По физической и коллоидной химии для бакалавров
направления 280700.62 «Техносферная безопасность»
Составитель: В.А.Хомич
Омск 2011
УДК 541.1
ББК 24.5
Х 76
Термодинамические расчеты: Методические указания к курсовой работе по физической и коллоидной химии для бакалавров направления 280700.62 «Техносферная безопасность» /Составитель: В.А.Хомич. – Омск: СибАДИ, 2011. – 14 с.
Методические указания для выполнения курсовой работы по разделу «Основы химической термодинамики» физической и коллоидной химии бакалаврами направления 280700.62 «Техносферная безопасность». Указания включают задания на проведение расчетов, необходимые справочные данные термодинамических величин веществ, описание методов расчета изобарно-изотермического потенциала химических реакций.
Табл. 4. Библиогр.: 3 назв.
ВВЕДЕНИЕ
Целью выполнения курсовой работы является освоение термодинамического метода исследования систем и протекающих в них химических реакций. Термодинамический метод позволяет оценить возможность (вероятность) протекания химических реакций в заданных условиях, определить их направление и предпочтительность (очередность) протекания одной реакции перед другой. Во время выполнения курсовой работы студенты овладевают навыками проведения расчетов основных термодинамических функций: энтальпии, энтропии, изобарно-изотермического потенциала химических реакций.
Курсовая работа включает термодинамический анализ силикатных систем, к которым относятся грунты и бетоны – основные материалы дорожного строительства. В курсовую работу входит термодинамическое исследование реакций между компонентами отработавших (выхлопных) газов автотранспорта. Эти реакции лежат в основе работы каталитических нейтрализаторов автомобилей.
ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ ДЛЯ КУРСОВОЙ РАБОТЫ
Задание 1: Сравнить термодинамическую вероятность образования кристаллических соединений в смесях с соотношением исходных компонентов 1:1 в указанном интервале температур, табл.1.
Задание 2: Исходя из значений изобарно-изотермического потенциала определить при какой температуре: 500, 700, 900 или 1200 К наиболее вероятны реакции каталитической нейтрализации выхлопных (отработавших) газов автотранспорта, табл. 2.
При выполнении задания необходимо:
1. Предварительно для выполнения задания 1:
· составить реакции образования двух соединений;
· в указанном интервале температур выбрать 5 значений, включая крайние температуры интервала.
2. Рассчитать значения изобарно-изотермического потенциала DG°т каждой реакции для 5 значений температуры. Расчеты провести двумя методами: по уравнению Гиббса и уравнению Гиббса-Гельмгольца. Исходные термодинамические величины веществ взять из табл. 3 и 4.
3. Построить график зависимости DG°т от температуры для двух реакций.
4. Сделать вывод об энергетической возможности, направлении и предпочтительности, то есть более высокой термодинамической вероятности, протекания реакций.
Таблица 1
Кристаллические соединения и температурные интервалы
Номер варианта | Формулы соединений | Интервaл температур, К |
Al2O3·SiO2; 3Al2O3·2SiO2 | 298…1500 | |
BaO·2SiO2; 2BaO·3SiO2 | 298…1000 | |
BaO·TiO2; 2BaO·TiO2 | 298…2000 | |
BeO·SiO2; 2BeO·SiO2 | 298…1000 | |
BeO·Al2O3; BeO·3Al2O3 | 298…2000 | |
K2O·Al2O3·4SiO2; K2O·Al2O3·6SiO2 | 298…1000 | |
K2O·2SiO2; K2O·4SiO2 | 298…1200 | |
Li2O·SiO2; 2Li2O·SiO2 | 298…1500 | |
LiAlO2; LiFeO2; Li2TiO3 | 298…1500 | |
MgO·SiO2; 2MgO·SiO | 298…1600 | |
MgTiO3; MgTi2O5 | 298…1800 | |
MgAl2O4; MgFe2O4 | 298…1800 | |
MnO·SiO2; 2MnO·SiO2 | 298…1000 | |
MnAl2O4; MnFe2O4 | 298…1000 | |
MnTiO3; Mn2TiO4 | 298…1600 | |
Na2O·SiO2; Na2O·2SiO2 | 298…1100 | |
Na2O·TiO2; Na2O·3SiO2 | 298…600 | |
PbO·SiO2; 4PbO·SiO2 | 298…800 | |
3CaO·Al2O3; 12CaO·7Al2O3 | 298…1000 | |
2CaO·B2O3; 3CaO·B2O3 | 298…800 | |
CaO·SiO2; 3CaO·2SiO2 | 298…1400 | |
CaFe2O4; Ca2Fe2O5 | 298…1700 | |
CaTiO3; Ca3Ti2O7 | 298…1500 | |
CuFeO2; CuFe2O4 | 298…700 | |
FeO·SiO2; 2FeO·SiO2 | 298…1400 | |
SrO·SiO2; 3SrO·SiO2 | 298…1000 | |
SrTiO3; Sr2TiO4 | 298…1800 | |
NaAlSi3O8; NaAlSiO4 | 298…1000 | |
Na2O·3CaO·6SiO2; Na2O·2CaO·3SiO2 | 298…1300 | |
SrO·MgO·2SiO2; 3SrO·MgO·4SiO2 | 298…1900 |
Таблица 2
Уравнения реакций между компонентами отработавших газов автотранспорта
Номер варианта | Уравнения реакций |
CH4 + 2O2 = CO2 + 2H2O; 2NH3 +2,5O2 = 2NO + 3H2O | |
C2H4 + 3O2 = 2CO2 + 2H2O; 2,5H2 + NO = NH3 + H2O | |
C2H6 + 3,5O2 = 2CO2 + 3H2O; CO + NO = CO2 + 0,5N2 | |
C3H6 + 4,5O2 = 3CO2 + 3H2O; CO + 0,5O2 = CO2 | |
C3H8+5O2=3CO2+4H2O; H2+NO=H2O+0,5N2 | |
C4H10+6,5O2=4CO2+5H2O; CO+H2O=CO2+H2 |
Таблица 3
Термодинамические величины для неорганических веществ
Формула простых веществ и соединений | Теплота образования из элементов, -DH0 298, кДж/моль | Энтропия S0 298, Дж/(моль·К) | Теплоемкость Cp, Дж/(моль·К) | ||
Коэффициенты уравнения Cp = а + вТ – С¢Т -2 | |||||
а | b·103 | c´·10-5 | |||
Al2O3 (кр.) | 1670,63 | 51,0 | 114,82 | 12,81 | -35,45 |
Al2O3·SiО2 (кр.) | 2587,74 | 93,34 | 172,54 | 26,13 | -51,15 |
3Al2O3·2SiO2 (кр.) | 6857,09 | 251,16 | 485,16 | 46,88 | -154,88 |
B2O3 (кр.) | 1273,38 | 54,0 | 57,06 | 73,0 | -16,16 |
BaO (кр.) | 558,41 | 70,32 | 53,33 | 4,35 | -8,31 |
BaO·2SiО2 (кр.) | 2254,21 | 154,05 | 172,80 | 13,08 | -28,96 |
2BaO·3 SiО2 (кр.) | 4196,34 | 266,23 | 211,52 | 38,43 | -0,70 |
BaTiO3 | 1659,8 | 107,9 | 121,46 | 8,53 | 19,16 |
Ba2TiO4 | 2243,0 | 196,6 | - | - | - |
BeO | 599,45 | 14,24 | 35,4 | 16,75 | -14,45 |
BeO·SiO2 | 1541,47 | 54,04 | 95,51 | 8,71 | -45,87 |
2BeO· SiО2 | 2161,31 | 64,51 | 10,17 | 15,29 | -58,85 |
BeAl2O4 | 2301,2 | 65,16 | 146,08 | 33,5 | 45,116 |
BeAl6O10 | 5624,1 | 175,56 | - | - | - |
K2O | 361,67 | 98,37 | 72,22 | 41,9 | - |
K2O·Al2O3·4SiO2 | 3021,86 | 184,2 | 144,95 | 140,01 | -19,93 |
K2O·Al203 ·6SiO2 | 3961,84 | 219,8 | 257,24 | 54,01 | -71,38 |
K2O·2 SiО2 | 2484,39 | 182,1 | 136,84 | 147,22 | - |
K2O·4 SiО2 | 4332,5 | 265,81 | 253,34 | 159,44 | - |
Li2O | 597,76 | 38,09 | 60,88 | 25,45 | -35,07 |
Li2O·SiO2 | 3725,54 | 83,72 | 112,6 | 35,08 | -15,28 |
2Li2O·SiO2 | 2312,76 | 125,58 | 137,38 | 68,36 | -9,84 |
LiAlO2 | 1187,7 | 53,35 | 92,38 | 12,13 | 25,10 |
LiFeO2 | 765,7 | 75,3 | 90,75 | 19,16 | 12,05 |
Li2TiO3 | 1670,8 | 91,76 | 138,74 | 17,24 | 29,20 |
MgO | 602,11 | 26,8 | 42,61 | 7,28 | -6,20 |
MgO·SiO2 | 1549,87 | 67,81 | 102,77 | 19,84 | -26,08 |
2MgO· SiО2 | 2178,94 | 95,02 | 140,9 | 27,38 | -35,66 |
MgTiO3 | 1573,52 | 74,51 | 118,42 | 13,73 | -27,33 |
MgTi2O5 | 2510,76 | 127,25 | 170,29 | 38,51 | -30,77 |
MgAl2O2 | 2299,3 | 80,7 | 154,19 | 26,81 | 40,98 |
MgFe2O4 | 1429,7 | 123,8 | 88,12 | 186,52 | |
MnO | 385,11 | 60,28 | 46,51 | 8,12 | -3,68 |
MnO·SiO2 | 1321,31 | 89,16 | 110,59 | 16,24 | -25,79 |
2MnO· SiО2 | 1731,12 | 132,28 | 157,48 | 24,91 | -28,71 |
MnAl2O4 | 2098,3 | 129,7 | 153,09 | 25,86 | 32,22 |
MnFe2O4 | 1226,3 | 146,4 | 144,77 | 85,94 | 18,54 |
MnTiO3 | 1358,5 | 104,6 | 121,67 | 9,29 | 21,88 |
Mn2TiO4 | 1799,7 | 170,3 | 168,15 | 17,41 | 25,56 |
N2 (г) | 191,5 | 27,87 | 4,27 | - | |
NH3 (г) | -45,94 | 192,66 | 29,80 | 25,48 | -1,67 |
Продолжение табл.3
NO (г) | 91,26 | 210,64 | 29,86 | 3,85 | -0,59 |
Na2O | 416,09 | 72,84 | 64,46 | 22,6 | |
Na2O·SiO2 | 1559,7 | 113,86 | 130,35 | 40,18 | -27,08 |
Na2O·2SiO2 | 2475,39 | 164,93 | 185,77 | 70,58 | -44,66 |
Na2TiO3 | 1592,0 | 121,8 | 105,35 | 86,69 | |
Na2O·3SiO2 | 3390,45 | 216,0 | 202,97 | 111,72 | -20,85 |
O2 (г) | 205,03 | 31,46 | 3,39 | -3,77 | |
PbO | 219,34 | 65,3 | 44,38 | 16,74 | - |
PbO·SiO2 | 1151,02 | 109,67 | 77,44 | 60,28 | - |
4PbO·SiO2 | 1805,0 | 324,84 | 222,78 | 87,49 | -16,91 |
CO (г) | 110,5 | 197,4 | 28,41 | 4,10 | -0,46 |
CO2 (г) | 393,51 | 213,66 | 44,14 | 9,04 | -8,54 |
SiO2 (кр. β-кварц) | 911,58 | 41,86 | 46,96 | 34,32 | -11,30 |
CaO | 635,85 | 39,77 | 48,85 | 4,53 | -6,53 |
3CaO·Al2O3 | 3558,1 | 205,53 | 260,7 | 19,17 | -50,11 |
12CaO·7Al2O3 | 19383,24 | 1045,24 | 1264,0 | 274,18 | -231,49 |
2CaO·B2O3 | 2727,6 | 145,25 | 183,14 | 48,14 | -44,75 |
3CaO·B2O3 | 3422,89 | 183,77 | 236,72 | 33,62 | -54,5 |
CaO·SiO2 | 1636,52 | 82,04 | 111,51 | 15,07 | -27,29 |
3CaO·2SiO2 | 3826,17 | 210,97 | 267,9 | 37,88 | -69,49 |
CaFe2O4 | 1541,0 | 145,35 | 138,7 | 82,34 | 21,80 |
Ca2Fe2O5 | 2139,3 | 188,78 | 183,3 | 86,86 | 28,74 |
CaTiO3 | 1660,6 | 93,7 | 127,49 | 5,09 | 27,99 |
Ca3Ti2O7 | 3950,1 | 234,7 | 299,24 | 15,9 | 57,24 |
CuO | 157,03 | 42,63 | 43,83 | 16,76 | 5,88 |
CuFeO2 | 592,6 | 88,7 | 95,6 | 10,63 | 16,65 |
CuFe2O4 | 959,0 | 141,0 | 138,62 | 119,41 | 22,76 |
FeO | 266,65 | 59,44 | 51,82 | -6,78 | -1,59 |
Fe2O3 | 822,55 | 89,99 | 98,38 | 77,85 | -14,87 |
FeO·SiO2 | 1207,03 | 96,28 | 158,4 | 17,00 | -27,30 |
2FeO·SiO2 | 1500,05 | 145,25 | 152,83 | 39,18 | -28,04 |
Н2 (г) | 130,52 | 27,28 | 3,26 | 0,50 | |
Н2О (г) | 241,81 | 188,72 | 30,00 | 10,71 | 0,33 |
SrO | 590,64 | 54,42 | 51,65 | 4,69 | -7,56 |
SrO·SiO2 | 1632,92 | 94,19 | 112,02 | 19,21 | -30,31 |
3SrO·SiO2 | 2971,6 | 205,11 | 196,82 | 35,29 | -34,07 |
SrTiO3 | 1884,5 | 108,8 | 118,11 | 7,36 | 19,5 |
Sr2TiO4 | 2311,7 | 159,0 | 160,87 | 16,07 | 19,54 |
TiO2 | 943,94 | 50,23 | 75,22 | 1,17 | -18,21 |
NaAlSi3O8 | 3934,0 | 207,21 | 274,14 | 43,86 | 79,29 |
NaAlSiO4 | 2109,7 | 123,9 | - | - | - |
Na2O·3CaO·6SiO2 | 8367,7 | 462,13 | 461,7 | 176,35 | -48,43 |
Na2O·2CaO·3SiO2 | 4828,1 | 287,8 | 279,7 | 162,2 | 12,14 |
SrO·MgO·2SiO2 | 3182,7 | 162,0 | 245,5 | 9,92 | 64,13 |
3SrO·MgO·4SiO2 | 6448,7 | 350,3 | 433,3 | 89,6 | -94,5 |
Таблица 4