Wojskowa Akademia Techniczna
Przyczyny i mechanizmy powstawania szkód
Laboratorium obliczeniowe Nr 3
Temat: Określanie efektu energetycznego przemiany struktury chemicznej substancji
Prowadzący:
dr hab. inż. Andrzej Papliński
Wykonał:
Grupa:
Wstęp:
Stan standardowy pierwiastków - jest to postać atomu lub cząsteczki w jakiej znajduje się w stanie standardowym, czyli w temperaturze 273,15 K i ciśnieniu 101,315 kPa.
Entalpia tworzenia Hf0 danego związku chemicznego jest to przyrost (ubytek) entalpii jednego mola związku chemicznego wskutek reakcji, w wyniku której powstaje on z pierwiastków, z których się składa w stanie przyjętym w termodynamice za standardowy.
Ciepło tworzenia - jest wielkością wprowadzoną by usunąć niedogodności w porównywaniu wartości ciepła reakcji chemicznej, które zależy od temperatury i w bardzo nieznacznym stopniu od ciśnienia. Różne związki chemiczne posiadają swoją unikalną wartość ciepła tworzenia.
Entalpia tworzenia a ciepło tworzenia
Ciepło tworzenia oraz entalpia tworzenia mają ze sobą ścisłe powiązanie, te dwie wielkości wiąże poniższy wzór:
fH = −(Qtw+W)
Możemy go przekształcić tak aby można było obliczyć z niego ciepło tworzenia:
Qtw = −(fH+W)
Wzajemne przeliczenie ciepła tworzenia i entalpii tworzenia jest wybranym przypadkiem powiązania wykonania pracy przez układ ze zmianą jego objętości i energii wewnętrznej.
Stałe materiałowe:
p0 = 0,101325 MPa
T0 = 298,15 K
R = 8,31447 $\frac{J}{mol \bullet K}$
ρc = 2,25 $\frac{g}{\text{cm}^{3}}$
Obliczenia:
Substancja N2O4
$$Q^{\text{tw}}(298,15K) = - 16,07\frac{\text{kJ}}{\text{mol}}$$
Zmiana objętości układu w czasie powstawania N2O3 wynosi:
$V = \ V_{N_{2}O_{4}}^{\text{mol}} - \left\lbrack V_{N_{2}}^{\text{mol}} + \frac{4}{2}V_{O_{2}}^{\text{mol}} \right\rbrack$
Przyjmujemy, że gazy N2O4, N2 i O2 są doskonałe:
$$V_{N_{2}O_{4}}^{\text{mol}} = V_{N_{2}}^{\text{mol}} = V_{O_{2}}^{\text{mol}} = V_{\text{gaz\ id}}^{\text{mol}} = \frac{R \bullet T^{0}}{\rho^{0}} = \frac{8,31447\ \frac{J}{mol \bullet K} \bullet 298,15\ K}{0,101325\ MPa} = = \frac{8,31447\ \frac{N \bullet m}{mol \bullet K} \bullet 298,15\ K}{0,101325 \bullet 10^{6}\ \frac{N}{m^{2}}} = 0,024465\ \frac{m^{3}}{\text{mol}}$$
Otrzymujemy zatem:
$V = \ V_{\text{gaz}\ \text{id}}^{\text{mol}} - \left\lbrack V_{\text{gaz}\ \text{id}}^{\text{mol}} + \frac{4}{2}V_{\text{gaz}\ \text{id}}^{\text{mol}} \right\rbrack\ = \ 0,024465\ \frac{m^{3}}{\text{mol}} - \left\lbrack 0,024465\ \frac{m^{3}}{\text{mol}} + \frac{4}{2} \bullet 0,024465\ \frac{m^{3}}{\text{mol}} \right\rbrack = -$0,302726348$\frac{m^{3}}{\text{mol}}$
Określanie wielkości energii, jaką układ wymienia z otoczeniem w czasie przemiany:
$W = - \rho^{0} \bullet V = - 0,101325 \bullet 10^{6}Pa \bullet \left( - 0,04893\ \frac{m^{3}}{\text{mol}} \right) = \ $30,67374716$\frac{\text{kJ}}{\text{mol}}$
Entalpia i ciepło tworzenia z zależność:
fH = −(Qtw+W)
Z zależności wynika, że dla N2O4 otrzymamy:
$_{f}H_{\ N_{2}O_{4}}\left( 298,15K \right) = - \ \left( - 16,07\ \frac{\text{kJ}}{\text{mol}} + 30,67374716\frac{\text{kJ}}{\text{mol}} \right) =$-14,603747$\frac{\text{kJ}}{\text{mol}}$
Substancja H2O2
$$Q^{\text{tw}}(298,15K) = 133,401\frac{\text{kJ}}{\text{mol}}$$
Zmiana objętości układu w czasie powstawania H2O2 wynosi:
V = VH2mol − VO2mol
Przyjmujemy, że gazy O2 i H2 są doskonałe:
$$V_{H2O2}^{\text{mol}} = V_{H_{2}}^{\text{mol}} = V_{O_{2}}^{\text{mol}} = V_{\text{gaz\ id}}^{\text{mol}} = \frac{R \bullet T^{0}}{\rho^{0}} = \frac{8,31447\ \frac{J}{mol \bullet K} \bullet 298,15\ K}{0,101325\ MPa} = = \frac{8,31447\ \frac{N \bullet m}{mol \bullet K} \bullet 298,15\ K}{0,101325 \bullet 10^{6}\ \frac{N}{m^{2}}} = 0,024465\ \frac{m^{3}}{\text{mol}}$$
Otrzymujemy zatem:
$V = \ V_{\text{gaz}\ \text{id}}^{\text{mol}} - V_{\text{gaz}\ \text{id}}^{\text{mol}}\ = \ 0,024465\ \frac{m^{3}}{\text{mol}} - 0,024465\ \frac{m^{3}}{\text{mol}} =$0,090122$\frac{m^{3}}{\text{mol}}$
Określanie wielkości energii, jaką układ wymienia z otoczeniem w czasie przemiany:
$W = - \rho^{0} \bullet V = - 0,101325 \bullet 10^{6}Pa \bullet \left( 0,0134160\ \frac{m^{3}}{\text{mol}} \right) =$-9,131664$\frac{\text{kJ}}{\text{mol}}$
Entalpia i ciepło tworzenia z zależność:
fH = −(Qtw+W)
Z zależności wynika, że dla H otrzymamy:
$$_{f}H_{\text{\ H}}\left( 298,15K \right) = - \ \left( 133,401\ \frac{\text{kJ}}{\text{mol}} + \left( - 176,18562\frac{\text{kJ}}{\text{mol}} \right) \right) = 142,5326649\frac{\text{kJ}}{\text{mol}}$$
Substancja HCO
$$Q^{\text{tw}}(298,15K) = - 42,001\frac{\text{kJ}}{\text{mol}}$$
Zmiana objętości układu w czasie powstawania CH2 wynosi:
V = VHCOmol − [VC(s)mol+VH2mol+VO2mol]
Przyjmujemy, że gazy O2 i H2 są doskonałe:
$$V_{\text{HCO}}^{\text{mol}} = V_{H_{2}}^{\text{mol}} = V_{O_{2}}^{\text{mol}} = V_{\text{gaz\ id}}^{\text{mol}} = \frac{R \bullet T^{0}}{\rho^{0}} = \frac{8,31447\ \frac{J}{mol \bullet K} \bullet 298,15\ K}{0,101325\ MPa} = = \frac{8,31447\ \frac{N \bullet m}{mol \bullet K} \bullet 298,15\ K}{0,101325 \bullet 10^{6}\ \frac{N}{m^{2}}} = 0,024465\ \frac{m^{3}}{\text{mol}}$$
$$V_{C(s)}^{\text{mol}} = \frac{12,011\frac{g}{\text{mol}}}{2,25\frac{g}{\text{cm}^{3}}} = 5,34 \bullet 10^{- 6}\frac{m^{3}}{\text{mol}}$$
Otrzymujemy zatem:
$V = \ V_{\text{gaz\ id}}^{\text{mol}} - \left\lbrack V_{C\left( s \right)}^{\text{mol}} + V_{\text{gaz\ id}}^{\text{mol}} \right\rbrack\ = \ 0,024465\ \frac{m^{3}}{\text{mol}} - \left\lbrack 5,34 \bullet 10^{- 6}\frac{m^{3}}{\text{mol}} + 0,024465\ \frac{m^{3}}{\text{mol}} \right\rbrack = - 5,34 \bullet 10^{- 6}\ \frac{m^{3}}{\text{mol}}$
Określanie wielkości energii, jaką układ wymienia z otoczeniem w czasie przemiany:
$$W = - \rho^{0} \bullet V = - 0,101325 \bullet 10^{6}Pa \bullet \left( - 5,34 \bullet 10^{- 6}\ \frac{m^{3}}{\text{mol}} \right) = \ 0,000540895\frac{\text{kJ}}{\text{mol}}$$
Entalpia i ciepło tworzenia z zależność:
fH = −(Qtw+W)
Z zależności wynika, że dla CH2 otrzymamy:
$$_{f}H_{\ \text{CH}_{2}}\left( 298,15K \right) = - \ \left( - 42,001\frac{\text{kJ}}{\text{mol}} + \ 0,000540895\frac{\text{kJ}}{\text{mol}} \right) = 42,000459105\frac{\text{kJ}}{\text{mol}}$$
Substancja CH3OH(c)
$$_{f}H_{CH_{3}\text{OH}\left( c \right)}\left( 298,15K \right) = - 238,53\frac{\text{kJ}}{\text{mol}}$$
Zmiana objętości układu w czasie powstawania C7H16(c) wynosi:
V = VCH3OH(c)mol − [VCO(s)mol+2 • VH2mol]
Przyjmujemy, że H2 jest gazem doskonałym:
$$V_{H_{2}}^{\text{mol}} = V_{\text{gaz\ id}}^{\text{mol}} = \frac{R \bullet T^{0}}{\rho^{0}} = \frac{8,31447\ \frac{J}{mol \bullet K} \bullet 298,15\ K}{0,101325\ MPa} = = \frac{8,31447\ \frac{N \bullet m}{mol \bullet K} \bullet 298,15\ K}{0,101325 \bullet 10^{6}\ \frac{N}{m^{2}}} = 0,024465\ \frac{m^{3}}{\text{mol}}$$
$$V_{CH_{3}OH(c)}^{\text{mol}} = \frac{0,003205\frac{\text{kg}}{\text{mol}}}{786,6\frac{\text{kg}}{m^{3}}} = 4,07449783 \bullet 10^{- 6}\frac{m^{3}}{\text{mol}}$$
$$V_{CO(s)}^{\text{mol}} = \frac{12,011\frac{g}{\text{mol}}}{2,25\frac{g}{\text{cm}^{3}}} = 5,34 \bullet 10^{- 6}\frac{m^{3}}{\text{mol}}$$
Otrzymujemy zatem:
$V = \ V_{CH_{3}\text{OH}(c)}^{\text{mol}} - \left\lbrack V_{\text{CO}\left( s \right)}^{\text{mol}} + {2 \bullet V}_{H_{2}}^{\text{mol}} \right\rbrack = \ 4,07449783 \bullet 10^{- 6}\ \frac{m^{3}}{\text{mol}} - \left\lbrack 5,34 \bullet 10^{- 6}\frac{m^{3}}{\text{mol}} + 2 \bullet 0,024465\ \frac{m^{3}}{\text{mol}} \right\rbrack = -$0,048929588$\ \frac{m^{3}}{\text{mol}}$
Określanie wielkości energii, jaką układ wymienia z otoczeniem w czasie przemiany:
$W = - \rho^{0} \bullet V = - 0,101325 \bullet 10^{6}Pa \bullet \left( - 0,048929588\text{\ \ }\frac{m^{3}}{\text{mol}} \right) = \ $4,957790459$\frac{\text{kJ}}{\text{mol}}$
Entalpia i ciepło tworzenia z zależność:
Qtw = −(fH+W)
Z zależności wynika, że dla C7H16(c) otrzymamy:
$$Q_{CH_{3}OH(c)}^{\text{tw}}\left( 298,15K \right) = - \ \left( - 238,53\frac{\text{kJ}}{\text{mol}} + \ 4,957790459\frac{\text{kJ}}{\text{mol}} \right) = 233,572209541\frac{\text{kJ}}{\text{mol}}$$
Wnioski:
Różnica pomiędzy wartościami entalpii tworzenia i ciepłem tworzenia dla substancji chemicznych w postaci gazów i cieczy jest zbliżona i mieści się w granicach 20$\frac{\text{kJ}}{\text{mol}}$