*1= -578560+56,82(450-298)+14,45*1/2*(45-29)-29,05*1((450-298)/298*450)=-578560+8636,64+821,45-3292,77=-572,39 кДж

Вывод: При увеличении температуры на 152 К тепловой эффект реакции изменился на 6,17 кДж, реакция осталась экзотермической.

Расчет теплового эффекта реакции в изохорном процессе в стандартных условиях(DU):

∆Н=∆U+p∆V; ∆U=∆H-p∆V

p∆V=∆nRT

∆U=∆H-∆nRT

∆n=∆∆= 0 – 3 = -3; ∆n = -3

R=8,314 Дж/моль*К

∆U(298)=-578,56-(-3)*0,008314*298=-571,13 кДж

Вывод: В изохорно-изотермическом процессе, при стандартных условиях реакция протекает с выделением тепла, т.е. процесс экзотермический.

Расчет теплового эффекта реакции в изохорном процессе при заданной температуре (DU):

∆U(450)=-572,39-(-3)*0,008314*450=-561,17 кДж

Вывод: При увеличении температуры на 152 К тепловой эффект данной реакции в изохорно-изотермическом процессе уменьшился на 9,96 кДж, реакция идет с выделением тепла.

1.2 Определение направления протекания химического процесса

Определение направления протекания реакции в изолированной системе (DS):

а) в стандартных условиях:

∆(298) =(298- ((298 + 3*(298)

∆(298) =239,2-(50,92+3*256,69)=-581,79 Дж

Вывод: При взаимодействии оксида алюминия с оксидом серы (VI) в изолированной системе получилось, что ∆S<0, поэтому процесс невозможен.

б) при заданной температуре:

∆с=0, т.к. все вещества неорганические

∆(T)=∆(450)+

∆(450)=-581,79+56,82+14,45*1*T-29,05*1/)dT/T= -581,79+56,82+14,45*1-29,05*1= -581,79+56,82*ln450/298+14,45*1(450-298)- 29,05*1*1/2*((45-29/29*45)=-581,79+23,42+2,196-9,15=-565,32 Дж

Вывод: При увеличении температуры на 152 К энтропия увеличилась на 16,466 Дж, но осталась отрицательной. В изолированной системе процесс невозможен. Расчет изобарно-изотермического потенциала (DG):

а) в стандартных условиях

∆(298) =(298- ((298 + 3*(298)

∆(298) =-3100,87-(-1582,27+3*(-371,17))=-405,13 кДж/моль

Вывод: При взаимодействии оксида алюминия с оксидом серы (VI) в стандартных условиях ∆G<0, поэтому процесс самопроизвольный.

∆(298) = ∆Н(298)-Т∆(298)

∆(298) = -578560-298*(-581,79)=-405,19 кДж

% ош.=((-405,13+405,19)/(-405,13))*100=0,01% ,

т.к процент ошибки очень мал, следовательно, можно использовать для расчета оба метода.

Вывод: В закрытой системе изобарно-изотермический процесс будет протекать самопроизвольно, т.к. ∆G<0.

б) при заданной температуре

∆(450) = ∆Н(450)-450*∆(450)

∆(450) = -572390-450*(-565,32)=-317,996 кДж

При увеличении температуры на 152 К, энергия Гиббса увеличилась на 87,194 кДж, отсюда следует, что чем больше температура, тем больше энергия Гиббса. В закрытой системе изобарно-изотермический процесс остался самопроизвольным, т.к. ∆G<0. Дальнейшее повышение температуры не выгодно, т.к. ∆G стремится к нулю и процесс от самопроизвольного перейдет в равновесный, а затем в не самопроизвольный.

Расчет изохорно-изотермического потенциала (DF):

а) в стандартных условиях

1 способ:

∆F = ∆U-T∆S

∆F(298)=-571130-298*(-581,79)=-397,76 кДж

2 способ:

∆F(298)=∆G-∆nRT

∆F(298)=-405,13-(-3)*298*0,008314=-397,7 кДж

%ош.=((-397,76+397,7)/(-397,76))*100=0,02%,

т.к процент ошибки очень мал, следовательно, можно использовать для расчета оба метода.

Вывод: В закрытой системе при стандартных условиях изохорно-изотермический процесс будет протекать самопроизвольно, т.к. ∆F<0.

б) при заданной температуре

1 способ:

∆F(450)= -561170-450*(-565,32)=-306,78 кДж

2 способ:

∆F(450)=-317,996-(-3)*450*0,008314=-306,78 кДж

%ош.=((-306,78-306,78)/(-306,78))*100=0%,

т.к процент ошибки равен нулю, следовательно, можно использовать для расчета оба метода.

Вывод: При увеличении температуры энергия Гельмгольца увеличилась. В закрытой системе изохорно-изотермический процесс будет протекать самопроизвольно.

Вывод:

С увеличением температуры тепловые эффекты изобарно-изотермического и изохорно-изотермического процессов увеличились.

В данной работе ∆Н, ∆S, ∆G получились отрицательными, отсюда следует, что процесс протекает самопроизвольно, но при невысоких температурах.

При увеличении температуры энергия Гиббса и энергия Гельмгольца увеличились, значит система стремиться к равновесию (в условиях равновесия ∆F, ∆G достигают минимума).

2. Задание: Определить ΔH, ΔU, ΔS, ΔF, ΔG, реакции при постоянном давлении P=1.013 * 10⁵ Па.

СdO_(т) + H₂SO_4(ж) = CdSO_{4 (т)} + H₂O _(г)

Реакция протекает при температуре 511 градусов Цельсия .

Исходные данные

2.1 Расчёт теплового эффекта реакции

Расчёт теплового эффекта реакции в изобарном процессе в стандартных условиях

ΔН_r^˚ ₍₂₉₈₎ = (ΔН_f^˚ _(298)CdSO4 + ΔН_f^˚ _(298)H2O) – (ΔН_f^˚ _(298)CdO+ ΔН_f^˚ _(298)H2SO4)

ΔН_r^˚ ₍₂₉₈₎ = (-934,41 – 241,81) – (-258,99 – 813,99) = -103,24 кДж.

Вывод: При реакции в стандартных условиях ,произошло выделение тепла в количестве 103,24 кДж как следствие реакция является экзотермической.

Расчёт теплового эффекта реакции в изобарном процессе при заданной температуре

ΔH_(T) = ΔН_r^˚ ₍₂₉₈₎ + ;

Δa = ( Δa_CdSO4+ Δa_H2O)- ( Δa_CdO+ Δa_H2SO4)

Δa = (77,32+30,00) – (48,94+156,90) = -97,82 ;

Δb = (Δb_CdSO4+ Δb_H2O)- (Δb_CdO+ Δb_H2SO4)

Δb = (77,40+10,71) – (6,38+28,30) = 53,43 * 10^-3

Δc΄ =( Δc΄_CdSO4+ Δc΄_H2O)- (Δc΄_CdO+ Δc΄_H2SO4)

Δc΄ = (0 + 0.33) – (-4,90-23,46) = 28,69 * 10⁵

Δc = 0, т.к. все вещества неорганические.

ΔH₍₅₁₁₎ = -103,24 * 10³ + =

= -103,24 * 10³ + (-97,82) * (511-298) + * (511² – 298²) + -103240 – 20835,66 + 4603,45 + 4050,80 = -115,42 kДж.

Вывод: Увеличение температуры привело к увеличению количества теплоты выделившегося в следствии реакции.

Расчёт теплового эффекта реакции в изохорном процессе в стандартных условиях

ΔU = ΔН – ΔnRT

Δn = Δn_кон. – Δn_нач

Δn=1-0=1

Газовая постоянная R = 8.314 Дж/моль*К

ΔU₍₂₉₈₎= ΔН_r^˚ ₍₂₉₈₎ –Δn*R*T

ΔU₍₂₉₈₎ = -103,24 * 10³ -1 * 8,314 * 298 = -103240 – 2477,57 = -105,72 кДж.

Вывод: Внутренняя энергия реакции в изохорном процессе составила 100,76 килоджоуля.

Расчёт теплового эффекта реакции в изохорном процессе при заданной температуре

ΔU₍₅₁₁₎= ΔН_r^˚ ₍₅₁₁₎ –Δn*R*T

ΔU₍₅₁₁₎ = -115,42 * 10³ - 1 * 8,314 * 511 = -115420– 4248,45= - 119,67 кДж.

Вывод: Как и в изобарном процессе увеличение температуры приводит к увеличению внутренней энергии реакции на 18,91 кДж.

2.2 Определение направления протекания химического процесса

Определение направления протекания данной реакции в изолированной системе

Определение направления протекания реакции в стандартных условиях

ΔS^˚ ₍₂₉₈₎ = (S_{(298)Cd SO4} + S_(298)H2O) – (S_{(298)Cd O} + S_(298)H2SO4)

ΔS^˚ ₍₂₉₈₎ =(123,05+188,72)-( 54,81+156,90)= 100,06

Вывод: Так как энтропия S больше ноля 100,06>0 то процесс реакции в изолированной системе протекает самопроизвольно без внешнего воздействия. Определение направления протекания реакции при заданной температуре.

ΔS_(T) = ΔS^˚ ₍₂₉₈₎ + ;

ΔS₍₅₁₁₎ = 100,06 + = 100,06 – 97,82 + 53,43 * 10^-3 + 28,69 * 10⁵ = 100,06 – 97,82 + 53,43 * 10^-3 * (511-298) + * = 121,66

Вывод: Изменение температуры привело к увеличению энтропии по сравнению с процессом при стандартных условиях . Следовательно повышение температуры ведёт к увеличению неупорядоченности и увеличению количества соударений молекул при реакции.

Определение направления протекания химического процесса в закрытой системе

Расчёт изобарно – изотермического потенциала в стандартных условиях

ΔG_r^˚ ₍₂₉₈₎ = (G_{(298)Cd SO4} + G_(298)H2O) – (G _{(298)Cd O} + G_(298)H2SO4)

ΔG_r^˚ ₍₂₉₈₎= (-823,88 – 228.61) – (-229,33 – 690.14) = -133,02 кДж/моль.

Вывод: Изобарно – изотермический потенциал показывает что процесс в закрытой системе идёт самопроизвольно ΔG_r^˚ < 0 ; -133,02<0 .

Произведем расчет изобарно – изотермического потенциала по другой формуле:

ΔG_r^˚ ₍₂₉₈₎ = ΔН_r^˚ ₍₂₉₈₎ - Т* ΔS^˚ ₍₂₉₈₎

ΔG_r^˚ ₍₂₉₈₎ = -103,24 * 10³ – 298 * 100,06 = -133,06 кДж/моль.

Найдем процент ошибки:

% ошибки =

Расчет можно производить любым способом, т.к. процент ошибки не существенен. Расчёт изобарно – изотермического потенциала при заданной температуре

ΔG_r^˚ ₍₅₁₁₎ = ΔН_r^˚ ₍₅₁₁₎ - Т* ΔS^˚ ₍₅₁₁₎

ΔG_r^˚ ₍₅₁₁₎ = -119,46 * 10³ – 511 * 121,66 = -181,63 кДж/моль.

Вывод: Увеличение температуры никак не повлияло на процесс реакции в закрытой системе, она по прежнему идёт самопроизвольно ΔG_r^˚ < 0; -181,63<0. Расчёт изохорно – изотермического потенциала в стандартных условиях.

ΔF₍₂₉₈₎ = ΔU₍₂₉₈₎ – T* ΔS^˚ ₍₂₉₈₎

ΔF₍₂₉₈₎ = -105,72 * 10³ – 298 * 100,06 = -135,53 кДж.

Вывод: Изохорно – изотермический потенциал показывает что процесс в закрытой системе идёт самопроизвольно ΔF< 0 ; -135,53<0

Расчёт изохорно – изотермического потенциала при заданной температуре

ΔF₍₅₁₁₎ = ΔU₍₅₁₁₎ – T* ΔS^˚ ₍₅₁₁₎

ΔF₍₅₁₁₎ = - 123,70 * 10³ – 511 *121,66 = -185,87кДж.

Вывод: Изменение температуры привело к уменьшению потенциала по сравнению с процессом при стандартных условиях, а это означает что глубина реакции в закрытой системе увеличилась ΔF< 0 ; -185,87>0.

Вывод

Рассмотренная реакция оксида кадмия и серной кислоты идёт самопроизвольно на это указывают все характеристики реакции, а рассмотренное увеличение температуры реакции её ничуть не замедляет. Всё это позволяет сделать вывод о том что увеличение температуры реакции позволяет увеличить её глубину и полноту. При этом реакция останется самопроизвольной.