Газовое равновесие

ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗАНЯТИЕ №8

Газовое равновесие

Общая цель: Вам необходимо овладеть учебной программой данного занятия и научиться применять учебный материал в своей будущей профессии.

Сделайте записи в рабочей тетради по плану:

·  дата;

·  номер занятия;

·  тема занятия;

·  цель занятия;

·  основные вопросы темы.

Учебные вопросы занятия:

1.  Выполнение лабораторной работы №4.

2.  Расчет химического равновесия в газовой системе.

Ваши действия при подготовке к занятию и отработке программы занятия:

При подготовке к данному занятию повторите тему Химическое равновесие (Термодинамика химического равновесия). Это очень важно, так как этот материал является базовой основой для получения новых знаний и на нем строится программа занятия.

При отработке 1-го учебного вопроса обратите внимание на: методику выполнения лабораторной работы №4.

При отработке 2-го учебного вопроса обратите внимание на: примеры расчетов химических равновесий в газовых системах (энтропийный метод и статистический метод).

Рекомендуемая литература:

Основная

1.  Беляев, и коллоидная химия [Текст] : учеб. для студ. вузов / , ; под ред. . - 2-е изд., перераб. и доп. - М. : ГЭОТАР-Медиа, 2012. – 752 с.  (15 экз.)

2.  Беляев, и коллоидная химия [Электронный ресурс] : учеб. для студ. вузов / , ; под ред. . - 2-е изд., перераб. и доп. - М. : ГЭОТАР-Медиа, 2012. – 752 с.  – Режим доступа: http://www. studentlibrary. ru/book/ISBN9785970422069.html

3.  Беляев и коллоидная химия [Электронный ресурс] : учебник / , ; под ред. . - 2-е изд., перераб. и доп. - М. : ГЭОТАР-Медиа, 2014. - 752 с. – Режим доступа: http://www. studentlibrary. ru/book/ISBN9785970427668.html

4.  Ершов, химия. Физическая химия дисперсных систем [Текст] : учеб. / . - М. : ГЭОТАР-Медиа, 2012. - 352 с. (25 экз.)

Дополнительная

1.  Физическая и коллоидная химия [Электронный ресурс]: учебник / , , и др. ; под ред. . М. : ГЭОТАР-Медиа, 2010. - 704 с.: ил. – Режим доступа: http://www. studentlibrary. ru/book/ISBN9785970414415.html

2.  Физическая и коллоидная химия. Руководство к практическим занятиям [Электронный ресурс]: учебное пособие / под ред. 2012. - 320 с.: ил. – Режим доступа: http://www. studentlibrary. ru/book/ISBN9785970422076.html

3.  Физическая и коллоидная химия. Задачник [Электронный ресурс]: учеб. пособие для вузов / , , ; под ред. . - М. : ГЭОТАР-Медиа, 2014. - 288 с. : ил. – Режим доступа: http://www. studentlibrary. ru/book/ISBN9785970428443.html

Лабораторная работа №4

ИЗУЧЕНИЕ ВЛИЯНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ

НА ХИМИЧЕСКОЕ РАВНОВЕСИЕ В ГАЗОВЫХ СИСТЕМАХ

Цель работы: Экспериментальная проверка принципа смещения химического равновесия Ле-Шателье-Брауна при изменении температуры на примере химической реакции:

N2O4(Г) ↔ 2NO2(Г)

Оборудование. Материалы

1.  Лабораторная установка для изучения химического равновесия N2O4(Г) ↔ 2NO2(Г) (2 запаянные ампулы с оксидами азота).

2.  Два химических стакана емкостью 2.

3.  Экран из белой бумаги.

4.  Лед.

5.  Горячая вода (~70°С).

6.  Датчики измерения температуры с интервалом (–30 – I00°С).

Методика выполнения работы

1. Расположить установку с двумя запаянными ампулами (с оксидами азота) на фоне белого экрана. Ампулы с окрашенным газом должны быть размещены в правом и левом стаканах емкостью 2.

2. Заполнить оба стакана на 2/3 водой комнатной температуры.

3. Измерить температуру в правом и левом (рис. 1) стаканах измерительным термометром. Результаты измерения занести в таблицу 1.

4. Зафиксировать окраску газа в левой и правой ампулах и занести в таблицу 1.

5. После фиксации окраски и температуры добавить в стаканы с водой:

– в правый стакан горячую воду до достижения температуры воды в стакане 50°С. (рисунок)

– в левый стакан измельченный лед до установления темпратуры равной 00С. После этого в стакан со льдом небольшими порциями дообавляют сухой хлорид аммония NH4Cl и тщательно перемешивают. Таким образом, стараются охладить систему до максимально низкой температуры (примерно до –60С); (рис. 1)

6. Измерить температуру воды в левом и правом стаканах; результаты измерения занести в таблицу 1.

7. Оставить установку на 30 минут до достижения равновесия, постоянно контролируя и поддерживая неизменной температуру в левом стакане добавлением льда; в правом – добавлением горячей воды.

Рис. 1 – Схема экспериментальной установки

8. Через 30 минут зафиксировать окраску газа в левой и правой ампулах; занести в таблицу 1.

Таблица 1 - Результаты эксперимента

Ампула с оксидами азота	Окраска газа	Температура, К
До установления равновесия	После установления равновесия	До установления равновесия	После установления равновесия
Левая
Правая

Обработка экспериментальных данных

1. Рассчитать стандартный тепловой эффект исследуемой химической реакции с использованием справочных значений стандартных теплот образования участников реакции по перовому следствию из закона Гесса:

(1)

2. Рассчитать стандартное изменение энтропии исследуемой химической реакции с использованием справочных значений стандартных энтропий образования участников реакции:

(2)

3. Рассчитать стандартный изобарный изотермический потенциал химической реакции с использованием справочных значений стандартных свободных энергий образования Гиббса участников реакции:

(3)

4. Рассчитать тепловой эффект исследуемой и изменение энтропии химической реакции при температуре T1 (в левом стакане) и Т2 (в правом стакане) с учетом теплоемкости.

4.1 Необходимо найти зависимость изменения теплоемкости в ходе реакции от температуры по уравнению:

(4)

где – эмпирические коэффициенты, взятые по справочным данным для каждого участника реакции.

4.2 Тепловой эффект исследуемой рассчитывается по уравнению:

(5)

4.3 Тепловой эффект исследуемой рассчитывается по уравнению:

(6)

5. Рассчитать изменение свободной энергии Гиббса при температурах T1 (в левом стакане) и Т2 (в правом стакане) с использованием уравнения Гиббса:

(7)

По знаку и абсолютной величине сделать вывод о смещении равновесия исследуемой химической реакции при изменении температуры от T1 до Т2.

6. Рассчитать термодинамическую константу химического равновесия исследуемой реакции Кр, используя краткое уравнение изотермы:

(8)

7. Рассчитать константу равновесия Кр1 и Кр2 при температурах T1 (левый стакан) и Т2 (правый стакан) по уравнению изобары:

(9)

8. Построить графическую зависимость константы равновесия
данной химической реакции от температуры, т. е. Кр= f(T).

9. Рассчитать степень диссоциации a(N2O4) при трех значениях температуры: Т0, Т1, Т2 при давлении газа в ампуле Робщ = 1.013·105 Па.

9.1 Для расчета степени диссоциации воспользоваться уравнением реакции и решим следующую задачу:

Пояснения	n(N2O4)	n(NO2)
До начала диссоциации в реакционном объеме находился 1 моль N2O4, а так как в начальный момент он не разложился, NO2 не образовался:	1 моль	–
Пусть часть вещества N2O4 продиссоциировала обозначим ее как α, тогда по уравнению реакции NO2 образовалось 2α:	α	2α
При наступлении равновесия в реакционном объеме находилось следующее количество веществ:	1–α	2α
Суммарное количество веществ в реакционном объеме при равновесии:	n(сум)=1–α+2α=1+ α

9.2 Для участников реакции рассчитать мольную долю, которая выражается как отношение количества вещества данного реагента к общему количеству вещества участников реакции:

(10)

(11)

9.3 Записать выражение константы равновесия реакции через парциальные давления участников реакции:

(12)

9.4 Выразить парциальные давления участников реакции через мольные доли реагентов по закону Рауля:

(13)

(14)

9.5 Записать выражение константы равновесия реакции через мольные доли участников реакции:

(15)

Таблица 2 - Результаты термодинамического расчета

Параметр	Значение
	Т1	Т2
Кр при различной температуре	КрТ0
КрТ1
КрТ2
a(N2O4)	aT0 (N2O4)
aТ1 (N2O4)
aT2 (N2O4)

9.6 В выражение 15 подставить значение общего давления (Робщ = 1.013·105 Па) и константы равновесия при разных температурах и рассчитать значение степени диссоциации.

10. Построить графическую зависимость степени диссоциации α(N2O4) от температуры.

11. Для правильной работы необходимы следующие данные:

Параметр	NO2(Г)	N2O4(Г)
•10–3, Дж/моль	34.19	11.11
, Дж/моль К	240.06	304.35
•10–3, Дж/моль	52.29	99.68
a	41.16	83.89
b•103	11.33	39.75
c’•10–5	-7.02	-14.9