Термодинамическое исследование химических превращений на уровне базисных реакций

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего  профессионального образования «Уральский федеральный университет имени первого Президента России  Б. Н. Ельцина»

 

Химико-технологический институт

Кафедра «Физической и Коллоидной химии»

Дисциплина «Физическая химия»

 

Оценка_________________

 

 

Курсовая работа

Термодинамическое исследование химических превращений на уровне базисных реакций

 

 

 

 

 

  Преподаватель:   _______________                 Булатов Н.К.

^{(подпись преподавателя)}

  Студент:    _______________                           Шорохова Я.В

    ^{(подпись  студента)}

  Группа:                                   Х-300401

  Дата сдачи:         

 

 

 

Екатеринбург

2012

Оглавление

 

1. Исходные данные 4

2. Определение базиса реакций химического превращения 5

3. Составление балансовых уравнений для абсолютных размеров и концентраций фазовых компонентов. 11

4. Определение функциональных зависимостей стандартных мольных термодинамических характеристик базисных реакций от температуры ([] K, шаг 200 K) 13

5. Определение направлений базисных реакций в начальном состоянии при заданной температуре  21

6. Расчёт переменных состава и давления в равновесном состоянии системы на основе законов химического равновесия (ЗХР) 25

Заключение 32

Литература 33

 

 

Введение

Объектом исследования данной работы является гетерогенная система  с химическими превращениями  при известных фазовом, компонентном, субкомпонентном и фазовокомпонетном  составах.

Целью работы является термодинамическое  исследование химических превращений  на уровне базисных реакций.

Задачи данной работы:

• определение базиса реакций химического превращения; составление балансовых уравнений для абсолютных размеров и концентраций компонентов;
• определение функциональных зависимостей стандартных мольных термодинамических характеристик базисных реакций от температуры;
• определение направлений базисных реакций в начальном состоянии системы при заданной температуре;
• расчёт переменных состава и давления в равновесном состоянии системы на основе законов химического равновесия.

 

 

1. Исходные данные

1.  Фазовый, компонентный, субкомпонентный и фазовокомпонентный составы системы

{α} = {2 - Ж, 3 - Г };

{k(α)} = {1 - (Ж), 2 - (Ж), 3 - (Г), 4 – (Г), 5 – (Г)} => K=5;

{s’} = {1’ – H’, 2’ – O’, 3’ – S’, 4’ – e’} => S’=4

2.  Температура, объем системы (или объемы автономных фаз) и начальные абсолютные размеры компонентов (или фазовых компонентов)

T = 1000 K; V = 0,120 м³;

V = V^(Г) + V^(T1) + V^(T2), так как V^(T1)<< V^(Г), V^(T2)<< V^(Г), V^(Г) ≈ V, (где V^(Г)-const, V^(T1) и V^(T2) – var);

{n^(α)_k,o} = {0,80; 0,50; 0,50; 0,20; 0,20} моль

3. Справочные данные о стандартных мольных термодинамических характеристиках фазовых компонентов:

Вид компонента k	(298),	(298),	(298),	,
				,	,	,
(Ж)	-187,86	109,60	89,33	53,60	117,15	-
(Ж)	-285,83	69,95	75,3	39,02	76,64	11,96
(Г)	0	205,04	29,37	31,46	3,39	-3,77
(Г)	-395,85	256,69	50,09	64,98	11,75	-16,37
(Г)	-296,9	248,07	39,87	46,19	7,87	-7,7

2. Определение базиса реакций химического превращения

1. Составление системы однородных линейных уравнений связей между химическими изменениями чисел молей фазовых компонентов и переход к подсистеме независимых уравнений

1. Составление матрицы ():

 

{s’}		{k}
		1	2	3	4	5
		2	2	0	0	0
		2	1	2	3	2
		0	0	0	1	1
		18	10	16	40	32

2. Составление системы из однородных линейных уравнений :

  =;

3. Переход к подсистеме из независимых уравнений :

а) Определение и :

 = rg== 3

                        = 4 - 3 = 1

б) Выбор и :

= =>  =

                                    =    

в) Проверка выбора

=>

=> = rg rg= 3 => выбор верен

г) Составление подсистемы из независимых :

  = ;

2. Построение одного из возможных базисов реакций химического превращения

1. Определение базиса решений  в форме матрицы :

1. Определение R, K,Ǩ

R = K- rg     => R = 5 – 3 = 2

K = R                     => K = 2       

Ǩ = K – K            => Ǩ= 5 – 2 = 3

2. Разбиение всех на независимые и зависимые :

а) Выбор и

  =

                                                 =

б) Проверка выбора:

rg= rg rg rg = = Ǩ

rg= rg= rg= 3 => выбор верен

3. Выбор R базисных решений r для K независимых приращений в форме матрицы

а) Выбор 1-го базисного решения (r = 1):

= =

б) Выбор 2-го базисного решения (r = 2):

= =

в) Составление матрицы :

  =

г) Проверка выбора:

 rg = 2 => выбор верен

4. Определение R базисных решений r для Ǩ зависимых приращений в форме матрицы :

а) Определение 1-го базисного решения (r = 1):

Используем развернутую  форму подсистемы из независимых :

= =>  =0        (=1,..,)

 

 

                                           

       =

б) Определение 2-го базисного решения (r = 2):

 

 

=

в) Составление матрицы :

  =

3. Получение базиса решений в форме матрицы

а) Объединение матриц и :

= =

2. Составление общего решения подсистемы из независимых уравнений в виде линейного выражения через :

=

= 

3. Составление системы из R стехиометрических уравнений базисных реакций r, т.е. построение стехиометрической модели ХП.

а) Рациональная запись в  матричной и развёрнутой формах:

 

 

 

б) Традиционная запись в  развёрнутой форме:

 

 

в) Конкретизация традиционной записи:

3. Построение других базисов реакций  и, следовательно, других стехиометрических моделей ХП

1. Переход от «старого» базиса реакций  к «новому» :

 а) Выбор 

                                          

                                        б) Проверка выбора:

      rg rg = rg = 2 => выбор верен

                                        в) Определение :

=

                                                             построение «новой»

                                      стехиометрической модели ХП 

                                                    

                                                                            

                                                                    

                                                                            

                                                                    

 

 

3. Составление балансовых уравнений для абсолютных размеров и концентраций фазовых компонентов.

1. Балансовые уравнения для фазовых компонентов.

Твёрдая фаза - Т1

 

 

Твёрдая фаза - Т2

 

 

Газовая фаза – Г

 

 

           

2. Балансовые уравнения для парциальных давлений фазовых компонентов в газовой фазе:

 

3. Балансовые уравнения для мольных долей фазовых компонентов в твёрдых фазах:

 

• для твёрдой фазы Т1:

 

• для твёрдой фазы Т2:

 

 

4. Определение функциональных зависимостей стандартных мольных термодинамических характеристик базисных реакций от температуры ([] K, шаг 200 K)

1. Зависимости стандартных мольных изобарных теплоёмкостей базисных реакций от температуры (в аналитической и графической формах)

 

 

Расчёт сумм типа , , :

Вид базисной реакции  r	,	,	,
r = 1	-2,3	0,07763	-2015000
r = 2	-6,12	-0,0437	1357000

 

Табличная форма:

Т, К			298	400	600	800	1000
,	Вид базисной реакции  r	r = 1	-1,85	16,162	38,68	56,65	73,315
		r = 2	-3,86	-15,12	-28,57	-38,95	-48,46