- •Черепкова и. А.. Химико-технологические системы
- •Содержание
- •Введение
- •Тема 1. Химико-технологические процессы и химико-технологические системы
- •1. 1. Классификация химических веществ.
- •Номенклатура химических соединений
- •1. 1. Основные классы неорганических соединений
- •1. 1. 2. Основы номенклатуры неорганических веществ
- •1. 1. 2. 1. Общие положения
- •1. 1. 2. 2. Номенклатура простых веществ
- •1. 1. 2. 3. Номенклатура сложных веществ
- •1. 1. 2. 3. 1. Бинарные соединения
- •1. 1. 2. 3. 2. Многоэлементные соединения
- •1. 1. 2. 4. Тривиальные названия веществ и смесей
- •Тривиальные названия индивидуальных веществ
- •Тривиальные названия смесей и растворов
- •Тема 2. Химическая термодинамика
- •2. 1. Расчет тепловых эффектов химических реакций с использованием стандартных термодинамических функций.
- •2. 2. Расчет изменения энтропии и энергии Гиббса в химических процессах
- •3. Термодинамический анализ возможности протекания химического процесса
- •Тема 3. Химическое равновесие
- •3. 1. Расчет термодинамических и практических констант равновесия
- •2. Расчет глубины и степени превращения исходных веществ, выхода продукта и равновесного состава.
- •3. 3. Влияние концентрации реагентов, внешнего давления и температуры на химическое равновесие.
- •Тема 4. Фазовые равновесия
- •4. 1. Построение и анализ диаграмм температура – состав
- •4. 1. 1. Метод физико-химического анализа. Диаграммы состав – свойство
- •4. 1. 2. Диаграммы температура – состав для идеальных и растворов
- •4. 1. 3. Диаграммы температура – состав для неидеальных растворов
- •4. 1. 4. Правило рычага
- •4. 1.5. Разделение бинарных растворов
- •5. Многовариантные расчетные задания
- •Библиографический список
2. 2. Расчет изменения энтропии и энергии Гиббса в химических процессах
Изменение энтропии в ходе химической реакции можно рассчитать как разность сумм энтропий продуктов реакции (конечных веществ) и реагентов (исходных веществ):
Пользуясь значениями стандартных энтропий веществ, изменение энтропии при протекании химической реакции в стандартных условиях можно рассчитать по формуле:
Изменение энтропии при химическом превращении при любой температуре T и стандартном давлении можно рассчитать исходя из зависимости энтропии каждого вещества, участвующего в реакции, от температуры. С использованием средних теплоемкостей изменение энтропии системы при протекании в ней химической реакции рассчитывается по уравнению:
Пример 3: Рассчитаем изменение энтропии для реакции синтеза метанола при стандартных условиях.
Решение: Для расчетов воспользуемся справочными значениями стандартных энтропий, участвующих в реакции веществ (см. табл. 44 на стр.72 справочника [3]).
Теплоты образования |
СО(Г.) |
+ 2 Н2 (г.) |
= СН3ОН(г.) |
, Дж/(моль∙К) |
197,55 |
130,52 |
239,76 |
Изменение энтропии при протекании химической реакции в стандартных условиях равно:
Пример 4: Рассчитаем изменение энтропии для реакции синтеза метанола при температуре 1000 К.
Решение: Для расчетов воспользуемся рассчитанным в примере 2 значением изменения средней теплоемкости системы за счет протекания в ней химической реакции в интервале температур от 298 до 1000 К . Тогда Изменение энтропии для данной реакции при 1000 К будет равно:
Изменение стандартной энергии Гиббса при протекании реакции при любой температуре, в соответствии со вторым началом термодинамики, рассчитывается по уравнению:
,
Пример 5: Рассчитаем изменение стандартной энергии Гиббса для реакции синтеза метанола при температуре 1000 К.
Решение: Для расчетов воспользуемся рассчитанными в примерах 2 и 4 при температуре 1000 К значениями теплового эффекта реакции синтеза метанола и изменения энтропии системы за счет протекания в ней химической реакции . Тогда изменение стандартной свободной энергии Гиббса для данной реакции при 1000 К будет равно:
3. Термодинамический анализ возможности протекания химического процесса
Изменение энергии Гиббса и Гельмгольца служит критерием направления самопроизвольного процесса в закрытых системах.
При осуществлении самопроизвольного процесса система в состоянии произвести работу . При этом и, следовательно, . Отсюда вытекает очень важное соотношение, которое является критерием возможности самопроизвольного протекания процесса в закрытой системе в изобарно-изотермических условиях:
(при P = const и T = const)
Аналогично можно показать, что в изохорно-изотермических условиях критерием возможности самопроизвольного процесса является:
(при V = const и T = const)
Таким образом, в закрытых системах, какими являются большинство химико-технологических систем, ответ на этот вопрос получают на основании изменения энергии Гиббса или энергии Гельмгольца:
В закрытых системах самопроизвольные процессы могут протекать только в направлении уменьшения энергии Гиббса (при P = const и T = const) или энергии Гельмгольца (при V = const и T = const), а в состоянии равновесия эти функции имеют минимальное значение.
Пример 6: Определим, возможно ли самопроизвольное протекание реакции синтеза метанола при температуре 1000 К и давлении 101,013 кПа.
Решение: Для решения воспользуемся рассчитанным в примере 5 значением . Так как стандартная свободная энергия Гиббса в данной реакции при 1000 К увеличивается ( > 0), то синтез метанола в закрытой системе при T = 1000 К и давлении 101,013 кПа самопроизвольно не происходит.