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:    _______________                         Плеханов С.К.

                                  ^{(подпись  студента)}

  Группа:                                   Х-390501

  Дата  сдачи:          
 
 

Екатеринбург

2011

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  22

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

Литература 26 

 

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.  Закрытая гетерогенная система с химическими превращениями при постоянных Т и V с однородными фазами:

{α} = {1 - Т, 2 - Г};

{k(α)} = {1 – C (Т), 2 – H₂O (Г), 3 – CO₂ (Г), 4 – CO (Г), 5 – H₂ (Г)} => K=5;

{s’} = {1’ – С’, 2’ – Н’, 3’ – О’, 4’ – e’} => S’=4

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

T = 900 K; V = 0,040 м³;

V = V^(Т) + V^(Г), V^(T) – Var, но V^(Г)-const, т.к. V^(T)<< V^(Г) и V = V^(Г).

{n^(α)_k,o} = {0,40; 0,15; 0,15; 0,15; 0,15} моль

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

Вид компонента k	(298),	(298),	(298),	,
				,	,	,
С (Т)	0	5,74	8,54	16,86	4,77	-8,54
H2O (Г)	-241810	188,72	33,61	30	10,71	0,33
CO2 (Г)	-393510	213,66	37,11	44,14	9,04	-8,54
CO (Г)	-110530	197,55	29,14	28,41	4,1	-0,46
Н2(Г)	0	130,52	28,83	27,28	3,26	0,5

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
		С (Т)	H2O(Г)	CO2 (Г)	CO (Г)	Н2(Г)
		1	0	1	1	0
		0	2	0	0	2
		0	1	2	1	0
		6	10	22	14	2

 

Определение 

 = rg = 3

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 3 => выбор верен

г) Составление подсистемы из независимых :

  = ;

2. Построение  одного из возможных базисов реакций  химического превращения

2.2.1Определение 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

2.2.1.3Выбор 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.

2.2.1.4Определение 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,..,)

 
 

                           подстановка 1-го базисного решения для 

                      

                                           

             =

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

=

в) Составление матрицы :

  =

2.2.1.5Получение 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:

    

     

         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.