Лабораторный практикум по физической химии (стр. 14 )

Из уравнения 5.1.1 видно, что между lnKp и обратной абсолютной температурой существует прямая пропорциональная зависимость. Если экспериментальные данные представить в координатах lnKp – 1/T (см. рис.5.1), то угловой коэффициент прямой tga = - DH/R определяется тепловым эффектом химической реакции. Для экзотермической реакции (DH<0) получается прямая 1, а для эндотермической (DH>0) – прямая 2.

Рис.5.1 Зависимость lnKp от обратной температуры реакции.

Если химическая реакция протекает при постоянном объеме, то количественная зависимость константы химической реакции (Кс) от температуры выражается уравнением изохоры химической реакции:

5.1.2

Цель работы: по температурной зависимости константы равновесия реакции термического разложения МgСОз определить ее тепловой эффект.

Описание установки

1 - форвакуумный насос

2 - электрический щиток

3-7 - вакуумные краны

8 - ампула с Мg СО3

9 - электрическая печь

10 - трансформатор

11 - масляный манометр

12 - термопарная лампа

13 - вакуумметр

Порядок выполнения работы

1.  Закрыть кран 3 ,тем самым соединить насос с установкой и включить форвакуумный насос.

2.  Через 5 минут после включения насоса открыть краны 4 и 7 (краны 5 и 6 должны быть открыты).

3.  Включите вакуумметр и откачайте установку до давления не менее 4x10 –2 мм..рт. ст.

4.  Проверьте герметичность установки. Для этого закройте кран 4 и подождите 3~ 5 минут. Установка герметична, если вакуум не ухудшается (давление по вакуумметру не возрастает). Если герметичности нет, пригласите лаборанта или преподавателя и устраните течь.

5.  Если установка герметична и вакуум не менее 4x10–2 мм..рт. ст. закройте кран 6 и отключите вакуумметр.

6.  Установите печь так, чтобы ампула с МgСОз с прикреплённой термопарой находились в центре и не касались стенок.

7.  Включите нагрев печи, установив на трансформаторе напряжение для получения температуры 200 - 3000С, терморегулятор на предельную температуру 2000 С.

8.  После достижения температуры 2000 С в течении 15 минут наблюдайте колебания температуры и определите среднюю температуру. Одновременно по масляному манометру делайте отчёты давления.

9.  Запишите в таблицу среднюю температуру и давление СО2 в мм. масл. ст.

10.  Установите на терморегуляторе температуру 2100 С и проведите опыт при 2100 С, как указано в п.8 и 9, а затем проведите следующие опыты при подъёме температуры на 100 С до 3000 С.

11.  После опыта при 3000 С проведите опыты с понижением температуры по 200 С до 2000 С.

12.  После окончания опытов, отключите нагрев печи, установив напряжение 0 на трансформаторе, закройте кран 7 и откройте кран 6 и 4. Откачайте установку в течении 5 минут.

13.  Закройте кран 4, отключите насос немедленно и откройте кран 3.

14.  По результатам эксперимента постройте график зависимости lnP от 1/T.

15.  Из графика определите тангенс угла наклона прямой к оси абсцисс, из формулы (5.1.1) рассчитайте тепловой эффект реакции термического разложения МgСОз и сравните результат со значением, рассчитанным по DHобр. для 298К, взятым из справочника. Вывод запишите в тетрадь.

Таблица результатов измерений

t, C	T, K	1/T	Dh=P	lnP	t, C	T, K	1/T	Dh=P	lnP
1,..n

Контрольные вопросы

Перед выполнением работы

1.  Какая реакция происходит при нагревании МgCО3?

2.  Запишите выражение для константы равновесия (Кр) этой реакции.

3.  Запишите уравнение изобары химической реакции.

4.  Расскажите порядок включения и выключения вакуумной установки и порядок проведения опыта.

5.  В какой момент производится измерение давления СO2?

6.  Как рассчитать тепловой эффект реакции из справочных и из полученных Вами экспериментальных данных?

К защите работ.

1.  Почему в выражение Кр реакции разложения МgСОз не входят парциальные давления или концентрации твердых компонентов?

2.  Имеет ли константа равновесия размерность?

3.  От каких параметров зависит константа равновесия?

4.  Какой тепловой эффект - истинный или средний - рассчитывается по линейной зависимости 1пКp от 1/ Т? Как определить экзотермическая или эндотермическая реакция, используя построенный график зависимости?

5.  Напишите уравнения изотермы и изобары химической реакции, указанной преподавателем.

6.  Что называется химическим сродством? Что называется стандартной свободной энергией реакции? Запишите соответствующие формулы.

Работа 5.2. Расчет температурной зависимости СТЕПЕНИ равновесного превращения по термодинамическим потенциалам образования компонентов реакции.

В общем виде уравнение химической реакции может быть записано следующим образом:

5.2.1

где Bi – формулы веществ, участвующие в реакции, ni – стехиометрические коэффициенты (ni< 0 для исходных веществ, ni > 0 для продуктов реакции). Уравнение 5.2.1 не описывает механизма протекания реакции, а отражает лишь ее материальный баланс, поэтому выбор исходных веществ и продуктов реакции часто условен.

В качестве характеристики глубины и направления протекания химической реакции часто используют величину, называемую химической переменной c, которую определяют следующим образом:

( i = 1,…., m), 5.2.2

где n i - текущие количества молей реагентов, n0i – исходные количества молей реагентов в системе.

При совпадении записи стехиометрического уравнения (5.2.1) с реальной или принципиально возможной в данных условиях реакцией значение химической переменной положительно и равно изменению количества молей реагента с единичным стехиометрическим числом. Если в системе протекает реакция в обратном направлении относительно записи стехиометрического уравнения (5.2.1), то значение химической переменной будет отрицательным. Случай, когда c = 0 означает отсутствие изменений состава реакционной системы (равновесие). Реальные химические процессы обычно проводят при постоянстве температуры и общего давления. В этом случае условием равновесия закрытой системы является минимум ее изобарно-изотермического потенциала G. Если в такой системе протекает одна химическая реакция, то изобарно - изотермический потенциал может быть представлен как функция одного аргумента – химической переменной G = G(c). Следовательно, необходимое условие минимума G можно записать в виде:

5.2 3

которое для идеальных газов преобразуется в равенство:

5.2.4

где pi – парциальное давление газа i при равновесии, miо – стандартное значение химического потенциала газообразного компонента. Если ввести обозначение

5.2.5

Величину Кр называют константой равновесия химической реакции, а выражение (5.2.5) – законом действующих масс. В соответствии с (5.2.5) очевидно, что для данной химической реакции константа равновесия зависит только от температуры, так как стандартные химические потенциалы mi0 – являются функциями одной переменной – температуры. Наличие индекса р у константы Кр отражает тот факт, что эта величина выражена через парциальные давления и в качестве стандартного состояния каждого компонента выбрано состояние идеального газа при давлении, равном 1атм. Известно, что стандартный химический потенциал mi0 равен мольному значению изобарно-изотермического потенциала Gi0 индивидуального газа в идеальном состоянии при стандартных условиях, т. е. при . С учетом этого равенства можно записать:

=DG0 5.2.6

где правая часть уравнения – изменение изобарно-изотермического потенциала системы в ходе реакции.

Дифференциальная величина DG0 представляет собой изменение свободной энергии Гиббса бесконечно большой системы при стехиометрическом (Δχ=1) превращении веществ, если исходные вещества и конечные продукты взяты в стандартном состоянии (Pi=1 атм.)

В практических расчетах принимается (аналогично расчётам теплот реакции по DH образования веществ), что величины Gi0 совпадают с изменениями свободных энергий DGi0 при образовании 1 моля данных реагентов из простых веществ. Таким образом, выражение для реакции можно представить в виде:

5.2.7

и, следовательно, константу равновесия (5.2.5) можно выразить через DG0 реакции:

или 5.2.8

C другой стороны, константу Kp можно представить в соответствии с законом действующих масс в виде функции химической переменной c. Для этого следует в приближении идеальных газов выразить парциальные давления реагентов рi в реакционной смеси через их мольные доли хi :