1. hsc chemistry қолданбалар пакеті туралы жалпы ақпарат
Термодинамикалық есептеулер
жүктеу/скачать 8,77 Mb.
|
анализаторлар
| Термодинамикалық есептеулер
Реакция теңдеуінің модулі Модуль жеке заттың термодинамикалық функцияларын (молярлық жылу сыйымдылығы, энтальпия, энтропия, Гиббс энергиясы) есептеуге немесе оларды өзгертуге арналған. химиялық реакция кезіндегі термодинамикалық функциялар. Жеке затты сипаттайтын термодинамикалық функцияларды есептеу үшін базада сақталған энтальпия H298, энтропия S298 және полиномдық коэффициенттер A, B, C, D стандартты мәндері пайдаланылады, оларға сәйкес молярлық жылу мәні анықталады, сыйымдылық еркін берілген температурада T (1) өрнекпен сәйкес есептеледі. Т температурадағы жеке заттың энтальпиясы әр түрлі болады стандарттан ауытқу, 298 К-ге тең, формула бойынша есептеледі. мұндағы H298 стандартты жағдайларда берілген заттың энтальпиялық мәні; Cp – молярлық жылу сыйымдылығы; SNf – фазалық ауысулардың энтальпиясы (полиморфты түрлендірулер, балқу, булану). Энтропияның мәні келесідей анықталады. мұндағы S298 стандартты жағдайларда берілген заттың энтропиялық мәні (полиморфты түрлендірулер, балқу, булану). Берілген зат үшін Гиббс энергиясы формула бойынша есептеледі Ерікті температурада заттың термодинамикалық сипаттамаларын есептеудің негізгі қиындығы (1) және (2) өрнектеріндегі интегралдар түріндегі температуралық түзетулерді есептеу болып табылады. Есептеу процедураларын компьютерді қолданбай жеңілдету үшін бұрын шамамен есептеу әдістері қолданылған, мысалы, Темкин-Шварцман әдісі. Дегенмен, бұл жағдайда да есептеу өте ұзақ жүйелі есептеулер тізбегі болды және әдебиеттерден алынған анықтамалық деректерге сілтеме жасау қажет болды. Термодинамикалық функцияларды есептеу алгоритмі белгілі және кез келген заттар үшін бірдей болғандықтан, оның негізінде Reaction Equations бағдарламалық модулі құрылды. Заттың термодинамикалық сипаттамаларын анықтайық, мысалы, фаялит 2FeO·SiO2. Ол үшін буманың негізгі мәзіріне кіріп, сол жерде қолжетімді Reaction Equations батырмасын басайық. Реакция теңдеуі немесе Химиялық формула деп аталатын заттың формуласын немесе химиялық реакция теңдеуін енгізу өрісі бар терезе ашылады (Cурет 10). Сурет. 10. Заттардың термодинамикалық сипаттамаларын есептеуге арналған енгізу терезесі Бұл терезенің өрісінде HSC Chemistry пакетінде қабылданған формулаларды жазу ережелеріне сәйкес фаялиттің химиялық формуласын көрсетеміз. Атап айтқанда, формулаларды бумада жазу кезінде төменгі және үстіңгі таңбаларды қолдануға болмайды, барлық символдар жолға жазылуы керек. Формула саннан басталуы мүмкін емес, бұл жағдайда ол жұлдызшадан (*) басталуы керек. Иондардың заряды +2а (қос зарядталған катион) немесе –2а (қос зарядталған анион) деп белгіленеді. Заттың формуласын жазудағы таңбалардың жалпы саны 24-тен аспауы керек. Әртүрлі заттардың формулаларын жазудың нұсқалары төменде келтірілген. Кіріс жолындағы әдеттегі химиялық белгілер және сәйкес формула келесідей: Әрі қарай, сіз заттың термодинамикалық сипаттамалары есептелетін температура диапазонын және осы диапазондағы температураның өзгеру қадамын көрсетуіңіз керек. Температураны Кельвин немесе Цельсий бойынша көрсетуге болады. Температура бірлігін таңдау үшін қосқышты (нүкте) Температура бірліктері (температура бірліктері) панелінің сәйкес орнына қойыңыз. Мольге арналған джоульдегі есептеу нәтижесін алу үшін келесі Энергия бірліктері панелінде Джоуль - Джоульге қарсы белгішені қойыңыз. Егер (әдепкі бойынша) ауыстырып-қосқыш Қалыпты жағдайда болса, қаптама заттардың термодинамикалық функцияларын олардың жай заттардан, әйтпесе (Delta) элементтерден түзілуін ескере отырып есептейді. Оң жақ панельде құсбелгіні қою келесі әрекеттерге әкеледі: Colltect to Sheet – бірнеше заттар бойынша ретімен орындалған есептеулердің нәтижелері ортақ кестеге біріктіріліп, басып шығаруға болады; Өтулерді көрсету - полиморфты түрлендірулер және агрегация (балқу, қайнау) күйіндегі өзгерістер болған кезде көрсетілген қадаммен орындалатын термодинамикалық функциялардың кестесі автоматты түрде сәйкес түрлендіру температураларындағы есептеулермен толықтырылады, қосымша нәтижелер нәтижелер жолының кестесі; Criss-Cobble (Criss-Cobble бойынша экстраполяция) - егер есептеудегі жоғарғы температура шегі қызығушылық затына арналған дерекқорда молярлық жылу сыйымдылығын есептеу үшін қолданылатын коэффициенттер бойынша эмпирикалық деректер бар шекті температурадан асып кетсе, экстраполяция Criss-Cobble әдісі бойынша пакет нәтижелер кестесінде сәйкес хабарламаны шығарады. Мысалы, CuFeS2 үшін деректер базасында 1200 К жоғары температуралар туралы ақпарат жоқ және штейнге арналған шикізатты 1673–1723 К-ге дейін жетуі мүмкін пеште балқыту шарттарына есептеу жүргізу қажет. Есептеу орындалады, нәтижелер кестесінде 1200 К экстраполяцияланған сызық пайда болады Термодинамикалық функцияларды есептеу үшін Есептеу түймесін басыңыз. Есептеу нәтижесі терезеде Нәтиже (Нәтиже) кесте түрінде көрсетіледі, оның бағандары температураның, молярлық жылу сыйымдылығының, энтальпияның, энтропияның және Гиббс энергиясының мәндерін көрсетеді. Есептеу нәтижелерін сақтау үшін Сақтау түймешігін пайдаланыңыз, оны басу арқылы нәтижелерді файлға оның атын көрсеткеннен кейін сақтауға болады. «Көшіру» батырмасының көмегімен бұрын таңдалған кестені немесе оның бір бөлігін алмасу буферіне көшіруге болады, оның көмегімен деректерді Microsoft Excel сияқты Windows-тың басқа қолданбаларына әрі қарай өңдеу, сызу және т.б. үшін беруге болады. Химиялық реакция кезінде термодинамикалық функциялардың өзгеруін есептеу өзекті және жиі кездесетін мәселе болып табылады, оның шешімі бірқатар практикалық маңызды сұрақтарға жауап беруге мүмкіндік береді. Гиббс энергиясының өзгеру белгісі белгілі бір бағытта өздігінен жүретін реакцияның мүмкіндігін бағалауға мүмкіндік береді. Энтальпия өзгерісінің мәні реакцияның жылу эффектісіне сан жағынан тең және таңбасына қарама-қарсы, берілген реакцияның экзотермиялық немесе эндотермиялық екенін, энергияны бөлетінін немесе оны қоршаған ортадан сіңіретінін хабарлайды. Тепе-теңдік константасының мәні реакция жүретін жүйенің берілген бастапқы құрамы үшін тепе-теңдік құрамын анықтауға мүмкіндік береді. Зерттелетін химиялық реакция үшін онда бастапқы A, B заттары және C, D өнімдері a, b, c, d стехиометриялық коэффициенттеріне сәйкес мөлшерде қатысады, бағдарлама DHT энтальпиясының, DST энтропиясының өзгеруін және өзгеру шамасын есептейді. Гиббс энергиясының DGT келесі теңдеулерді қолдана отырып: мұндағы si - стехиометриялық коэффициенттер. Берілген химиялық реакция үшін тепе-теңдік константасының мәні, әрекеттесетін заттардың белсенділік өнімдерінің қатынасына тең, стехиометриялық коэффициенттерге тең дәрежеде, Гиббс энергиясының өзгеруімен байланысты мұндағы R – әмбебап газ тұрақтысы, 8,31 Дж/(моль К) тең; T - температура. Бағдарлама дерекқордағы химиялық реакцияға қатысатын заттардың әрқайсысы үшін анықтамалық деректерді іздейді: энтальпия мен энтропияның стандартты мәндері, молярлық жылу сыйымдылығын есептеу үшін полиномдық коэффициенттер. Осы шамаларды пайдалана отырып, заттардың энтальпиясы мен энтропиясын есептеп, берілген температурадағы Гиббс энергиясын анықтайды. Әрі қарай, жоғарыда келтірілген формулаларға сәйкес бағдарлама термодинамикалық функцияларды есептейді. Берілген химиялық реакция үшін Гиббс энергиясының DG өзгерісінің теріс мәні оның тура бағытта жүзеге асу мүмкіндігін білдіреді, DG оң мәнімен реакция мүмкін емес. Реакцияның жылу эффектісі мәні бойынша тең және таңбасы бойынша DH энтальпиясының өзгеруіне қарама-қарсы, DH > 0 кезінде реакция эндотермиялық, жылуды жұтумен жүреді. DH < 0 кезінде реакция жылу бөлінуімен бірге экзотермиялық болады. Химиялық реакциядағы термодинамикалық функциялардың өзгеруін есептеу үшін буманың негізгі мәзіріндегі Реакция теңдеулері түймесін басыңыз. Бұл «Реакция теңдеуі» немесе «Химиялық формула» деп аталатын реакция теңдеуін енгізуге арналған өрісті қамтитын атаумен терезені ашады (10-суретті қараңыз). HSC пакетінде қабылданған формулаларды жазу ережелерін қолдана отырып, химиялық реакция теңдеуін жазу керек. Мысалы, келесі химиялық реакция үшін жазылуы керек Стехиометриялық коэффициенттердің мәндерін көрсету міндетті емес: оларды дұрыс орналастыру үшін «Баланс теңдеу» түймесін басу жеткілікті, заттар үшін коэффициенттер автоматты түрде есептеледі. Әрі қарай келесі енгізу өрісінде Температура (Температура) бастапқы, соңғы температураны және оның қандай бірліктерде (Цельсий градусы немесе Кельвин) орнатылатынын алдын ала көрсеткен қадамды көрсетеміз. Соңғысы сәйкесінше Цельсий немесе Кельвинге қарсы нүкте белгішесін орнатуды талап етеді, әдепкі бойынша пакет Цельсий градустарын ұсынады. Реакция теңдеуін жазғанда бастапқы заттар мен өнімдердің күйіне (қатты, сұйық немесе газ) назар аудару керек. Газ тәрізді реакция өнімдері міндетті түрде көрсетуді қажет етеді, мысалы, SO2(g). Peep Database түймешігін пайдаланып, алдымен реакцияға қатысатын заттардың дерекқорда екеніне көз жеткізуге болады. Әрі қарай «Есептеу» түймесін басу арқылы біз жаңа терезені аламыз, онда кесте түрінде берілген температура диапазонында белгіленген қадаммен ΔH, ΔS, ΔG мәндері кестеленген, сонымен қатар тепе-теңдік константасы және оның логарифмі (он бірінші сурет). Сурет. 11. Реакция үшін термодинамикалық функцияларды есептеу нәтижелері Суретте көрсетілгендей. 11, Гиббс энергиясының өзгеруі 1200 °C-қа дейін оң және 1300 °C-та теріс болады. Бұл зерттелетін реакция 1300 ° C жоғары температурада термодинамикалық мүмкін екенін білдіреді. Егер реакцияның басталу температурасын көрсету қажет болса, онда алдыңғы терезеге оралу, температура диапазонының шекараларын өзгерту, температура қадамын азайту және қайта есептеу қажет. ΔH мәні барлық температура диапазонында оң және ең жоғары температурада шамамен 668 кДж жетеді. Демек, реакция жылуды сіңірумен жүреді, яғни ол эндотермиялық. Терезенің төменгі бөлігінде бағдарлама реакцияға қатысатын барлық заттардың молярлық массасын, олардың мольдерінің санын және граммен заттардың массасын көрсетеді. Заттардың тығыздығы туралы мәліметтерді пайдалана отырып, бағдарлама реагенттердің көлемдерін де есептейді. Соңғысы реакцияның газ тәріздес қатысушыларына қатысты, бұл жағдайда SO2. Бұл мөлшерлердің белгіленуі «Бірліктер» жолағында Калория немесе Джоуль ретінде алдын ала орнатылуы керек. Егер реакция теңдеуін енгізу кезінде бағдарлама формулаларды жазуда қателерді тапса, ол дерекқорда анау-мынау зат табылмады («...Дерекқордан табылмады. Термохимиялық деректерді есептеу мүмкін емес» деген хабарлама шығады. ”) және есептеуді орындау мүмкін емес. Бұл жағдайда формулаларды жазуда қателердің бар-жоғын тексеру керек. Сирек жағдайларда деректер базасында осы реакцияға қатысатын зат туралы ақпарат болмайды. Бізге қажетті зат эквивалентті формуламен дерекқорда жазылады, мысалы, ZnO·SiO2 және ZnSiO3 бұл мағынада бірдей. Заттың формуласын эквивалентімен ауыстыра отырып, химиялық реакцияның жазбасын өзгерту керек. Тәжірибеде бұл қателік, әдетте, қатысатын заттардың газ күйі көрсетілмегендіктен, оларды O2(g), SO2(g) орнына O2, SO2 және т.б деп жазуға байланысты пайда болады. Кейде стехиометриялық коэффициенттерді табу әрекеті Singular матрица, шешілмейді! Бұл стехиометриялық коэффициенттерді есептеу әрекеті сәтсіз аяқталды дегенді білдіреді. Бұл жағдайда реакция жазбасында барлығының дұрыстығын тексеріп, содан кейін белгілі ережелерге сәйкес стехиометриялық коэффициенттерді қолмен есептеу керек. Электрондармен жазылған тотығу-тотықсыздану реакциялары үшін Реакция теңдеулері модулі стандартты тотығу-тотықсыздану потенциалының мәнін есептейді. Мысалы, мырыштың электротұндырылуы кезінде анодтағы судың ыдырау реакциясын былай жазуға болады: Оның термодинамикалық сипаттамаларын есептеу нәтижелері 12 сурет. Сурет. 12. Электрондардың қатысуымен жазылған реакцияның термодинамикалық сипаттамаларын есептеу нәтижелері Нәтижелер кестесінен 20 °C температурада судың стандартты ыдырау потенциалы, атап айтқанда, –1,234 В тең және температура жоғарылаған сайын оң мәндерге қарай өзгеретіні шығады. Катодта Zn алу реакциясы үшін бірдей жағдайларда потенциал –0,764 В. жүктеу/скачать 8,77 Mb. Достарыңызбен бөлісу:
|