МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ
Воронезький державний технічний університет
Фізико-технічний факультет
Тема: Обчислення термодинамічних функцій індивідуального речовини H 2, розрахунок константи рівноваги реакції 2 MgO конд + С граф ↔ 2 Mg конд + СО 2.
Побудова та аналіз діаграми стану двокомпонентної системи La - Sb.
Виконав студент ЛП - 061 ____ X_HACKER
2008 р
Воронезький державний технічний університет
Кафедра фізики, хімії та технології ливарних процесів
ЗАВДАННЯ
На курсову роботу з дисципліни
«Фізична хімія»
Спеціальність 150104: «Ливарне виробництво чорних і кольорових металів»
Тема роботи: Обчислення термодинамічних функцій заданого речовини H
2 MgO конд + С граф ↔ 2 Mg конд + СО 2
Побудова та аналіз діаграми подвійної системи La - Sb.
Зміст розрахунково-пояснювальної записки:
1 Обчислення термодинамічних функцій.
1.1 Обчислення термодинамічних функцій H 0 (T)-H 0 (0), S 0 (T), Ф 0 (Т), G 0 (T)-G 0 (0) для заданого речовини H
1.2 Опис фізичних і хімічних властивостей речовини H
1.3 Розрахунок константи рівноваги реакції 2 MgO конд + С граф ↔ 2 Mg конд + СО 2 в інтервалі температур 1400 - 2400К, двома способами та з допомогою застосування наведеної енергії Гіббса.
2 Побудова і дослідження діаграми стану подвійної системи La - Sb.
2.1 Побудова і дослідження діаграми стану La - Sb за наступними пунктами:
2.1.1 Побудувати діаграму стану в La - Sb масс.д. і молек.д., визначити тип діаграми стану, дати фазовий склад всіх її областей.
2.1.2 Встановити формули хімічних сполук, якщо такі є на заданій діаграмі стану La - Sb.
2.1.3 Вказати температуру початку і кінця кристалізації для розплаву системи, La - Sb містить 0,6 ат.д. Sb.
2.1.4 Визначити природу і склад перших випали кристалів з розплаву, що містить, 0,6 ат.д. Sb, а так само складу останніх крапель цього розплаву.
2.1.5 За правилом важеля для системи La - Sb містить 0,6 ат.д. Sb, при температурі 1200 o C, визначити маси рівноважних фаз, якщо було взято 50 г вихідного сплаву.
2.1.6 Знайти число ступенів свободи, в точках, що відповідають наступного складу системи і температурі:
Склад 0,4 ат.д. Sb, температура 1690 o C
Склад 0,2 ат.д. Sb, температура 800 o C
Склад 0.8 ат.д. Sb, температура 1400 o C
2.1.7 Намалювати криву охолодження для системи, що містить, 0,6 ат.д. Sb, і дати повний опис процесу охолодження.
Керівник роботи:
Корнєєва А.Н ._________________________
Виконавець:
Щербаков А.Е.________________________
Дата видачі заданія_____________________
Дата здачі курсової работи_____________
Дата захисту __________________________
ЗМІСТ
Завдання
Зміст
1. Обчислення термодинамічних функцій
1.1. Обчислення термодинамічних функцій H 0 (T) - H 0 (0), S 0 (T), Ф 0 (T),
G 0 (T) - G 0 (0) для заданого речовини Н 2 в інтервалі температур
100-500К.
1.2. Опис фізичних, хімічних властивостей речовини H 2 і його
застосування.
1.3. Розрахунок константи рівноваги реакції
2MgO конд + С граф ↔ 2Mg конд + СО 2 в інтервалі температур 1400-2400К двома
способами: за допомогою ентропії і приведеної енергії Гіббса.
2. Побудова і дослідження діаграми стану двокомпонентної
Системи La-Sb .
2.1. Побудова і дослідження діаграми стану La-Sb по
наступними пунктами:
2.1.1. Побудувати діаграму стану La-Sb в мас. д. і молек. д.,
визначити тип діаграми стану, дати фазовий склад всіх її областей.
2.1.2.Установіть формули хімічних сполук, якщо такі
є на заданій діаграмі стану La-Sb.
2.1.3. Вказати температуру початку і кінця кристалізації
для розплаву системи La-Sb, що містить 0.6 ат. д. Sb.
2.1.4. Визначити природу і склад перших випали кристалів з
розплаву, що містить 0.6 ат Sb ат. д., а також склад останніх
крапель цього розплаву.
2.1.5. За правилом важеля для системи La-Sb, що містить 0.6 ат. д. Sb
при температурі 1200 0 C, визначити маси рівноважних фаз,
якщо було взято 50 г вихідного сплаву.
2.1.6. Знаходження кількості ступенів свободи в точках,
відповідних наступного складу системи і температурі:
Склад 0,4 ат.д. Sb, температура 1690 o C
Склад 0,2 ат.д. Sb, температура 800 o C
Склад 0.8 ат.д. Sb, температура 1400 o C
2.1.7. Крива охолодження для системи, що містить 0.6 ат.д Sb, і повний опис процесу охолодження.
Додаток А
Додаток Б
Додаток В
Додаток Г
Додаток Д
Список літератури
1. Обчислення термодинамічних ФУНКЦІЙ.
1.1 Для обчислення термодинамічних функцій H ° (T)-H ° (0), S ° (T), Ф ° (Т), G ° (Т)-G ° (0) заданого речовини H
а) зміна ентальпії
б) зміна ентропії
в) зміна енергії Гіббса
г) зміна наведеної енергії Гіббса:
де:
Для забезпечення точності обчислення термодинамічних функцій індивідуального речовини при зазначених температурах з помилкою не вище ~ 1%, стоградусную інтервал, з яким наведені теплоємності в джерелі [1], розбивається на чотири рівні частини, і проводяться обчислення термодинамічних функцій
Виконання розрахунків термодинамічних функцій індивідуального речовини вищевикладеним чином здійснюється за допомогою спеціальної комп'ютерної програми.
Значення термодинамічних функцій C 0 (T) і C 0 (T) / T для індивідуального речовини H
Таблиця 1
значення функцій З 0 (Т) і С 0 (Т) / Т H
Примітка: З 0 (Т) - теплоємність речовини, розраховується при P = const.
Таблиця 2.
Значення функцій H 0 (T)-H 0 (0), S 0 (T), G 0 (T)-G 0 (0) для H
Примітка:
Н 0 (Т)-М 0 (0)-зміна ентальпії;
S 0 (T)-ентропія; Ф 0 (Т)-приведена енергія Гіббса;
G 0 (T)-G 0 (0)-зміна енергії Гіббса.
Висновок: При обчисленні термодинамічних функцій за допомогою готових програм ми показали, що помилка в розрахунках не перевищує 1%, в порівнянні з додатком А. З результатів обчислень видно, що, так як функція
1.2 Історія відкриття водню. Виділення горючого газу при взаємодії кислот і металів спостерігали у 16 і 17 століттях на зорі становлення хімії як науки. Знаменитий англійський фізик і хімік Г. Кавендіш у 1766 р. досліджував цей газ та назвав його «горючим повітрям». При спалюванні «горючий повітря» давав воду, але прихильність Кавендіша теорії флогістону завадила йому зробити правильні висновки. Французький хімік А. Лавуазьє разом із інженером Ж. Меньє, використовуючи спеціальні газометри, в 1783 р. здійснив синтез води, а потім і її аналіз, розклавши водяну пару розжареним залізом. Таким чином, він встановив, що «горючий повітря» входить до складу води та може бути з неї отримано. У 1787 Лавуазьє прийшов до висновку, що «горючий повітря» представляє собою просту речовину, і, отже, належить до числа хімічних елементів. Він дав йому назву hydrogene (від грецького hydor - вода і gennao - народжую) - «народжує воду». Встановлення складу води поклало край «теорії флогістону». Російське найменування «водень» запропонував хімік М. Ф. Соловйов в 1824 році. На рубежі 18 і 19 століття було встановлено, що атом водню дуже легкий (в порівнянні з атомами інших елементів), і вага (маса) атома водню був прийнятий за одиницю порівняння атомних мас елементів. Масі атома водню приписали значення, рівне 1.
Фізичні властивості. Газоподібний водень може існувати у двох формах (модифікаціях) - у вигляді орто-і пара-водню.
У молекулі ортоводорода (т. пл. -259,20 ° C, т. кип. -252,76 ° C) ядерні спини спрямовані однаково (паралельні), а у параводорода (т. пл. -259,32 ° C, т . кип. -252,89 ° C) - протилежно одна одній (антіпараллельни).
Розділити алотропні форми водню можна адсорбцією на активному вугіллі при температурі рідкого азоту. При дуже низьких температурах рівновагу між ортоводородом і параводородом майже без остачі зрушено в бік останнього. При 80 До співвідношення форм приблизно 1:1. Десорбувався параводород при нагріванні перетворюється в ортоводород аж до утворення рівноважної при кімнатній температурі суміші (орто-пара: 75:25). Без каталізатора перетворення відбувається повільно, що дає можливість вивчити властивості окремих аллотропних форм. Молекула водню двохатомних - Н ₂. За звичайних умов - це газ без кольору, запаху і смаку. Водень - найлегший газ, його щільність у багато разів менше щільності повітря. Очевидно, що чим менше маса молекул, тим вище їх швидкість при одній і тій же температурі. Як самі легені, молекули водню рухаються швидше молекул будь-якого іншого газу і тим самим швидше можуть передавати теплоту від одного тіла до іншого. Звідси випливає, що водень має найвищу теплопровідність серед газоподібних речовин. Його теплопровідність приблизно в сім разів вище теплопровідності повітря. [5]
Хімічні властивості. Електронна формула водню 1s 1. Молекули водню Н ₂ досить міцні, і для того, щоб водень міг вступити в реакцію, повинна бути витрачена велика енергія: Н ₂ = 2Н - 432 кДж. Тому при звичайних температурах водень реагує тільки з дуже активними металами, наприклад з кальцієм, утворюючи гідрид кальцію: Ca + Н 2 = Сан 2 і з єдиним неметалом - фтором, утворюючи фтороводород: F 2 + H 2 = 2HF. З більшістю ж металів і неметалів водень реагує при підвищеній температурі або при іншому впливі, наприклад при освітленні. Він може "віднімати" кисень від деяких оксидів, наприклад: CuO + Н ₂ = Cu + Н ₂ 0. Записане рівняння відображає реакцію відновлення. Реакціями відновлення називаються процеси, в результаті яких від з'єднання віднімається кисень; речовини, що забирають кисень, називаються відновниками (при цьому вони самі окислюються). Реакція відновлення протилежна реакції окислення. Обидві ці реакції завжди протікають одночасно як один процес: при окислюванні (поновлення) однієї речовини обов'язково одночасно відбувається відновлення (окислення) іншого.
N 2 + 3H 2 → 2NH 3 Воронезький державний технічний університет
Фізико-технічний факультет
Кафедра фізики, хімії та технології ливарних процесів
Курсова робота
з дисципліни «Фізична хімія»Тема: Обчислення термодинамічних функцій індивідуального речовини H 2, розрахунок константи рівноваги реакції 2 MgO конд + С граф ↔ 2 Mg конд + СО 2.
Побудова та аналіз діаграми стану двокомпонентної системи La - Sb.
Виконав студент ЛП - 061 ____ X_HACKER
група підпис ініціали, прізвище
Керівник О.М. Корнєєвапідпис ініціали, прізвище
Нормоконтроль О.М. Корнєєвапідпис ініціали, прізвище
Защищена________________Оценка______________________2008 р
Воронезький державний технічний університет
Кафедра фізики, хімії та технології ливарних процесів
ЗАВДАННЯ
На курсову роботу з дисципліни
«Фізична хімія»
Спеціальність 150104: «Ливарне виробництво чорних і кольорових металів»
Тема роботи: Обчислення термодинамічних функцій заданого речовини H
2 MgO конд + С граф ↔ 2 Mg конд + СО 2
Побудова та аналіз діаграми подвійної системи La - Sb.
Зміст розрахунково-пояснювальної записки:
1 Обчислення термодинамічних функцій.
1.1 Обчислення термодинамічних функцій H 0 (T)-H 0 (0), S 0 (T), Ф 0 (Т), G 0 (T)-G 0 (0) для заданого речовини H
1.2 Опис фізичних і хімічних властивостей речовини H
1.3 Розрахунок константи рівноваги реакції 2 MgO конд + С граф ↔ 2 Mg конд + СО 2 в інтервалі температур 1400 - 2400К, двома способами та з допомогою застосування наведеної енергії Гіббса.
2 Побудова і дослідження діаграми стану подвійної системи La - Sb.
2.1 Побудова і дослідження діаграми стану La - Sb за наступними пунктами:
2.1.1 Побудувати діаграму стану в La - Sb масс.д. і молек.д., визначити тип діаграми стану, дати фазовий склад всіх її областей.
2.1.2 Встановити формули хімічних сполук, якщо такі є на заданій діаграмі стану La - Sb.
2.1.3 Вказати температуру початку і кінця кристалізації для розплаву системи, La - Sb містить 0,6 ат.д. Sb.
2.1.4 Визначити природу і склад перших випали кристалів з розплаву, що містить, 0,6 ат.д. Sb, а так само складу останніх крапель цього розплаву.
2.1.5 За правилом важеля для системи La - Sb містить 0,6 ат.д. Sb, при температурі 1200 o C, визначити маси рівноважних фаз, якщо було взято 50 г вихідного сплаву.
2.1.6 Знайти число ступенів свободи, в точках, що відповідають наступного складу системи і температурі:
Склад 0,4 ат.д. Sb, температура 1690 o C
Склад 0,2 ат.д. Sb, температура 800 o C
Склад 0.8 ат.д. Sb, температура 1400 o C
2.1.7 Намалювати криву охолодження для системи, що містить, 0,6 ат.д. Sb, і дати повний опис процесу охолодження.
Керівник роботи:
Корнєєва А.Н ._________________________
Виконавець:
Щербаков А.Е.________________________
Дата видачі заданія_____________________
Дата здачі курсової работи_____________
Дата захисту __________________________
ЗМІСТ
Завдання
Зміст
1. Обчислення термодинамічних функцій
1.1. Обчислення термодинамічних функцій H 0 (T) - H 0 (0), S 0 (T), Ф 0 (T),
G 0 (T) - G 0 (0) для заданого речовини Н 2 в інтервалі температур
100-500К.
1.2. Опис фізичних, хімічних властивостей речовини H 2 і його
застосування.
1.3. Розрахунок константи рівноваги реакції
2MgO конд + С граф ↔ 2Mg конд + СО 2 в інтервалі температур 1400-2400К двома
способами: за допомогою ентропії і приведеної енергії Гіббса.
2. Побудова і дослідження діаграми стану двокомпонентної
Системи La-Sb .
2.1. Побудова і дослідження діаграми стану La-Sb по
наступними пунктами:
2.1.1. Побудувати діаграму стану La-Sb в мас. д. і молек. д.,
визначити тип діаграми стану, дати фазовий склад всіх її областей.
2.1.2.Установіть формули хімічних сполук, якщо такі
є на заданій діаграмі стану La-Sb.
2.1.3. Вказати температуру початку і кінця кристалізації
для розплаву системи La-Sb, що містить 0.6 ат. д. Sb.
2.1.4. Визначити природу і склад перших випали кристалів з
розплаву, що містить 0.6 ат Sb ат. д., а також склад останніх
крапель цього розплаву.
2.1.5. За правилом важеля для системи La-Sb, що містить 0.6 ат. д. Sb
при температурі 1200 0 C, визначити маси рівноважних фаз,
якщо було взято 50 г вихідного сплаву.
2.1.6. Знаходження кількості ступенів свободи в точках,
відповідних наступного складу системи і температурі:
Склад 0,4 ат.д. Sb, температура 1690 o C
Склад 0,2 ат.д. Sb, температура 800 o C
Склад 0.8 ат.д. Sb, температура 1400 o C
2.1.7. Крива охолодження для системи, що містить 0.6 ат.д Sb, і повний опис процесу охолодження.
Додаток А
Додаток Б
Додаток В
Додаток Г
Додаток Д
Список літератури
1. Обчислення термодинамічних ФУНКЦІЙ.
1.1 Для обчислення термодинамічних функцій H ° (T)-H ° (0), S ° (T), Ф ° (Т), G ° (Т)-G ° (0) заданого речовини H
а) зміна ентальпії
б) зміна ентропії
в) зміна енергії Гіббса
г) зміна наведеної енергії Гіббса:
де:
Для забезпечення точності обчислення термодинамічних функцій індивідуального речовини при зазначених температурах з помилкою не вище ~ 1%, стоградусную інтервал, з яким наведені теплоємності в джерелі [1], розбивається на чотири рівні частини, і проводяться обчислення термодинамічних функцій
Виконання розрахунків термодинамічних функцій індивідуального речовини вищевикладеним чином здійснюється за допомогою спеціальної комп'ютерної програми.
Значення термодинамічних функцій C 0 (T) і C 0 (T) / T для індивідуального речовини H
Таблиця 1
значення функцій З 0 (Т) і С 0 (Т) / Т H
| Т, К | З 0 (Т), Дж / моль * К | З 0 (Т) / Т |
| 100 | 28.1550 | 0.2816 |
| 125 | 27.3679 | 0.2281 |
| 150 | 27.0895 | 0.1880 |
| 175 | 27.1611 | 0.1585 |
| 200 | 27.4470 | 0.1372 |
| 225 | 27.8350 | 0.1220 |
| 250 | 28.2358 | 0.1111 |
| 275 | 28.5837 | 0.1028 |
| 300 | 28.8360 | 0.0961 |
| 325 | 28.9732 | 0.0901 |
| 350 | 28.9993 | 0.0842 |
| 375 | 28.9411 | 0.0782 |
| 400 | 28.8490 | 0.0721 |
| 425 | 28.7965 | 0.0664 |
| 450 | 28.8803 | 0.0617 |
| 475 | 29.2204 | 0.0599 |
| 500 | 29.9600 | 0.0591 |
Таблиця 2.
Значення функцій H 0 (T)-H 0 (0), S 0 (T), G 0 (T)-G 0 (0) для H
| Т, К | Н 0 (Т)-Н 0 (0), кДж / моль | S 0 (T), Дж / моль * К | Ф 0 (Т), Дж / моль * К | G 0 (T)-G 0 (0), кДж / моль |
| 100 | 2.9990 | 100.6160 | 70.6260 | -7.06260 |
| 200 | 5.7315 | 120.1235 | 91.4662 | -18.29323 |
| 300 | 8.5517 | 131.4133 | 102.9076 | -30.87229 |
| 400 | 11.4462 | 139.8283 | 111.2128 | -44.48514 |
| 500 | 14.3515 | 146.1412 | 117.4382 | -58.71912 |
Н 0 (Т)-М 0 (0)-зміна ентальпії;
S 0 (T)-ентропія; Ф 0 (Т)-приведена енергія Гіббса;
G 0 (T)-G 0 (0)-зміна енергії Гіббса.
Висновок: При обчисленні термодинамічних функцій за допомогою готових програм ми показали, що помилка в розрахунках не перевищує 1%, в порівнянні з додатком А. З результатів обчислень видно, що, так як функція
1.2 Історія відкриття водню. Виділення горючого газу при взаємодії кислот і металів спостерігали у 16 і 17 століттях на зорі становлення хімії як науки. Знаменитий англійський фізик і хімік Г. Кавендіш у 1766 р. досліджував цей газ та назвав його «горючим повітрям». При спалюванні «горючий повітря» давав воду, але прихильність Кавендіша теорії флогістону завадила йому зробити правильні висновки. Французький хімік А. Лавуазьє разом із інженером Ж. Меньє, використовуючи спеціальні газометри, в 1783 р. здійснив синтез води, а потім і її аналіз, розклавши водяну пару розжареним залізом. Таким чином, він встановив, що «горючий повітря» входить до складу води та може бути з неї отримано. У 1787 Лавуазьє прийшов до висновку, що «горючий повітря» представляє собою просту речовину, і, отже, належить до числа хімічних елементів. Він дав йому назву hydrogene (від грецького hydor - вода і gennao - народжую) - «народжує воду». Встановлення складу води поклало край «теорії флогістону». Російське найменування «водень» запропонував хімік М. Ф. Соловйов в 1824 році. На рубежі 18 і 19 століття було встановлено, що атом водню дуже легкий (в порівнянні з атомами інших елементів), і вага (маса) атома водню був прийнятий за одиницю порівняння атомних мас елементів. Масі атома водню приписали значення, рівне 1.
Фізичні властивості. Газоподібний водень може існувати у двох формах (модифікаціях) - у вигляді орто-і пара-водню.
У молекулі ортоводорода (т. пл. -259,20 ° C, т. кип. -252,76 ° C) ядерні спини спрямовані однаково (паралельні), а у параводорода (т. пл. -259,32 ° C, т . кип. -252,89 ° C) - протилежно одна одній (антіпараллельни).
Розділити алотропні форми водню можна адсорбцією на активному вугіллі при температурі рідкого азоту. При дуже низьких температурах рівновагу між ортоводородом і параводородом майже без остачі зрушено в бік останнього. При 80 До співвідношення форм приблизно 1:1. Десорбувався параводород при нагріванні перетворюється в ортоводород аж до утворення рівноважної при кімнатній температурі суміші (орто-пара: 75:25). Без каталізатора перетворення відбувається повільно, що дає можливість вивчити властивості окремих аллотропних форм. Молекула водню двохатомних - Н ₂. За звичайних умов - це газ без кольору, запаху і смаку. Водень - найлегший газ, його щільність у багато разів менше щільності повітря. Очевидно, що чим менше маса молекул, тим вище їх швидкість при одній і тій же температурі. Як самі легені, молекули водню рухаються швидше молекул будь-якого іншого газу і тим самим швидше можуть передавати теплоту від одного тіла до іншого. Звідси випливає, що водень має найвищу теплопровідність серед газоподібних речовин. Його теплопровідність приблизно в сім разів вище теплопровідності повітря. [5]
| Атомний номер | 1 |
| Атомна маса | 1,00797 а.о.м. |
| Атомний об'єм | 14,4 см 3 / моль |
| Електронегативність | 2,2 |
| Атомний радіус | 0,79 А |
| Ковалентний радіус | 0,32 А |
| Ступінь окислення | +1, Іноді -1 |
| Щільність | 8,988 Е-5 г/см3 |
| Теплота розпаду | 0,05868 кДж / моль |
| Температура кипіння | -252,87 0С |
| Питома теплоємність | 14,304 Дж / г * До |
| Температура плавлення | -255,34 0С |
| Температура переходу в надпровідний стан | 0 До |
| Теплопровідність | 0,1717 Вт / (моль * К) при 273 К |
| Теплота пароутворення | 0,44936 кДж / моль |
З галогенами утворює галогеноводорода:
F 2 + H 2 → 2HF, реакція протікає з вибухом у темряві і при будь-якій температурі,
Cl 2 + H 2 → 2HCl, реакція протікає з вибухом, тільки на світлі.
З сажею взаємодіє при сильному нагріванні:
C + 2H 2 → CH 2 [5]
Поширеність у природі та отримання. Водень широко поширений в природі, його вміст в земній корі (літосфера й гідросфера) становить за масою 1%, а за кількістю атомів 16%. Водень входить до складу самого поширеного речовини на Землі - води (11,19% водень за масою), до складу з'єднань, що складають вугілля, нафта, природні гази, глини, а також організми тварин і рослин (тобто до складу білків, нуклеїнових кислот, жирів, вуглеводів та ін.) У вільному стані водень зустрічається вкрай рідко, в невеликих кількостях він міститься у вулканічних та інших природних газах. Нікчемні кількості вільного водню (0,0001% за кількістю атомів) присутні в атмосфері. У навколоземному просторі водень у вигляді потоку протонів утворює внутрішній (протонний ») радіаційний пояс Землі. У космосі водень є найпоширенішим елементом. У вигляді плазми він становить близько половини маси Сонця і більшості зірок, основну частину газів міжзоряного середовища і газових туманностей. Водень присутній в атмосфері ряду планет і в кометах у вигляді вільного H 2, метану CH 4, аміаку NH 3, води H 2 O, радикалів типу CH, NH, OH, SiH, PH і т.д. У вигляді потоку протонів водень входить до складу корпускулярного випромінювання сонця і космічних променів. Звичайний водень складається з суміші 2 стійких ізотопів: легкого водню, або протію (1 H), і важкого водню, або дейтерію (2 H, або D). У природних сполуках водню на 1 атом 2 H припадає в середньому 6800 атомів 1 H. Штучно отриманий радіоактивний ізотоп - надважкий водень, або тритій (3 H, або Т), з м'яким β-випромінюванням і періодом напіврозпаду T 1 / 2 = 12,262 року. У природі тритій утворюється, наприклад, з атмосферного азоту під дією нейтронів космічних променів; в атмосфері його мізерно мало (4.10 -15% від загального числа атомів водню). Отримано вкрай нестійкий ізотоп 4 H. Масові числа ізотопів 1 H, 2 H, 3 H і 4 H, відповідно 1,2, 3 і 4, вказують на те, що ядро атома протію містить тільки 1 протон, дейтерію - 1 протон і 1 нейтрон, тритію - 1 протон і 2 нейтрони, 4 H - 1 протон і 3 нейтрона. Велика відмінність мас ізотопів водню зумовлює більш помітне розходження їх фізичних і хімічних властивостей, ніж у випадку ізотопів інших елементів. Розрізняють лабораторні та промислові способи отримання водню. У лабораторних умовах у даний час застосовується: взаємодія активних металів з кислотами - неокіслітелямі:
Zn + 2HCl = ZnCl 2 + H 2
взаємодія алюмінію (або цинку) з водними розчинами лугів:
2Al + 2NaOH + 6H 2 O = 2Na [Al (OH) 4] + 3H 2
У промисловості: електроліз води та водних розчинів лугів і солей:
2H 2 O = 2H 2 + O 2
2NaCl + 2H 2 O = H 2 + Cl + 2NaOH
пропускання пари води над розжареним вугіллям при 1000 0 C:
C + H 2 O = CO + H 2
конверсія метану при 900 0 C:
CH 4 + H 2 O = CO + 3H 2 [6]
Застосування. Широке застосування водень знайшов у хімічній промисловості - при синтезі аміаку, виготовлення соляної і метилової кислот, отримання метилового спирту. У харчовій промисловості його використовують для перетворення рідких жирів на тверді (їх гідрогенізації). Враховуючи «невагомість» водню, їм заповнювали і заповнюють оболонки літальних апаратів легше повітря. Спочатку це були повітряні кулі, пізніше - аеростати та дирижаблі, сьогодні (разом з гелієм) - метеорологічні зонди. Висока температура горіння, а в поєднанні з електричною дугою вона досягає 4000 0 С, забезпечує розплав навіть самих тугоплавких металів. Тому киснево-водневі пальника використовують для зварювання та різання металів. У кольоровій металургії відновленням воднем отримують особливо чисті метали з оксидів. У космічній техніці вітчизняна ракета-носій «Енергія» з успіхом використовує водень як паливо. Водень використовують при синтезі хлороводню HCl, метанолу СН 3 ОН, при гідрокрекінгу (крекінгу в атмосфері водню) природних вуглеводнів, як відновлювач при отриманні деяких металів. Гідруванням природних рослинних олій одержують твердий жир - маргарин. Рідкий водень застосовується як ракетне паливо, а також як хладагент.
У свій час висловлювалося припущення, що в недалекому майбутньому основним джерелом отримання енергії стане реакція горіння водню, і воднева енергетика витіснить традиційні джерела отримання енергії (вугілля, нафта та ін.) При цьому передбачалося, що для одержання водню у великих масштабах можна буде використовувати електроліз води. Електроліз води - досить енергоємний процес, і в даний час отримувати водень електролізом в промислових масштабах невигідно. Але очікувалося, що електроліз буде заснований на використанні середньотемпературної (500-600 ° C) теплоти, яка у великих кількостях виникає при роботі атомних електростанцій. Ця теплота має обмежене застосування, та можливості отримання з її допомогою водню дозволили б вирішити як проблему екології (при згорянні водню на повітрі кількість які виникають екологічно шкідливих речовин мінімально), так і проблему утилізації середньотемпературної теплоти. Однак після Чорнобильської катастрофи розвиток атомної енергетики повсюдно згортається, так що вказане джерело енергії стає недоступним. Тому перспективи широкого використання водню як джерела енергії поки зсуваються, щонайменше, до середини 21-го століття.
Особливості обігу: водень не отруйний, але при поводженні з ним потрібно постійно враховувати його високу пожежо-і вибухонебезпечність, причому вибухонебезпечність водню підвищена через високу здатність газу до дифузії навіть через деякі тверді матеріали. Перед початком будь-яких операцій по нагріванню в атмосфері водню слід переконатися в його чистоті (при підпалюванні водню в перевернутій догори дном пробірці звук повинен бути глухий, а не гавкаючий). [6]
1.3 Розрахунок константи рівноваги реакції 2 MgO конд + С граф ↔ 2 Mg конд + СО 2 в інтервалі температур 1400 - 2400K, двома способами, за допомогою ентропії і приведеної енергії Гіббса.
Використовуючи довідкові дані по температурної залежності зміни ентальпії реагентів, їх ентропії, наведеної енергії Гіббса розраховуємо логарифм константи рівноваги lnK p реакції 2 MgO конд + С граф ↔ 2 Mg конд + СО 2, в інтервалі температур 1400 - 2400K [1].
Розрахунок проводиться двома способами.
1) З використанням абсолютних значень ентропії:
де n i - відповідні стехіометричні коефіцієнти, S ° i (T) - стандартна абсолютна ентропія індивідуального речовини при даній температурі, H 0 i (T) - H 0 i (0) - високотемпературні складові ентальпії індивідуального речовини, Δ f H 0 (0 ) - стандартна ентальпія утворення індивідуального речовини при Т = 0 К [2].
Розрахунок при температурі 2000 К:
Σ n i S i o (T) = 2 * S 0 Mg (2000) + S 0 CO 2 (2000) - 2 * S 0 MgO конд (2000) - S 0 C граф (2000) = 2 * 99,802 +309,193-2 * 119,027-40,892 = 229,851 Дж / Молько
Σ n i [H i 0 (T) - H i 0 (0) + Δ f H i 0 (0)] = 2 * [H Mg 0 (2000) - H Mg 0 (0) + Δ f H Mg 0 (0)] + [H CO 2 0 (2000) - H CO 2 0 (0) + Δ f H CO 2 0 (0)] - 2 * [H MgO 0 (2000) - H MgO 0 (0) + Δ f H MgO 0 (0)] - [H C 0 (2000) - H C 0 (0) + Δ f H C 0 (0)] = 2 * 68,200 +100,825-393,142-2 * (91,426-597,319) -36,703 = 819,166 кДж / моль
lnK p = QUOTE
2) За допомогою наведеної енергії Гіббса:
Σ n i Ф i 0 (T) = 2 * Ф Mg 0 (2000) + Ф CO 2 0 (2000) - 2 * Ф MgO 0 (2000) - Ф C 0 (2000) = 2 * 65.703 +258.781-2 * 73.314-22.540 = 221.019 Дж / Молько
Σ n i Δ f H i 0 (0) = 2 * Δ f H Mg 0 (0) + Δ f H CO 2 0 (0) - 2 * Δ f H MgO 0 (0) - Δ f H C 0 ( 0) =
0-393.142 +2 * 597.319-0 = 801,496 кДж / моль
lnK p =
Аналогічно розраховується константа рівноваги хімічної реакції і для всіх інших температур з інтервалу 1400-2400K; всі необхідні дані знаходяться в таблицях додатків. Отримані результати для всього інтервалу температур наведені в таблиці 3.
Таблиця 3.
Розрахунок ln K p двома способами в інтервалі температур 1400-2400K
| T, K | 1 / T, К * 10 6 | I спосіб, l nK P | I спосіб, l nK P | K p |
| 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 |
розрахуємо середнє значення теплового ефекту реакції:
Висновок: Дана реакція є ендотермічної, так як з ростом температури збільшується константа рівноваги і рівновага зміщується в бік прямої реакції.
Висновок грунтується на принципі Ле - Шательє, який говорить: якщо на систему, що знаходиться в рівновазі, впливати ззовні і тим змінити умови, що визначають положення рівноваги, то в системі посилюється то з напрямків процесу, протягом якого послаблює вплив цього впливу, в результаті чого становище рівноваги зміститься в цьому ж напрямку. [4]
2. ПОБУДОВА І ДОСЛІДЖЕННЯ ДІАГРАМИ СТАНУ двокомпонентної системи La - Sb
2.1 Побудова і дослідження діаграми стану La-Sb в атомних і масових частках.
2.1.1 Дана діаграма, зображена на малюнку 5, є двокомпонентної системою з повною розчинністю в рідкому стані, з відсутністю розчинності в твердому стані, з утворенням одного стійкого хімічної сполуки конгруентного плавлення і утворенням трьох нестійких хімічних поєднанні інконгруентной плавлення, з виродженою евтектикой.
Фазовий склад:
I (L): рідкий розплав;
II (L + S La): рідкий розплав + кристали твердого розчину на основі компонента La;
III (L + S La 2 Sb): рідкий розплав + кристали твердого розчину на основі компонента La 2 Sb;
IV (S La + S La 2 Sb): кристали твердого розчину на основі компонента La + нестійке хімічна сполука La 2 Sb;
V (L + S La 3 Sb 2): рідкий розплав + стійке хімічна сполука La 3 Sb 2;
VI (L + S La 2 Sb 3): рідкий розплав + стійке хімічна сполука La 3 Sb 2;
VII (S La 2 Sb + S La 3 Sb 2): нестійкий хімічна сполука LaSb 3 + стійке хімічна сполука La 2 Sb 3;
VIII (S La 3 Sb 2 + S LaSb): нестійкий хімічна сполука LaSb + стійке хімічна сполука La 3 Sb 2;
IX (L + S LaSb): рідкий розплав + нестійке хімічна сполука LaSb;
X (S LaSb + S LaSb 2): нестійкий хімічна сполука LaSb + нестійке хімічна сполука LaSb 2;
XI (L + S LaSb 2): рідкий розплав + нестійке хімічна сполука LaSb 2;
XII (S LaSb 2 + S Sb): кристали твердого розчину на основі компонента Sb + нестійке хімічна сполука LaSb 2.
Точкa евтектики:
E 1: L E 1 ↔ S La + S La 2 Sb С = 0 Ф = 3
Переведемо в масові частки точки, які відповідають наступним атомним часткам cурьми: A = 0,5 ат.д.; B = 0, 6 ат.д; C = 0,74. Для цього скористаємося наступне формулою:
Проведемо перерахунок для кожної з точок:
A:
B:
C:
2.1.2 На даній діаграмі є чотири хімічні сполуки, які умовно позначили наступним чином: La x Sb y, La z Sb w, La a Sb b, La c Sb d . Індекси при хімічних елементах відповідають кількості атомів. А кількість атомів, у свою чергу, знаходиться з відношення атомних часток цих елементів. Нижче наведені розрахунки цих індексів:
x: y = атомна частка (La): атомна частка (Sb).
La x Sb y
x: y = 0.33:0.67
x: y = 1:2
Звідси випливає, що хімічна формула цієї хімічної сполуки LaSb 2.
Аналогічно, знаходимо індекси для хімічної сполуки La z Sb w:
z: w = 0.6:0.4
z: w = 3:2
Отже, хімічна формула даного з'єднання - La 3 Sb 2.
Для хімічного з'єднання La a Sb b
a: b = 0.5:0.5
a: b = 1:1
Дана формула виглядає наступним чином: LaSb
Хімічна сполука La c Sb d
c: d = 0.33:0.67
c: d = 1:2
Отримали хімічна сполука, у якому вміст міді та лантану знаходиться в рівних пропорціях - LaSb 2.
Скомпонуем отримані результати: La 2 Sb, La 3 Sb 2, LaSb, LaSb 2.
2.1.3 Температура початку кристалізації розплаву системи La-Sb, що містить 0,6 ат.д. Sb, дорівнює »1475 ° С, температура кінця кристалізації дорівнює 1110 ° С.
2.1.4 Перші випали кристали з розплаву, що містить 0,6 ат. д. Sb знаходяться у вигляді нестійкого хімічної сполуки LaSb. Складу останньої краплі цього розплаву відповідає точка перітектікі Р 3, що містить 0,74 ат.д. Sb.
2.1.5 Скориставшись даними, отриманими в пункті 2.1.1, визначимо за правилом важеля для системи La - Sb, що містить 0,6 ат.д. Sb при температурі 1200 0 C і при масі сплаву 50г маси рівноважних фаз:
m S + m L = 50г m L = 20,8 м
2.1.6 Число ступенів свободи знаходиться за правилом фаз Гіббса: С = К-Ф +1, де С - ступінь свободи, яка характеризує число незалежних параметрів, які можна вільно змінювати, Ф - число фаз системи; К - кількість компонентів системи.
Звідси випливає, що система, у якій:
складу 40 ат. д. Sb, температура 1690 0 С, має: К = 2, Ф = 3, С = 2-3 +1 = 0;
склад 20 ат. д.Sb, температура 800 0 С, має: К = 2, Ф = 2, С = 2-2 +1 = 1;
склад 80 ат. д. Sb, температура 1400 0 C, має: К = 2, Ф = 1, С = 2-1 +1 = 2.
2.1.7. При температурі, вище 1475 0 C, склад системи La-Sb знаходиться у вигляді розплаву, Ф = 1, С = 2. При охолодженні до температури 1 475 0 C розплав стає насиченим нестійким хімічною сполукою LaSb, і починається його кристалізація. Система стає двофазної, С = 1. При подальшому охолодженні до температури 1110 0 C росте маса кристалів хімічної сполуки LaSb, склад розплаву змінюється по кривій MP 3, в ньому збільшується вміст сурми. Температурі 1110 0 C відповідає точка перітектікі P 3, що відповідає складу його останніх крапель, тут відбувається перитектической перетворення:
Додаток А
Залежність теплоємності Н 2 від температури
| T. До | ||||
| 100 | 2,999 | 100,616 | 70,624 | 28,155 |
| 200 | 5,693 | 119,301 | 90,836 | 27,477 |
| 300 | 8,468 | 130,747 | 102,169 | 28,849 |
| 400 | 11,426 | 139,104 | 110,538 | 29,181 |
| 500 | 14,349 | 145,626 | 116,527 | 29,260 |
Додаток Б
Значення термодинамічних функцій для Mg.| T, К | ||||
| 1400 | 47.620 | 87.569 | 55.554 | 34.300 |
| 1500 | 51.050 | 89.935 | 55.902 | 34.300 |
| 1600 | 54.480 | 92.149 | 58.099 | 34.300 |
| 1700 | 57.910 | 94.228 | 60.163 | 34.300 |
| 1800 | 61.340 | 96.189 | 62.111 | 34.300 |
| 1900 | 64.770 | 98.043 | 63.954 | 34.300 |
| 2000 | 68.200 | 99.802 | 65.703 | 34.300 |
| 2100 | 71.630 | 101.476 | 67.367 | 34.300 |
| 2200 | 75.060 | 103.072 | 68.954 | 34.300 |
| 2300 | 78.490 | 104.596 | 70.470 | 34.300 |
| 2400 | 81.920 | 106.056 | 71.923 | 34.300 |
Додаток В
Значення термодинамічних функцій для MgO.| T. До | ||||
| 1400 | 58.856 | 99.696 | 57.656 | 52.890 |
| 1500 | 64.168 | 103.361 | 60.582 | 53.341 |
| 1600 | 69.524 | 106.818 | 63.365 | 53.793 |
| 1700 | 74.927 | 110.093 | 66.018 | 54.255 |
| 1800 | 80.376 | 113.207 | 68.554 | 54.736 |
| 1900 | 85.875 | 116.180 | 70.983 | 55.243 |
| 2000 | 91.426 | 119.027 | 73.314 | 55.783 |
| 2100 | 97.033 | 121.763 | 75.557 | 56.363 |
| 2200 | 102.700 | 124.399 | 77.717 | 56.991 |
| 2300 | 108.433 | 126.947 | 79.803 | 57.674 |
| 2400 | 114.237 | 129.417 | 81.819 | 58.416 |
Додаток Г
Значення термодинамічних функцій для CO 2| T. До | ||||
| 1400 | 65.273 | 288.086 | 241.462 | 57.818 |
| 1500 | 71.085 | 292.095 | 244.705 | 58.397 |
| 1600 | 76.950 | 295.880 | 247.787 | 58.898 |
| 1700 | 82.862 | 299.464 | 250.722 | 59.334 |
| 1800 | 88.815 | 302.867 | 253.525 | 59.717 |
| 1900 | 94.804 | 306.105 | 256.208 | 60.054 |
| 2000 | 100.825 | 309.193 | 258.781 | 60.354 |
| 2100 | 106.874 | 312.144 | 261.252 | 60.622 |
| 2200 | 112.948 | 314.970 | 263.630 | 60.862 |
| 2300 | 119.045 | 317.680 | 265.922 | 61.080 |
| 2400 | 125.163 | 320.284 | 268.133 | 61.278 |
Додаток Д
Значення термодинамічних функцій для C.| T. До | ||||
| 1400 | 21.960 | 32.138 | 16.453 | 23.919 |
| 1500 | 24.367 | 33.799 | 17.554 | 24.225 |
| 1600 | 26.802 | 35.271 | 18.619 | 24.464 |
| 1700 | 29.258 | 26.859 | 19.649 | 24.543 |
| 1800 | 31.729 | 38.272 | 20.645 | 24.775 |
| 1900 | 34.212 | 39.614 | 21.608 | 24.875 |
| 2000 | 36.703 | 40.892 | 22.540 | 24.957 |
| 2100 | 39.203 | 42.112 | 23.444 | 25.034 |
| 2200 | 41.710 | 43.278 | 24.319 | 25.121 |
| 2300 | 44.228 | 44.397 | 25.168 | 25.231 |
| 2400 | 46.758 | 45.474 | 25.991 | 25.379 |
Список літератури.
1. Термодинамічні властивості індивідуальних речовин. Т.1-4 книга друга. Таблиці термодинамічних властивостей: Довідкове видання / За ред. В.П. Глушкова. - М.: Наука 1979.
2. Методичні вказівки для виконання курсової роботи з дисциплін «Фізична хімія» та «Хімія». / ВДТУ; Сост. В.В. Корнєєва, А.А Щетинін, Ю.П. Хухрянскій, О.М. Корнєєва, 2002. 24 с.
3. Ремі Р. Курс неорганічної хімії. 11-е видання, виконане кандидатом хімічних наук А. І. Григор 'євим. Т.1-4-М.: Світ, 1972.
4. Коровін Н.В., Загальна хімія. - М.: Вища школа, 2007.
5. Інтернет. Сайт http://him.1september.ru.
6. Некрасов Б. Водень, Курс загальної хімії, 14 вид., М., 1962;