книги / Теоретические основы химических процессов
..pdfМинистерство образования и науки Российской Федерации
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования
«Пермский национальный исследовательский политехнический университет»
Кафедра химии и биотехнологии
ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ХИМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ
Методические указания и контрольные задания для студентов заочной формы обучения
Направление:
15.03.04 «Автоматизация технологических процессов и производств»
Профиль подготовки бакалавра:
Автоматизация химико-технологических процессов и производств
Издательство Пермского национального исследовательского
политехнического университета
2017
1
Составители: М.М. Соколова, О.И. Бахирева, Н.Б. Ходяшев, Л.С. Пан
Т34
Рецензент канд. хим. наук, доц. Т.К. Томчук
(Пермский национальный исследовательский политехнический университет)
Теоретические основы химических процессов : метод. укаТ34 зания и контр. задания для студ. заоч. формы обучения / сост.
М.М. Соколова, О.И. Бахирева, Н.Б. Ходяшев, Л.С. Пан. – Пермь : Изд-во Перм. нац. исслед. политехн. ун-та, 2017. – 42 с.
Даны программа для подготовки к зачету и многовариантные индивидуальные задания для контрольной работы по дисциплине «Теоретические основы химических процессов», а также примеры с решениями и справочная информация, необходимая для расчетов.
Предназначено для студентов заочной формы обучения направления 15.03.04 «Автоматизация технологических процессов и производств».
ПНИПУ, 2017
2
СОДЕРЖАНИЕ |
|
Общие методические указания.............................................................. |
4 |
Контрольная работа................................................................................ |
7 |
Модуль 1. Химическая термодинамика................................................ |
7 |
Задание 1.1. Определение тепловых эффектов |
|
химических реакций............................................................................... |
8 |
Задание 1.2. Определение возможности протекания химической |
|
реакции в стандартных и нестандартных условиях............................ |
9 |
Задание 1.3. Химическое равновесие.................................................. |
11 |
Модуль 2. Кинетика гомогенных и гетерогенных процессов. |
|
Физико-химические методы анализа.................................................. |
17 |
Задание 2.1. Определение кинетических характеристик |
|
простых односторонних реакций........................................................ |
19 |
Задание 2.2. Определение энергии активации и других |
|
кинетических констант химических реакций ................................... |
23 |
Задание 2.3. Адсорбция на поверхности твердого тела.................... |
26 |
Список литературы............................................................................... |
38 |
Приложение 1........................................................................................ |
39 |
Приложение 2........................................................................................ |
41 |
3
ОБЩИЕ МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ
Дисциплина «Теоретические основы химических процессов» относится к вариативной части блока Б1 Дисциплины (модули) и является дисциплиной по выбору студентов при освоении ОПОП по направлению 15.03.04 «Автоматизация технологических процессов и производств».
Цель дисциплины – углубление знаний в области термодинамики, кинетики химических процессов, формирование представлений по отдельным физико-химическим методам анализа; формирование осознанной необходимости применения знаний законов и методов химическойтермодинамикиикинетикиприрешениипрактическихзадач.
Предметомосвоения дисциплины являются следующиеобъекты:
химические превращения;
фазовые процессы;
гомогенные и гетерогенные взаимодействия.
В результате изучения дисциплины обучающийся должен демонстрировать следующие результаты:
|
знать: |
– |
начала термодинамики и основные уравнения химической |
термодинамики;
– методы термодинамическогоописания химических равновесий;
– уравнения формальной кинетики;
– особенности кинетики гомогенных и гетерогенных реакций;
– способы управления скоростями и направлениями химических процессов;
уметь:
–определять по справочным данным энергетические характеристики индивидуальных веществ, термодинамические характеристики химических реакций;
–составлять энергетический баланс процессов;
–определять движущие силы и возможности протекания процессов;
4
– проводить кинетические исследования и расчеты процессов;
– составлять кинетические уравнения в дифференциальной
иинтегральной формах для простых реакций;
–прогнозировать влияние температуры на скорость процесса;
–применять современное физическое оборудование и приборы при решении практических задач;
владеть:
–методами термодинамического описания химических равно-
весий,
–навыками вычисления тепловых эффектов химических реакций при заданной температуре в условиях постоянства давления или объема;
–навыками вычисления констант равновесия химических реакций при заданной температуре;
–методами кинетического анализа гомогенных и гетерогенных реакций;
–методами определения констант скоростей реакций различных порядков по результатам кинетического эксперимента;
–навыками самостоятельной работы при проведении физикохимических исследований;
–навыками работы на основных физических приборах. Основной вид учебных занятий студентов заочной формы обу-
чения – самостоятельная работа над учебным материалом. По курсу «Теоретические основы химических процессов» она слагается из следующих элементов: посещение установочных лекций; изучение материала по учебникам и учебным пособиям; выполнение контрольных заданий; выполнение лабораторного практикума; посещение индивидуальных консультаций; сдача зачета.
Всего студент заочной формы обучения должен выполнить одну контрольную работу. Контрольная работа охватывает вопросы по термодинамике химических реакций, химическому равновесию, химической кинетике, адсорбции на поверхности твердого тела.
Решения задач и ответы на теоретические вопросы должны быть коротки, но четко обоснованы, за исключением тех случаев, когда по существу вопроса такая мотивировка не требуется. При
5
решении задач нужно приводить все математические преобразования, избирая простейший путь решения. Нельзя переписывать текст из учебника или учебных пособий. Контрольная работа должна быть аккуратно оформлена. Для замечаний рецензента надо оставлять достаточно широкие поля, писать четко и ясно. В работах номера и условия задач следует переписывать в том порядке, в каком они указаны в задании.
Контрольная работа, выполненная не по своему варианту, преподавателем не рецензируется и не зачитывается. Вариант указывает преподаватель. Контрольная работа выполняется в тетради школьного типа, на лицевой стороне которой приводятся следующие сведения:
ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ХИМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ
Контрольная работа № ______ вариант № ____
студента ПНИПУ группы __________________
направление _____________________________
профиль ________________________________
__________________________________________________________
фамилия, имя, отчество
В конце работы должны быть указаны дата ее окончания и подпись лица, выполнившего работу. Обсуждение контрольных заданий и вопросов может проходить дистанционно, через Интернет. Конечные варианты контрольных работ должны быть представлены в рукописном виде, набранные на компьютере или сканированные работы не принимаются.
6
КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА
Модуль 1. Химическая термодинамика
Законы термодинамики и их применение к простейшим процессам. Первый закон термодинамики. Внутренняя энергия,
энтальпия, теплота, работа. Работа и теплота как характеристики процесса. Взаимосвязь теплоты, работы и изменения внутренней энергии. Применение первого закона термодинамики к простейшим процессам. Тепловые эффекты и теплоты образования. Связь величины Qр и QV. Закон Гесса и его термодинамическое обоснование. Теплоемкость вещества. Зависимость теплоемкости вещества от температуры. Зависимость тепловых эффектов процессов от температуры. Вывод и анализ уравнения Кирхгофа. Расчеты тепловых эффектов химических реакций, теплоты агрегатных и фазовых превращений, теплоты растворения при различных температурах.
Второй закон термодинамики. Самопроизвольные и несамо-
произвольные процессы. Энтропия. Приведенная теплота и энтропия для равновесных и неравновесных процессов. Изменение энтропии как критерия равновесия и направления процессов в изолированной системе. Вычисление изменения энтропии при охлаждении (нагревании) веществ и при фазовых переходах.
Третий закон термодинамики. Формулировки третьего закона термодинамики и следствия. Постулат Планка. Вычисление абсолютных стандартных величин энтропии вещества по термодинамическим данным. Энергия Гиббса, энергия Гельмгольца, химический потенциал. Физический смысл этих величин. Применение энергии Гиббса и энергии Гельмгольца в качестве критериев направленности процессов и равновесия в изотермических системах. Зависимость энергии Гиббса от температуры и давления.
Химическое равновесие. Динамическая и термодинамическая характеристика равновесия. Термодинамический закон действия масс. Константа равновесия. Способы выражения константы равновесия в гомогенных и гетерогенных системах. Вычисление состава
7
равновесной системы, выхода продукта, степени превращения исходных веществ, степени диссоциации. Уравнения изобары и изохоры химической реакции. Уравнение изотермы и направление химической реакции. Константа равновесия и стандартное изменение энергии Гиббса. Расчет изменения энергии Гиббса и констант равновесия для различных температур, приближенные методы расчета константы равновесия.
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 конечные продукты сгорания СО2(г), Н2О(ж), N2(г).
|
|
|
|
Таблица 1 |
|
|
|
|
|
|
|
Номер |
|
|
|
|
кДж |
варианта |
Вещество А |
Формула |
Состояние |
|
∆Нсгор, моль |
1 |
2 |
3 |
4 |
|
5 |
1 |
Мочевина |
СН4N2О |
т |
|
–632,20 |
2 |
Нитрометан |
СН3NО2 |
ж |
|
–708,77 |
3 |
Ацетальдегид |
С2Н4О |
г |
|
–1193,07 |
4 |
Этилацетат |
С4Н8О2 |
ж |
|
–2246,39 |
5 |
Глицерин |
С3Н8О3 |
ж |
|
–1661,05 |
6 |
Диметиламин |
С2Н7N |
ж |
|
–1768,59 |
7 |
Ацетон |
С3Н6О |
ж |
|
–1785, 73 |
8 |
Пентан |
С5Н12 |
г |
|
–3536,15 |
9 |
Триметиламин |
С3Н9N |
г |
|
–2442,92 |
10 |
Пропанол-1 |
С3Н8О |
ж |
|
–2010,41 |
11 |
Бутан |
С4Н10 |
г |
|
–2877,13 |
12 |
Амиловый спирт |
С5Н12О |
ж |
|
–3320,84 |
13 |
Фенол |
С6Н6О |
т |
|
–3063,52 |
14 |
Гидрохинон |
С6Н6О2 |
т |
|
–2860,60 |
15 |
Анилин |
С6Н7N |
ж |
|
–3396,20 |
16 |
Бензойная кислота |
С7Н6О2 |
т |
|
–3226,70 |
17 |
Пиридин |
С5Н5N |
ж |
|
–2755,16 |
18 |
Стеариновая кислота |
С18Н36О2 |
т |
|
–11274,60 |
19 |
Толуол |
С7Н8 |
ж |
|
–3947,94 |
8
|
|
Окончание |
табл. 1 |
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
2 |
3 |
|
4 |
|
|
5 |
20 |
Октан |
С8Н18 |
|
ж |
|
|
–5470,58 |
21 |
Нафталин |
С10Н8 |
|
т |
|
|
–5156,78 |
22 |
Гексан |
С6Н14 |
|
г |
|
|
–4194,75 |
23 |
Изобутан |
С4Н10 |
|
г |
|
|
–2868,76 |
24 |
Сахароза |
С12Н22О11 |
|
т |
|
|
–5646,73 |
25 |
Уксусная кислота |
С2Н4О2 |
|
ж |
|
|
–874,58 |
26 |
Камфора |
С10Н16О |
|
т |
|
|
–5924,84 |
27 |
Бутанол |
С4Н10О |
|
ж |
|
|
–2671,90 |
28 |
Формальдегид |
СН2О |
|
г |
|
|
–561,07 |
29 |
Щавелевая кислота |
С2Н2О4 |
|
т |
|
|
–251,88 |
30 |
Антрацен |
С14Н10 |
|
т |
|
|
–7067,45 |
Теплоты сгорания простых веществ указаны в следующих урав- |
|||||||
нениях: |
|
|
|
|
|
|
|
|
С(графит) + О2(г) = СО2(г) + 393,51 |
кДж |
; |
|
|
||
|
|
|
|
моль |
|
|
|
|
Н2(г) + 1 О2(г) = Н2О(ж) + 285,83 |
кДж . |
|
||||
|
2 |
|
|
моль |
|
|
|
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 H 0f ,298 , вычислите тепловой эффект
реакции при стандартных условиях H2980 . Выделяется или погло-
щается тепло при протекании реакции? Эндоили экзотермической является данная реакция?
2. Для исходных веществ и продуктов реакции определите величины средних теплоемкостей Сp в диапазоне температур 298 – Т и изменение теплоемкости Сp в ходе реакции. Пользуясь зако-
9
ном Кирхгофа, вычислите тепловой эффект реакции HT0 при температуре T и стандартном давлении с учетом величины Сp .
|
|
|
|
|
|
Таблица 2 |
|
|
|
|
|
|
|
Номер |
Реакция |
|
|
Т, К |
||
варианта |
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
1 |
4NH3(г) + 5O2(г) = 4NO(г) |
+ 6H2O(г) |
550 |
|||
2 |
4HCl(г) + O2(г) = 2Cl2(г) |
+ 2H2O(г) |
500 |
|||
3 |
2KOH(т) + CO2(г) |
= K2CO3(т) + H2O(г) |
400 |
|||
4 |
2NaHCO3(т) = Na2CO3(т) + H2O(г) + CO2(г) |
400 |
||||
5 |
2CuS(т) + 3O2(г) = 2CuO(т) + 2SO2(г) |
650 |
||||
6 |
Fe3O4(т) + 4H2(г) |
= 3Fe(т) |
+ 4H2O(г) |
500 |
||
7 |
2H2S(г) + 3O2(г) = 2SO2(г) |
+ 2H2O(г) |
700 |
|||
8 |
Mg(OH)2(т) = MgO(т) + H2O(г) |
500 |
||||
9 |
CS2(г) + 3O2(г) = CO2(г) |
+ 2SO2(г) |
900 |
|||
10 |
MgCO3(т) = MgO(т) + CO2(г) |
500 |
||||
11 |
Fe2O3(т) + 3H2(г) = 2Fe(т) |
+ 3H2O(г) |
500 |
|||
12 |
Ca(OH)2(т) + CO2(г) = CaCO3(т) + H2O(г) |
500 |
||||
13 |
BaO(т) + CO2(г) = BaCO3(т) |
600 |
||||
14 |
4HBr(г) + O2(г) = 2Br2(г) |
+ 2H2O(г) |
900 |
|||
15 |
4NH3(г) + 3O2(г) = 2N2(г) |
+ 6H2O(г) |
750 |
|||
16 |
SnO2(т) + 2H2(г) = Sn(т) + 2H2O(г) |
500 |
||||
17 |
4FeS2(т) + 11O2(г) = 2Fe2O3(т) + 8SO2(г) |
900 |
||||
18 |
2H2S(г) + O2(г) |
= 2H2O(г) + S2(г) |
500 |
|||
19 |
FeO(т) + H2(г) |
= Fe(т) + H2O(г) |
700 |
|||
20 |
CaO(т) + H2O(г) = Ca(OH)2(т) |
500 |
||||
21 |
Al2O3(т) + 3SO3(г) = Al2(SO4)3(т) |
600 |
||||
22 |
2NO(г) + O2(г) = 2NO2(г) |
800 |
||||
23 |
2NiS(т) + 3O2(г) = 2NiO(т) |
+ 2SO2(г) |
400 |
|||
24 |
TiO2(т) + 2H2(г) = Ti(т) + 2H2O(г) |
1000 |
||||
25 |
PbO(т) + SO3(г) = PbSO4(т) |
800 |
||||
26 |
4CO(г) + 2SO2(г) |
= 4CO2(г) + S2(г) |
700 |
|||
27 |
CO(г) + H2O(г) |
= CO2(г) |
+ H2(г) |
600 |
||
28 |
Fe2O3(т) + 3CO(г) |
= 2Fe(т) |
+ 3CO2(г) |
500 |
||
29 |
SnO2(т) + 2CO(г) |
= Sn(т) |
+ 2CO2(г) |
400 |
||
30 |
2ZnS(т) + 3O2(г) = 2ZnO(т) + 2SO2(г) |
700 |
||||
3. Выведите для реакции функциональную зависимость изменения молярной изобарнойтеплоемкости от температуры: Cp0 = f(T).
4. Вычислите величину HT0 , пользуясь законом Кирхгофа иустановленной функциональной зависимостью Cp0 = f (T). Как влияетувеличениетемпературынавеличинутепловогоэффектареакции?
10