Скачать .docx |
Курсовая работа: Определение термодинамической возможности протекания химических процессов в реакции H2Cl22HCl
Федеральное агентство по образованию
Ангарская государственная техническая академия
Кафедра химии
Курсовая работа
по дисциплине «Химия»
Тема:
Определение термодинамической возможности
протекания химических процессов в реакции:
Исполнитель: *********.
студентка группы ЭУПу-08-10
Руководитель:
доцент кафедры химии
Кузнецова Т.А.
Ангарск 2009
Задание к курсовой работе
1. Привести физико-химическую характеристику всех участников реакции и способов их получения.
2. Рассчитать тепловой эффект реакции H 2+ Cl 2=2 HCl при стандартных условиях и при температуре = 1000 К.
3. Рассчитать изменение энтропии химической реакции при стандартных условиях и при температуре = 1000 К.
4. Определить возможность протекания реакции H 2+ Cl 2=2 HCl при стандартных условиях и при температуре = 1000 К.
5. Используя метод Темкина-Шварцмана рассчитать при температуре = 1200, =1500. Построив зависимость графически определить температуру, при которой процесс возможен, как самопроизвольный в прямом направлении.
6. Рассчитать константу равновесия при температуре = 1000 К, = 1200, =1500.
Содержание
1.4 Этилен. Физические и химические свойства
2.1 Нахождение теплового эффекта реакции
2.2 Расчет изменения энтропии химической реакции
2.3 Определение возможности протекания реакции
2.4 Расчет при температуре используя метод Темкина – Шварцмана
2.5 Расчет константы равновесия
1. Теоретическая часть
1.1 Этанол и его свойства
Этанол – бесцветная подвижная жидкость с характерным запахом и жгучим вкусом.
Таблица 1. Физические свойства этанола
Молекулярная масса |
46,069 а.е.м. |
Температура плавления |
−114,15 °C |
Температура кипения |
78,39 °C |
Критическая точка |
241 °C (при давлении 6,3 МПа) |
Плотность |
0,974 г/см |
Смешивается с водой, эфиром, ацетоном и многими другими органическими растворителями; легко воспламеняется; с воздухом этанол образует взрывоопасные смеси (3,28-18,95% по объему). Этанол обладает всеми характерными для одноатомных спиртов химическими свойствами, например с щелочными и щелочноземельными металлами образует алкоголяты, с кислотами – сложные эфиры, при окислении этанола – ацетальдегид, при дегидратации – этилен и этиловый эфир. При хлорировании этанола образуется хлораль.
1.2 Способы получения этанола
Существует 2 основных способа получения этанола — микробиологический (брожение и гидролиз ) и синтетический:
Брожение
Известный с давних времён способ получения этанола — спиртовое брожение органических продуктов, содержащих сахар (свёкла и т. п.). Аналогично выглядит переработка крахмала, картофеля, риса, кукурузы, древесины и др. под действием фермента зимазы. Реакция эта довольно сложна, её схему можно выразить уравнением:
C6 H12 O6 → 2C2 H5 OH + 2CO2
В результате брожения получается раствор, содержащий не более 15 % этанола, так как в более концентрированных растворах дрожжи обычно гибнут. Полученный таким образом этанол нуждается в очистке и концентрировании, обычно путем дистилляции.
Промышленное производство спирта из биологического сырья
· Винокуренные заводы
· Гидролизное производство
Для гидролизного производства применяется сырьё, содержащее целлюлозу – древесина, солома.
· Отходами бродильного производства являются барда и сивушные масла
Гидратация этилена
В промышленности, наряду с первым способом, используют гидратацию этилена. Гидратацию можно вести по двум схемам:
· прямая гидратация при температуре 300 °C, давлении 7 МПа, в качестве катализатора применяют ортофосфорную кислоту, нанесённую на силикагель, активированный уголь или асбест:
CH2 =CH2 + H2 O → C2 H5 OH
· гидратация через стадию промежуточного эфира серной кислоты, с последующим его гидролизом (при температуре 80—90 °С и давлении 3,5 МПа):
CH2 =CH2 + H2 SO4 → CH3 -CH2 -OSO2 OH (этилсерная кислота)
CH3 -CH2 -OSO2 OH + H2 O → C2 H5 OH + H2 SO4
Эта реакция осложняется образованием диэтилового эфира.
Очистка этанола
Этанол, полученный путём гидратации этилена или брожением, представляет собой водно-спиртовую смесь, содержащую примеси. Для его промышленного, пищевого и фармакопейного применения необходима очистка. Фракционная перегонка позволяет получить этанол с концентрацией около 95.6 % об.; эта неразделимая перегонкой азеотропная смесь содержит 4.4 % воды (вес.) и имеет температуру кипения 78.2 °C.
Перегонка освобождает этанол как от легколетучих, так и от тяжёлых фракций органических веществ (кубовый остаток).
Абсолютный спирт
Абсолютный спирт — этиловый спирт, практически не содержащий воды. Кипение при температуре 78,39 °C в то время как спирт спирт-ректификат, содержащий не менее 4,43 % воды кипит при температуре 78,15 °C. Получают перегонкой водного спирта, содержащего бензол, и другими способами.
1.3 Применение
Топливо
Этанол может использоваться как топливо (в т. ч. для ракетных двигателей, двигателей внутреннего сгорания).
Химическая промышленность
· Служит сырьём для получения многих химических веществ, таких, как ацетальдегид, диэтиловый эфир, тетраэтилсвинец, уксусная кислота, хлороформ, этилацетат, этилен и др.;
· Широко применяется как растворитель (в красочной промышленности, в производстве товаров бытовой химии и многих других областях);
· Является компонентом антифриза.
Медицина
Этиловый спирт в первую очередь используется как антисептик
· как обеззараживающее и подсушивающее средств, наружно;
· растворитель для лекарственных средств, для приготовления настоек, экстрактов из растительного сырья и др.;
· консервант настоек и экстрактов (минимальная концентрация 18 %)
Парфюмерия и косметика
Является универсальным растворителем различных душистых веществ и основным компонентом духов, одеколонов и т. п. Входит в состав разнообразных лосьонов.
Пищевая промышленность
Наряду с водой, является необходимым компонентом спиртных напитков (водка, виски, джин и др.). Также в небольших количествах содержится в ряде напитков, получаемых брожением, но не причисляемых к алкогольным (кефир, квас, кумыс, безалкогольное пиво и др.). Содержание этанола в свежем кефире ничтожно (0,12 %), но в долго стоявшем, особенно в тёплом месте, может достичь 1 %. В кумысе содержится 1−3 % этанола (в крепком до 4,5 %), в квасе — от 0,6 до 2,2 %. Растворитель для пищевых ароматизаторов. Применяется как консервант для хлебобулочных изделий, а также в кондитерской промышленности
1.4 Этилен. Физические и химические свойства
Этилен , H2C=CH2 – ненасыщенный углеводород, первый член гомологического ряда олефинов, бесцветный газ со слабым эфирным запахом; практически нерастворим в воде, плохо - в спирте, лучше - в эфире, ацетоне. Горит слабокоптящим пламенем, с воздухом образует взрывоопасные смеси. Этилен весьма реакционноспособен.
Таблица 2. Физические свойства этилена
Температура плавления |
169,5°C |
Температура кипения |
103,8°C |
Температура воспламенения |
540 °C |
Плотность |
0,570 г/см |
Химические свойства этилена и его гомологов в основном определяются наличием в их молекулах двойной связи. Для них характерны реакции присоединения, окисления и полимеризации.
1. Реакции присоединения
- Этилен и его гомологи взаимодействуют с галогенами. Так, например, они обесцвечивают бромную воду:
Н2 С=СН2 + Вr2 — СН2 Вr— СН2 Вr
1,2-дибромэтан
- Аналогично происходит присоединение водорода (гидрирование этилена и его гомологов).
- В присутствии серной или ортофосфорной кислоты и других катализаторов этилен присоединяет воду (реакция гидратации):
Этой реакцией пользуются для получения этилового спирта в промышленности.
- Этилен и его гомологи присоединяют также галогеноводороды:
Н2 С=:СН2 + НС1 →СН3 — СН2 С1
этилхлорид
Этилхлорид применяют в медицине для местной анестезии.
2. Реакции окисления.
- Этилен и его гомологи способны гореть в воздухе:
С2 Н4 + ЗО2 →2СО2 + 2Н2 О
С воздухом этилен и его газообразные гомологи образуют взрывчатые смеси.
- Этилен и его гомологи легко окисляются, например, перманганатом калия. При этом раствор последнего (в кислой среде) обесцвечивается:
КM n О4
СН2 =СН2 +[О] + Н2 О →НО—СН2 —СН2 —ОН
этиленгликоль
Этиленгликоль широко применяется для производства труднозамерзающих жидкостей — антифризов, а также синтетического волокна лавсана, взрывчатых веществ и др.
3. Реакции полимеризации.
- При повышенной температуре и давлении или в присутствии катализаторов молекулы этилена соединяются друг с другом вследствие разрыва двойной связи.
Процесс соединения многих одинаковых молекул в более крупные называется реакцией полимеризации. Полимеризацией этилена и его гомологов получают полиэтилен, полипропилен и многие другие.
1.5 Получение этилена
1) Этилен в лаборатории получают при нагревании смеси этилового спирта с концентрированной серной кислотой;
2) Углеводороды ряда этилена можно получить также дегидрированием предельных углеводородов;
3) На производстве этилен получают из природного газа и в процессе крекинга нефти;
4) Углеводороды ряда этилена можно получить при взаимодействии дигалогенопроизводных предельных углеводородов с металлам;
5) При действии спиртовых растворов щелочей на галогенопроизводные отщепляется галогеноводород и образуется углеводород с двойной связью.
1.6 Применение
Этилен используют для ускорения созревания плодов (например, помидоров, дынь, апельсинов, мандаринов, лимонов, бананов), дефолиации растений, снижения предуборочного опадения плодов, для уменьшения прочности прикрепления плодов к материнским растениям, что облегчает механизированную уборку урожая. В высоких концентрациях этилен оказывает на человека и животных наркотическое действие.
1.7 Вода
Вода́ (оксид водорода) — прозрачная жидкость, не имеющая цвета (в малом объёме) и запаха. Химическая формула: Н2 O. В твёрдом состоянии называется льдом или снегом, а в газообразном — водяным паром. 71 % поверхности Земли покрыто водой (океаны, моря, озера, реки).
Является хорошим сильнополярным растворителем. В природных условиях всегда содержит растворённые вещества (соли, газы).
Вода имеет ключевое значение в создании и поддержании жизни на Земле, в химическом строении живых организмов, в формировании климата и погоды.
Физические свойства
Вода обладает рядом необычных особенностей:
- При таянии льда его плотность увеличивается (с 0,9 до 1 г/см³). Почти у всех остальных веществ при плавлении плотность уменьшается.
- При нагревании от 0 °C до 4 °C (3,98 °C — точно) вода сжимается. Благодаря этому могут жить рыбы в замерзающих водоёмах: когда температура падает ниже 4 °C, более холодная вода, как менее плотная, остаётся на поверхности и замерзает, а подо льдом сохраняется положительная температура.
- Высокая температура и удельная теплота плавления (0 °C и 333,55 кДж/кг), температура кипения (100 °C) и удельная теплота парообразования (2250 КДж/кг), по сравнению с соединениями водорода с похожим молекулярным весом.
- Высокая теплоёмкость жидкой воды.
- Высокая вязкость.
- Высокое поверхностное натяжение.
- Отрицательный электрический потенциал поверхности воды.
Химические свойства
Вода является хорошим растворителем полярных веществ. Каждая молекула растворяемого вещества окружается молекулами воды, причём положительно заряженные участки молекулы растворяемого вещества притягивают атомы кислорода, а отрицательно заряженные — атомы водорода. Поскольку молекула воды мала по размерам, много молекул воды могут окружить каждую молекулу растворяемого вещества.
В воде практически всегда растворены те или иные соли, то есть в ней присутствуют положительные и отрицательные ионы. Благодаря этому вода проводит электричество.
Чистая (не содержащая примесей) вода — хороший изолятор.
Вода имеет показатель преломления n=1,33 в оптическом диапазоне. Однако она сильно поглощает инфракрасное излучение, и поэтому водяной пар является основным естественным парниковым газом, отвечающим более чем за 60% парникового эффекта.
Сама по себе вода относительно инертна в обычных условиях, но её сильно полярные молекулы сольватируют ионы и молекулы, образуют гидраты и кристаллогидраты.
2. Расчетная часть
2.1 Нахождение теплового эффекта реакции
Тепловым эффектом химической реакции называется теплота выделенная или поглощенная в результате протекания химической реакции и равная:
– в изобарно-изотермических условиях изменению энтальпии, если совершается только работа расширения;
– в изохорно-изотермических условиях изменению внутренней энергии, если не совершается никаких видов работ.
2.2 Расчет изменения энтропии химической реакции
Степень беспорядка, или неупорядоченности, в системе характеризуется физическим свойством, называемым энтропией . При переходе системы из более упорядоченного в менее упорядоченное состояние величина энтропии возрастает (S > 0)
2.3 Определение возможности протекания реакции
Протекание реакции в прямом направлении при стандартной температуре = 298 К невозможно, реакция протекает в обратном направлении т.к. свободная энергия Гиббса
Реакция при температуре = 500 К протекает в прямом направлении т.к. свободная энергия Гиббса
2.4 Расчет при температуре используя метод Темкина – Шварцмана
При
При
Из графика видно, что протекание реакции в прямом направлении становится возможным когда температура достигнет приблизительно 345 К.
2.5 Расчет константы равновесия
Константа равновесия характеризует глубину протекания реакции. Если >1, то содержание продуктов превышает содержание реагентов и реакция идет в прямом направлении. Если значение велико, то реагенты почти нацело превращаются в продукты реакции.
При
При
|
|
|
|
По итогам проделанной работы можно сделать следующие выводы:
- При стандартной температуре = 298К, а также и при Т = 500К, реакция протекает с поглощением теплоты и носит название эндотермической реакции т.к.
При ,
При ,
- Опираясь на полученные значения энтропии
При ,
При , видно, что:
из чего следует, что при Т = 1000К система менее упорядочена (атомы и молекулы в веществе двигаются более хаотично), чем при Т = 298К.
- Протекание реакции в прямом направлении при стандартной температуре = 298 К невозможно, реакция протекает в обратном направлении т.к. свободная энергия Гиббса
Реакция при температуре = 345 К и выше протекает в прямом направлении, что видно не только благодаря графику, но и подтверждается найденными значениями свободных энергий Гиббса:
1. Гаммет Л. «Основы физической органической химии» М.: Мир 1972г.
2. Гауптман З., Грефе Ю., Ремане Х., «Органическая химия» М.: Мир 1979г.
3. Герасимов Я.И., Древинг В.П., Еремин Е.Н., Кисилев А.В., Лебедев «Курс физической химии» т.1 М.: Химия 1973г.
4. Драго Р. «Физические методы в химии» М.: Мир 1981г.
5. Глинка Н.Л. «Общая химия»
6. Кузнецова Т.А., Воропаева Т.К. «Методические указания к выполнению курсовой работы по химии для студентов специальности – Экономика и управление на предприятиях химической промышленности»
7. Краткий справочник физико-химических величин. Под ред. А.А. Равделя и А.М. Пономаревой – СПб.: «Иван Федоров», 2003.-240с., ил.
8. Интернет источники
Величины Вещество |
|
||||
0 |
37.03 |
0.67 |
-2.85 |
0.00 |
|
H2 |
0 |
27.28 |
0.00 |
||
-92,31 |
26.53 |
4.6 |
1.09 |
0.00 |
Приложение 2
1200 |
||||
1500 |
0.3362 |