Термодинамика

Задание 1.1. Определение тепловых эффектов химических реакций
Вычислите тепловой эффект образования вещества А из простых веществ при температуре 298 К и стандартном давлении, если известна его энтальпия сгорания при этой температуре и стандартном давлении (табл. 1). При вычислении следует принять, что конечными продуктами сгорания являются СО2(г), Н2О(ж), N2(г).

Задание 1.2. Определение возможности протекания химической реакции в стандартных и нестандартных условиях
Выполните следующие девять заданий для данной реакции (табл. 2) (справочные величины, необходимые для расчетов, возьмите в прил. 1.
1. По значениям стандартных энтальпий образования участвующих в реакции веществ ΔH298,f0вычислите тепловой эффект реакции при стандартных условиях ΔH2980. Выделяется или поглощается тепло при протекании реакции? Эндо- или экзотермической является данная реакция?
2. Для исходных веществ и продуктов реакции определите величины средних теплоемкостей СP в диапазоне температур 298–Т и изменение теплоемкости ΔСP в ходе реакции. Пользуясь законом Кирхгофа, вычислите тепловой эффект реакции ΔHТ0 при температуре T и стандартном давлении с учетом величины ΔСP.
3. Выведите для реакции функциональную зависимость изменения молярной изобарной теплоемкости от температуры: ΔC0p = f(T).
4. Вычислите величину ΔHТ0пользуясь законом Кирхгофа и установленной функциональной зависимостью ΔCp = f(T). Как влияет увеличение температуры на величину теплового эффекта реакции?
5. Качественно оцените знак изменения энтропии ΔS при протекании реакции. Объясните полученный результат. По значениям стандартных энтропий участвующих в реакции веществ S0298 вычислите изменение энтропии реакции при стандартных условиях ΔS0298.
6. Используя функциональную зависимость ΔC0p = f(T), вычислите изменение энтропии реакции ΔS0Т при температуре T и стандартном давлении. Как влияет повышение температуры на величину ΔS0Т?
7. Качественно оцените вероятность самопроизвольного протекания реакции при высоких и низких температурах. Вычислите изменение энергии Гиббса ΔG0298 реакции, протекающей при стандартных условиях. Возможно ли самопроизвольное протекание процесса при стандартных условиях? Определите температуру T0, при которой реакция меняет свое направление.
8. Вычислите изменение энергии Гиббса ΔG0T реакции, протекающей при стандартном давлении и температуре Т, считая, что ΔHТ и ΔS0Т не зависят от температуры (метод Улиха). Постройте график зависимости ΔG0T от температуры. Сделайте вывод о влиянии температуры на вероятность самопроизвольного протекания процесса в прямом направлении.
9. Вычислите изменение энергии Гиббса ΔG0T реакции, протекающей при стандартном давлении и температуре Т, учитывая зависимость ΔHТ и ΔS0Т от температуры. Сравните полученные значения ΔG0T с величиной изменения энергии Гиббса, рассчитанной по методу Улиха, и оцените их расхождение.

Задание 1.3. Химическое равновесие
Газообразные вещества А и Б реагируют с образованием газообразного вещества В
2А+1⁄(2Б=3В)
Выполните следующие задания для данной реакции:
1. Выразите константы равновесия KP и Kc через равновесное количество вещества В, равное x, если исходные вещества А и Б взяты в стехиометрических количествах при общем давлении в системе P и температуре T, К.
2. Рассчитайте KP и Kc при Т = 300 К, если Р = 7,5·104 Па, x = 0,45.
3. Вычислите равновесное количество вещества В при Р = 3·104 Па и Т = 300К.
4. Рассчитайте степень превращения веществ А и Б при Т = 300 К.

 
Задание 2.1. Определение фазового равновесия в однокомпонентных системах. Построение диаграмм состояния однокомпонентных систем
Используя зависимости давления насыщенного пара данного вещества от температуры и плотности в твердом (т) и (ж) жидком состоянии в тройной точке, выполните следующие задания:
1. Постройте графики зависимостей Р=f(T) и ln(P)=f(1/T), обозначьте поля, соответствующие твердому, жидкому и газообразному состояниям вещества
2. Определите по графикам координаты тройной точки.
3. Рассчитайте средние теплоты испарения ΔHисп и возгонки ΔНвозг
4. Определите теплоты испарения, возгонки и плавления вещества при температуре тройной точки.
5. Определите приближенно температуру кипения вещества при нормальном давлении и проверьте применимость правила Трутона.
6. Вычислите температуру плавления вещества молярной массой М при давлении Р.

















Задание 2.2. Определение фазового равновесия в двухкомпонентных системах. Построение диаграмм состояния двухкомпонентных систем
На основании данных о температурах начала кристаллизации системы (табл. 5) выполните следующие задания:
1. Постройте диаграмму состояния.
2. Определите составы химических соединений.
3. Определите качественные и количественные составы эвтектик.
4. Определите, в каком физическом состоянии находятся системы, содержащие b, с, d % вещества А при температуре Т1. Что произойдет с этими системами, если их охладить до температуры Т2?
5. Определите число фаз и число степеней свободы системы при эвтектической температуре и содержании А: а) 95 %; б) 5 %.
6. Определите, при какой температуре начнет отвердевать расплав, содержащий b % вещества А. При какой температуре он отвердеет полностью? Каков состав первых выпавших кристаллов?
7. Определите, при какой температуре начнет плавиться сплав, содержащий с % вещества А. При какой температуре он расплавится полностью? Каков состав первых капель расплава?
8. Определите, какой компонент и в каком количестве выкристаллизуется, если 2 кг расплава, содержащего а % вещества А, охладить от Т1 до Т2.
Решение:
1. I – жидкий расплав, содержащий а % вещества В при температуреТ1;
II – расплав, содержащий а % вещества В, находящийся в равновесии в равновесии с кристаллами химического соединения;
III – систему, состоящую из твердого вещества В, находящегося в равновесии с расплавом, содержащим b % вещества В;
IV – равновесие фаз одинакового состава;
V – равновесие трех фаз;
2. Определим составы химических соединений.
На представленной диаграмме одно химическое соединение (ХС), характеризующееся составом 66,6% компонента CuCl и 33.4% компонента CsCl.
3. Определим качественные и количественные составы эвтектик.
Качественный состав: твердые эвтектики состоят из кристаллов CuCl и кристаллов химического соединения (E1) и из кристаллов CsCl и кристаллов химического соединения (E2).
Количественный состав:
Е1 – 60% CuCl и 40% CsCl.
Е2 – 75% CuCl и 25% CsCl.
4. Система содержащая 10% вещества СuCl при температуре 773К – это смесь кристаллов CuCl и жидкого сплава CuCl и CsCl. Если систему охладить до 533К, то в этой системе начнется выделение кристаллов сплава CuCl и CsCl.
Система содержащая 25% вещества СuCl при температуре 773К – это жидкий сплав CuCl и CsCl. При понижении температуры до 533К, сначала начнут выделяться кристаллы CuCl, а при достижении этой температуры будут выделяться и кристаллы сплава CuCl и CsCl.
Система содержащая 60% вещества СuCl - жидкий расплав устойчивого ХС. В интервале температур от 773 до 533 К происходит охлаждение жидкого расплава устойчивого ХС без изменения фазового состояния. Однако, при температуре 533 К состояние системы описывается эвтектической точкой Е1 – в равновесии три фазы- твердые кристаллы CsCl, кристаллы ХС и жидкий расплав эвтектического состава.
5. Определите число фаз и число степеней свободы при эвтектической температуре и молярной доле компонента CuCl 95% и 5%.
В общемвиде число степеней свободы рассчитывается по формуле: