УРАВНЕНИЯ ИЗОБАРЫ И ИЗОХОРЫ ХИМИЧЕСКОЙ РЕАКЦИИ.
РАСЧЕТ КОНСТАНТ РАВНОВЕСИЯ И ТЕПЛОВЫХ ЭФФЕКТОВ ХИМИЧЕСКИХ РЕАКЦИЙ ПО УРАВНЕНИЮ ИЗОБАРЫ
Количественно влияние температуры на химическое равновесие описывается уравнением изобары химической реакции.
Рассмотрим вывод уравнения изобары:
Перепишем уравнения изотермы в следующем виде:
Продифференцируем это уравнение по температуре и перепишем его:
выражение в квадратных скобках есть , тогда:
Представим уравнение Гиббса – Гельмгольца в виде:
Левые части последних уравнений равны, следовательно, равны и правые:
Получаем: (3.2.1)
(3.2.1) – уравнение изобары химической реакции в дифференциальной форме.
(3.2.2)
(3.2.2) – уравнение изохоры химической реакции в дифференциальной форме.
Из этих уравнений следует, что влияние температуры на константу равновесия определяется знаком теплового эффекта. Если реакция эндотермическая, т.е.
и с повышением температуры константа равновесия будет расти, равновесие будет смещаться в сторону продуктов реакции. Если реакция экзотермическая, т.е.
то с повышением температуры константа равновесия будет уменьшаться, равновесие будет смещаться в сторону реагентов.
При помощи уравнений изобары и изохоры можно не только определить изменение констант равновесия в зависимости от температуры, но и найти тепловой эффект химической реакции. Для этого получим уравнение изобары в интегральной форме.
|
|
Разделим переменные:
Интегрирование проведем для двух случаев.
1) Первый: DН = const. Тогда после интегрирования имеем:
(3.2.3)
где В – постоянная интегрирования.
Согласно уравнению (3.2.3) можно рассчитать тепловой эффект реакции графическим методом, что представлено на рис. 3.2.1.
Из рис. 3.2.1. видно, что Þ DН = – Rtga
Рис. 3.2.1. Графическое определение теплового эффекта
Интегрирование можно провести в интервале температур:
Þ
2) Второй: DН ≠ const. В этом случае интегрирование проводят с использованием уравнения Кирхгофа.
Зависимость Кх от давления может быть определена следующим образом:
Kp и Kc от давления не зависят, а Kx является функцией давления:
(3.2.4)
Уравнение (3.2.4) называется уравнением Планка-Ван-Лаара, согласно которому при повышении давления равновесие смещается в сторону меньшего объема.
ЗАВИСИМОСТЬ КОНСТАНТЫ РАВНОВЕСИЯ ОТ
ТЕМПЕРАТУРЫ. МЕТОД ШВАРЦМАНА-ТЕМКИНА
|
|
В основе метода расчета, основанного на использовании стандартных термодинамических величин, используются два уравнения:
|
1. Тепловой эффект реакции при температуре Т и Р = const можно вычислить по уравнению Кирхгофа в интегральной форме:
(3.3.2)
Величину находят с помощью таблиц стандартных теплот образования участников реакции
|
2. Для расчета энтропии используют уравнение:
, (3.3.4)
которое при стандартных условиях принимает следующий вид:
(3.3.5)
Проинтегрируем это уравнение в интервале температур от 298 К до Т и получим:
(3.3.6)
Величину находят с помощью таблиц стандартных энтропий
|
DСр определяется с помощью справочных таблиц как функция температуры Ср = f(T). Известно, что в общем случае для неорганических и органических соединений эта зависимость выражается следующим рядом:
|
|
DСр = Dа + DвТ + DСТ2 + DС/Т –2 + …, (3.3.8)
|
Объединяя все выражения, получим:
(3.3.9)
и подставим в выражение для константы равновесия:
(3.3.10)
Вычисление двух последних интегралов является довольно кропотливой операцией и на практике пользуются методом, предложенным Темкиным и Шварцманом. Суть метода заключается в том, что значение DСр = f(T) подставляют в подинтегральное выражение двух последних интегралов и вычисляют их.
(3.3.11)
Объединяя члены, содержащие Dа, Dв и т.д. и приводя подобные, получим:
(3.3.12)
Обозначим величины в квадратных скобках Dа, Dв, Dс и Dс¢ соответственно через М0, М1, М2, М–2.Индекс при коэффициенте М равен показателю степени, в которой входит температура в уравнении с = f(T). Таким образом,
(3.3.13)
В структуре М1, М2, М–2 можно легко усмотреть общую закономерность и записать общую формулу для расчета всех коэффициентов, включая М3, отвечающей опущенному ранее в выражении
|
|
DСр = f(T) cT3.
,
где n = 1, 2, 3 или (-2).
Коэффициенты M0, Mn являются функциями только температуры. Их значения вычислены для различных температур, обычно с интервалом 500 или 1000, и сведены в таблицы.
Переходя к десятичным логарифмам, получим окончательное уравнение для вычисления константы равновесия Кр по методу Темкина – Шварцмана:
(3.3.14)
Если и и теплоемкость выражены в джоулях, то 2,303 . R = 19,14 Дж/моль . град, а если в калориях, то 4,576 кал/ моль . град.
Полученное уравнение (3.3.14) используется для расчета константы равновесия Кр реакций между веществами, для которых имеются стандартные данные.
Таким образом, чтобы рассчитать константу равновесия или величину DG0T для какой-либо реакции, необходимо знать:
1. Стандартные энтропии всех веществ при 298 К
2. Стандартные энтальпии образования всех участников реакции при 298 К 2. Коэффициенты а, в, с, с/ в уравнении зависимости теплоемкости от температуры всех участников реакции в интервале температур от 298 К до Т (для вычисления Dа, Dв …).
3. Коэффициенты М0, М1, М2, М –2 для данной температуры Т.
Если температура Т не очень сильно отличается от 298 К, то можно считать, что и , следовательно, DСр @ 0. В этом случае уравнение (20) принимает вид:
и Dа = Dв = Dс = Dс/ = 0
Для более точного расчета можно применять уравнение следующего вида:
(3.3.15)
Если изменение теплоемкости (Ср) не равно нулю, но практически не зависит от температуры, то вместо Dа в последнем уравнении (3.3.15) подставляют DСр, т.е. изменение теплоемкости системы при реакции, рассчитанное по средним теплоемкостям.
Дата добавления: 2018-02-15; просмотров: 5858; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!