Вычисление термодинамических функций индивидуального вещества H2 расчет константы равновесия реакции (стр. 3 из 4)

Одно время высказывалось предположение, что в недалеком будущем основным источником получения энергии станет реакция горения водорода, и водородная энергетика вытеснит традиционные источники получения энергии (уголь, нефть и др.). При этом предполагалось, что для получения водорода в больших масштабах можно будет использовать электролиз воды. Электролиз воды — довольно энергоемкий процесс, и в настоящее время получать водород электролизом в промышленных масштабах невыгодно. Но ожидалось, что электролиз будет основан на использовании среднетемпературной (500-600°C) теплоты, которая в больших количествах возникает при работе атомных электростанций. Эта теплота имеет ограниченное применение, и возможности получения с ее помощью водорода позволили бы решить как проблему экологии (при сгорании водорода на воздухе количество образующихся экологически вредных веществ минимально), так и проблему утилизации среднетемпературной теплоты. Однако после Чернобыльской катастрофы развитие атомной энергетики повсеместно свертывается, так что указанный источник энергии становится недоступным. Поэтому перспективы широкого использования водорода как источника энергии пока сдвигаются, по меньшей мере, до середины 21-го века.

Особенности обращения: водород не ядовит, но при обращении с ним нужно постоянно учитывать его высокую пожаро- и взрывоопасность, причем взрывоопасность водорода повышена из-за высокой способности газа к диффузии даже через некоторые твердые материалы. Перед началом любых операций по нагреванию в атмосфере водорода следует убедиться в его чистоте (при поджигании водорода в перевернутой вверх дном пробирке звук должен быть глухой, а не лающий). [6]

1.3 Расчёт константы равновесия реакции 2MgO_конд+С_граф↔ 2Mg_конд+СО₂в интервале температур 1400 - 2400K, двумя способами, с помощью энтропии и приведенной энергии Гиббса.

Используя справочные данные по температурной зависимости изменения энтальпии реагентов, их энтропии, приведённой энергии Гиббса рассчитываем логарифм константы равновесия lnK_p реакции 2MgO_конд+С_граф↔ 2Mg_конд+СО₂, в интервалетемператур 1400 - 2400K[1].

Расчёт производится двумя способами.

1) С использованием абсолютных значений энтропии:

(5)

где n_i – соответствующие стехиометрические коэффициенты, S°_i(T) – стандартная абсолютная энтропия индивидуального вещества при данной температуре, H⁰_i(T) – H⁰_i(0) – высокотемпературные составляющие энтальпии индивидуального вещества, ∆_fH₀(0) – стандартная энтальпия образования индивидуального вещества при Т = 0 К [2].

Расчет при температуре 2000 К:

Σ n_iS_i^o(T) = 2*S⁰_Mg(2000)+ S⁰_CO2(2000)- 2*S⁰_{MgO конд}(2000)- S⁰_{C граф}(2000)= 2*99,802+309,193-2*119,027-40,892=229,851 Дж/мольК

Σ n_i [H_i⁰(T)- H_i⁰(0)+∆_fH_i⁰(0)]=2*[H_Mg⁰(2000)- H_Mg⁰(0)+ ∆_fH_Mg⁰(0)]+ [H_CO2⁰(2000)- H_CO2⁰(0)+ ∆_fH_CO2⁰(0)]- 2*[H_MgO⁰(2000)- H_MgO⁰(0)+ ∆_fH_MgO⁰(0)]- [H_C⁰(2000)- H_C⁰(0)+ ∆_fH_C⁰(0)]= 2*68,200+100,825-393,142-2*(91,426-597,319)-36,703=819,166 кДж/моль

lnK_p=

=27.65-49.29=-21.63

2) С помощью приведенной энергии Гиббса:

, где (6)

- приведенная энергия Гиббса; - стандартная теплота образования индивидуального вещества при Т=0 К.

Σ n_i Ф_i⁰ (T)= 2*Ф_Mg⁰(2000)+ Ф_CO2⁰(2000)- 2*Ф_MgO⁰(2000)- Ф_C⁰(2000)= 2*65.703+258.781-2*73.314-22.540=221.019 Дж/мольК

Σ n_i∆_fH_i⁰(0)= 2*∆_fH_Mg⁰(0)+ ∆_fH_CO2⁰(0)- 2*∆_fH_MgO⁰(0)- ∆_fH_C⁰(0)=

0-393.142+2*597.319-0=801,496 кДж/моль

lnK_p=

=26.6-48.3=-21.63

Аналогично рассчитывается константа равновесия химической реакции и для всех остальных температур из интервала 1400 -2400K; все необходимые данные находятся в таблицах приложений. Полученные результаты для всего интервала температур приведены в таблице 3.

Таблица 3.

Расчет lnK_p двумя способами в интервале температур 1400-2400K

T,K	1/T, К*106	I способ,lnKP	I способ,lnKP	Kp
1400	714	-42,85	-42,85	2.45*10-19
1500	666	-38,09	-38,09	2.86*10-17
1600	625	-33,97	-33,97	1.76*10-15
1700	588	-30,34	-30,34	6.66*10-14
1800	556	-27,11	-27,11	1.68*10-12
1900	526	-24,22	-24,22	3.03*10-11
2000	500	-24,63	-21,63	4.04*10-10
2100	476	-19,28	-19,28	4*10-9
2200	455	-17,15	-17,15	3.5*10-8
2300	435	-15,24	-15,24	2.4*10-7
2400	417	-13,34	-13,34	1.61*10-6

Используя полученный график (рисунок 4) и формулу:

(7)

рассчитаем среднее значение теплового эффекта реакции:

Вывод: Данная реакция является эндотермической, так как с ростом температуры увеличивается константа равновесия и равновесие смещается в сторону прямой реакции.

Вывод основан на принципе Ле – Шателье, который гласит: если на систему, находящуюся в равновесии, воздействовать извне и тем изменить условия, определяющие положение равновесия, то в системе усиливается то из направлений процесса, течение которого ослабляет влияние этого воздействия, в результате чего положение равновесия сместится в этом же направлении. [4]

2.ПОСТРОЕНИЕ И ИССЛЕДОВАНИЕ ДИАГРАММЫ СОСТОЯНИЯ ДВУХКОМПОНЕНТНОЙ СИСТЕМЫ La—Sb

2.1 Построение и исследование диаграммы состояния La—Sbв атомных и массовых долях.

2.1.1 Данная диаграмма, изображённая на рисунке 5, является двухкомпонентной системой с полной растворимостью в жидком состоянии, с отсутствием растворимости в твердом состоянии, с образованием одного устойчивого химического соединения конгруэнтного плавления и образованием трех неустойчивых химических соединении инконгруэнтного плавления, с вырожденной эвтектикой.

Фазовый состав:

I (L): жидкий расплав;

II (L + S_La): жидкий расплав + кристаллы твердого р-ра на основе компонента La;

III (L + S_La2Sb): жидкий расплав + кристаллы твердого р-ра на основе компонента La₂Sb;

IV (S_La+ S_La2Sb): кристаллы твердого р-ра на основе компонента La + неустойчивое химическое соединение La₂Sb;

V (L+S_La3Sb2): жидкий расплав + устойчивое химическое соединение La₃Sb₂;

VI (L+S_La2Sb3): жидкий расплав + устойчивое химическое соединение La₃Sb₂;

VII (S_La2Sb+ S_La3Sb2): неустойчивое химическое соединение LaSb₃+ устойчивое химическое соединение La₂Sb₃;

VIII(S_La3Sb2 + S_LaSb): неустойчивое химическое соединение LaSb+ устойчивое химическое соединение La₃Sb₂;

IX (L+ S_LaSb): жидкий расплав + неустойчивое химическое соединение LaSb;

X (S_LaSb+ S_LaSb2): неустойчивое химическое соединение LaSb+ неустойчивое химическое соединение LaSb₂;

XI (L+ S_LaSb2): жидкий расплав + неустойчивое химическое соединение LaSb₂;

XII(S_LaSb2 + S_Sb): кристаллы твердого р-ра на основе компонента Sb + неустойчивое химическое соединение LaSb₂.

Точкa эвтектики:

E₁:L_E1 ↔S_La+ S_La2SbС=0 Ф=3

Переведём в массовые доли точки, соответствующие следующим атомным долям cурьмы: A=0,5 ат.д.; B=0,6 ат.д; C=0,74. Для этого воспользуемся следующеё формулой:

Проведём пересчёт для каждой из точек:

A:

B:

C:

2.1.2На данной диаграмме имеется четыре химических соединения, которые условно обозначили следующим образом:La_xSb_{y ,} La_zSb_{w ,} La_aSb_{b ,} La_cSb_d.Индексы при химических элементах соответствуют количеству атомов. А количество атомов, в свою очередь, находится из отношения атомных долей этих элементов. Ниже приведены расчёты этих индексов: