Термодинамический расчет химической реакции

[pusha]

При выполнении расчета принимается, что реакция проходит в гоиогенных условиях, а все ее участники находятся в газообразном состоянии. Смесь реагентов подчиняется законам идеальных газов. Исходные вещества взяты в стехиометрических количествах.

CH3Cl + H2O = CH3OH + HCl

1. Рассчитать изменение теплоёмкости в ходе химической реакции, считая, что теплоёмкости реагирующих веществ не зависят от температуры и равны теплоёмкостям при 298 К. (ΔС°Р)
Табличные данные:
С°Р, 298 (CH3Cl) = 40,75 ; С°Р, 298 (CH3OH) = 44,13 ;
С°Р, 298 (H2O) = 33,61 ; С°Р, 298 (HCl) = 29,14 .
ΔС°Р, 298 = Σ С°Р, прод - Σ С°Р, исх ;
ΔѰР= (29,14 + 44,13) – (33,61 + 40,75) = -1,25 .
2 Рассчитать: изменение энтальпии (тепловой эффект реакции при Р = const), изменение внутренней энергии (тепловой эффект реакции при V = const), энтропии, свободной энергии Гиббса при стандартных условиях. (ΔH°r,298 , ΔUr,298 ,ΔS°r,298, ΔG°r,298)
Тепловой эффект реакции:
Табличные данные:
ΔН°обр, 298 (CH3Cl) = -86,31 ; ΔН°обр, 298 (CH3OH) = -201 ;
ΔН°обр, 298 (H2O) = -241,81 ; ΔН°обр, 298 (HCl) = -92,31 ;
ΔН° 298 = Σ ΔH° прод - Σ ΔH° исх ;
ΔН° 298 = -201 + (-92,31) – (-86,31) – (-241,81) = 34,81
Изменение внутренней энергии:
ΔU 298 = ΔH° 298 – ΔnRT,
где Δn – разность между числом молей газообразных конечных продуктов и исходных, R – газовая постоянная.
Т = 298 К, R = 8,31*10-3
Δn = 1 + 1 - 1 - 1 = 0
ΔU 298 = 34,81 – 0*8,31*10-3*298 = 34,81
Изменение энтропии:
Табличные данные:
ΔS° 298 (CH3Cl) = 234,47 ; ΔS° 298 (CH3OH) = 239,76 ;
ΔS° 298 (H2O) = 188,72 ; ΔS° 298 (HCl) = 186,79 ;

ΔS° 298 = Σ S° прод - Σ S° исх ;
ΔS° 298 = 239,76 + 186,79 – (188,72 + 234,47) = 3,36 ;
Свободная энергия Гиббса:
ΔG° 298 = ΔН° 298 - T ΔS° 298 ;
ΔG° 298 = 34,81 – 298*3,36*10-3 = 33,81 .
3. Рассчитать (по II приближению) не менее 5 значений ΔH°r,Т, ΔS°r,Т, ΔG°r,Т в интервале температур от 298 до 1000 К, включая 298 К и наивысшую температуру.

ΔН° 298 = 34,81 = 34810
ΔН° Т = ΔН° 298 + ∫ С°Р, 298 dT;
ΔН° 330 = 34,81*103 + (-1,25) (330 – 298) = 34770 ;
ΔН° 500 = 34,81 + (-1,25) (500 – 298) = 34558 ;
ΔН° 700 = 34,81 + (-1,25) (700 – 298) = 34308 ;
ΔН° 1000 = 34,81 + (-1,25) (1000 – 298) = 33933 .

ΔS° 298 = 3,36 ;
ΔS° Т = ΔS° 298 + ;
ΔS° 330 = 3,36 + (-1,25)*ln(330/298) = 3,36 – 0,13 = 3,23 ;
ΔS° 500 = 3,36 + (-1,25)*ln(500/298) = 3,36 – 0,65 = 2,71 ;
ΔS° 700 = 3,36 + (-1,25)*ln(700/298) = 3,36 – 1,06 = 2,30 ;
ΔS° 1000 = 3,36 + (-1,25)*ln(1000/298) = 3,36 – 1,51 = 1,85 ;

ΔG° 298 = 33,81 = 33810
ΔG° Т = ΔН° Т - T ΔS° Т ;
ΔG° 330 = 34770 – 330*3,23 = 33704 ;
ΔG° 500 = 34558 – 500*2,71 = 33203 ;
ΔG° 700 = 34308 – 700*2,30 = 32698 ;
ΔG° 1000 = 33933 – 1000*1,85 = 32083 ;
4. Построить графики зависимостей ΔН° r,Т = f (T); ΔG° r,Т = f (T) (не менее 5 точек в интервале температур от 298 до 1000 К, включая 298 К и наивысшую температуру).

График зависимости ΔН°Т = f (T)
График зависимости ΔG°Т = f (T)
5. Рассчитать стандартную константу равновесия при выбранных температурах. Записать математическое выражение константы равновесия для заданной реакции (закон действующих масс).

Уравнение изотермы Вант-Гоффа: ΔG°T = nRTlnP – RTlnKP (т.к. n=0), то =>
ΔG°T = – RTlnKP; тогда
; ;
При Т = 298 К ; lhKp= -13652,99
При Т = 330 К ; lhKp= -12290,41
При Т = 500 К ; lhKp= -7991,1
При Т = 700 К ; lhKp= - 5621,11
При Т = 1000 К ; lhKp= -3860,77

6. Выразить константу равновесия (KP или KN) через равновесное количество продуктов реакции, равное х, если исходные вещества взяты в стехиометрических количествах. Вычислить равновесное количество веществ при стандартном давлении и выбранной температуре. Рассчитать степень превращения исходных веществ при выбранной температуре.


ВОПРОСЫ: может ли быть константа отрицательной? если нет, то где в расчетах ошибка? если да, то как из отрицательного числа выразить Кр? как решать 6 задание
Заранее спасибо, не судите строго))

[chimist]

Вопросы для "школьного и др..." раздела.
Константа отрицательной быть не может. Сразу сказать, где именно ошибки, трудно.
Константа равновесия - представляет собой дробь, в числителе которой перемножают концентрации (или давления, доли) "продуктов" данной реакции, а в знаменателе - "реагентов". Равновесные концентрации реагентов находят как разности между начальным содержанием и прореагировавшим, которое в данном случае будет равно х. Степень превращения равна отношению прореагировавшего кол-ва в-ва к начальному.

[pusha]

все что написано в ответе (кроме отрицательности константы) мне было известно, но все равно спасибо

[amik]

pusha, учебные вопросы задавайте в учебном разделе
Где и по какому учебнику учитесь, чтобы понять, какие из огромного количества цифирей комбинировать

[chimist]

Если известно, то в этом случае 6-я задача не должна вызывать затруднений .

[pusha]

это семестровое задание. Делаю его не для себя, из учебного пособия имею: Курс физической химии (том 1),1970 г и справочник физико-химических величин

[pusha]

сталкиваюсь с физ химией впервые, потому вызывает 6 задание затруднение

[Maryna]

Вообще-то dG = -RTln(Kp) Или в Вашем варианте какие-то непривычные обозначения
Задание 6. Есть почти в любом учебнике по физхимии. Мольную долю х выражаете как n/N и получаете Kn. Ее же выражаете как pi/p и получаете Kp.

[pusha]

формула свободной энергии Гиббса у меня такая же, просто при копировании из Microsoft Word "Т" из индекса получилась множителем (сейчас только заметила) Так все значени N и n у всех веществ одинаковые, Кр=1??? или нет?

[Maryna]

Ээээ, ну в общем да. Если все реагенты - идеальные газы, если из 2 получается 2, то константа не зависит от давления

[pusha]

да, по условию задания все вещества идеальные газы. то есть все константы: Кр=Кn=Кс и стандартная равны 1? потому что так из формул вытекает, что все константы между собой равны (потому что разность молей газов = 0)

[Maryna]

Честно говоря, Вы понимаете, контанта равновесия не зависит от того, в каких количествах взяты реагирующие вещества - стехиометрических или каких-то других. На мой взгляд, задание сформулировано несколько некорректно. Термодинамическая константа равновесия рассчитывается из термодинамических данных или из измеренных равновесных давлений (то есть тех, которые получились после того, как система пришла в равновесие). То есть да, в данном случае, поскольку реакция протекает без изменения числа молей, а вещества взяты в стехиометрических количествах, это отношение будет равно 1. Но вот Вы добавили немного воды, не меняя ни температуру, ни давление. Что произойдет? Константа изменится, что ли? Или, как говорят "равновесие сместится"? Константа останется константой, равновесие не сместится, просто пройдет реакция так, чтобы все 4 вещества в системе снова оказались в состоянии равновесия

[pusha]

Спасибо большое! Внесли ясности в мою голову))

[Maryna]

Попоробуйте сделать вот что
Допустим, были взяты равные количества исходных веществ, пусть это будет а. В положении равновесия продуктов стало х (как в условии, то есть х моль СН3ОН и х моль НСl), а исходных, соответственно, а-х. Поскольку это положение равновесия, теперь можно записать константу Kx = x²/(a-x)². Теперь можно перейти к давлениям и выразить Кр. Теперь, как я понимаю, Вам нужно взять какую-нибудь температуру, исходное давление и рассчитать степень превращения (из значений константы, которое Вы раньше рассчитали)

Кстати, отрицательный логарифм никак не связан с отрицательным значением константы, это Вам подтвердит любой калькулятор или Эксель. И объясните, откуда такие страшные цифры? Если взять Ваши же значения энергии Гиббса и разделить на R и T, то получаются значения логарифма на 3 порядка меньше.

[pusha]

Kх у меня так же получилась, только вместо а - 1. Почему большие? (например для Т=298 : -33810/298*8,31*10^-3=-13652,99)? газовая постоянная ведь равна 8,31*10^-3 ??? Равновесное количество веществ мы найдем когда Кх приравняем к любому найденному значению Кр? (правильно?) а по какой формуле вычисляется степень превращения? (может это и глупые вопросы, извините, просто у меня такого предмета не было, а делать это надо)) когда преподаватель объясняет материал какой-либо...я все прекрасно усваиваю, а вот с книжками, увы, мне не всегда все ясно(( )

[Maryna]

газовая постоянная равна 8,31447 Дж/К моль и никаких 10(-3)!
Степень превращения посмотрите здесь:
http://www.chem.msu.su/rus/teaching/slovar/5.html
Там и про константы есть

[pusha]

вот и первая ошибка!сейчас исправлю! Спасибо! обязательно посмотрю))

[Maryna]

Проверьте внимательно, где у Вас кДж, а где Дж. Насчет газовой постоянной - это не ошибка, просто там, где Вы смотрели, она была дана в кДж/К моль. При беглом просмотре остальные цифры выглядят нормально, но все же гляньте.

[pusha]

спасибо, обязательно вечером все заново пересчитаю, чтоб наверняка