Определение термодинамической возможности протекания химических процессов в реакции H2+Cl2=2HCl

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 H2+Cl2=2HCl 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 H2+Cl2=2HCl 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.

• 1. Теоретическая часть
• 1.1 Этанол и его свойства
• 1.2 Способы получения этанола
• 1.3 Применение
• 1.4 Этилен. Физические и химические свойства
• 1.5 Получение этилена
• 1.6 Применение
• 1.7 Вода
• 2. Расчетная часть
• 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
• 3. Заключение
• 4. Список литературы
• Приложение

1. Теоретическая часть

1.1 Этанол и его свойства

Этанол — бесцветная подвижная жидкость с характерным запахом и жгучим вкусом.

Таблица 1. Физические свойства этанола

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:

C₆H₁₂O₆ > 2C₂H₅OH + 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 + H₂O > C₂H₅OH

гидратация через стадию промежуточного эфира серной кислоты, с последующим его гидролизом (при температуре 80—90 °С и давлении 3,5 МПа):

CH₂=CH₂ + H₂SO₄ > CH₃-CH₂-OSO₂OH (этилсерная кислота)

CH₃-CH₂-OSO₂OH + H₂O > C₂H₅OH + H₂SO₄

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

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:

Н₂С=СН₂ + Вr₂ — СН₂Вr— СН₂Вr

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:

Н₂С=:СН₂ + НС1 >СН₃— СН₂С1

этилхлорид

Этилхлорид применяют в медицине для местной анестезии.

2. Реакции окисления.

§ Этилен и его гомологи способны гореть в воздухе:

С₂Н₄ + ЗО₂ >2СО₂ + 2Н₂О

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:

КMnО₄

СН₂=СН₂ +[О] + Н₂О >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

Водам (оксид водорода) — прозрачная жидкость, не имеющая цвета (в малом объёме) и запаха. Химическая формула: Н₂O. 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:

ь При таянии льда его плотность увеличивается (с 0,9 до 1 г/смі). Почти у всех остальных веществ при плавлении плотность уменьшается.

ь 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.

ь 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.

ь Высокая теплоёмкость жидкой воды.

ь Высокая вязкость.

ь Высокое поверхностное натяжение.

ь 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

Заключение

По итогам проделанной работы можно сделать следующие выводы:

ь При стандартной температуре = 298К, а также и при Т = 500К, реакция протекает с поглощением теплоты и носит название эндотермической реакции т.к.

При ,

При ,

ь 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.

ь 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:

4. Список литературы

1. Гаммет Л. «Основы физической органической химии» М.: Мир 1972 г.

2. Гауптман З., Грефе Ю., Ремане Х., «Органическая химия» М.: Мир 1979 г.

3. Герасимов Я. И., Древинг В. П., Еремин Е. Н., Кисилев А. В., Лебедев «Курс физической химии» т.1 М.: Химия 1973 г.

4. Драго Р. «Физические методы в химии» М.: Мир 1981 г.

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

Приложение 1

Приложение 2