Главная | Обратная связь | Поможем написать вашу работу!

Тема 1. Расчет тепловых эффектов физических и химических превращений

Задача №22

Два вещества (А и В) не образуют твердых растворов, но в расплавленном состоянии смешиваются друг с другом в любых соотношениях. Постройте диаграмму фазового состояния (диаграмму плавкости) двухкомпонентной системы (А - В), зная температуру начала кристаллизации системы (табл. 21, состав задан по веществу А, мольн.%).

1. Обозначьте точками: I – жидкий плав, содержащий а % вещества А при температуре T₁; II – плав, содержащий а % вещества А, находящийся в равновесии с кристаллами химического соединения; III – систему, состоящую из твердого вещества А в равновесии с расплавом, содержащим б % вещества А; IV – равновесие трех фаз (табл. 22).

2. Определите составы химических соединений.

3. Определите качественные и количественные составы эвтектик.

4. Определите число фаз и число термодинамических степеней свободы системы при эвтектической температуре и содержании компонента А 95%.

5. При какой температуре начнет отвердевать расплав, содержащий в % вещества А? При какой температуре он отвердеет полностью? Каков состав первых выпавших кристаллов?

6. Вычислите теплоты плавления веществ А и В.

Таблица 21

Вариант	Система	Состав А, мольн.%	T, К начала кристаллизации

	A – KCl B – SnCl₂	52,5

	A – KJ B – CdJ₂

Продолжение таблицы 21


	A – KCl B – MnCl₂
	A – SrBr₂ B – LiBr	66,6

Продолжение таблицы 21


	A – MgSO₄ B – Cs₂SO₄
	A – RbCl B – SrCl₂

Продолжение таблицы 21


A – KCl B – PbCl₂	33,5
A – CsCl B – SrCl₂		875,8 876,8

Продолжение таблицы 21


	A – KCl B – CaCl₂	75,5 77,5 89,5
	A – FeCl₃ B – TlCl

Продолжение таблицы 21


	A – CuCl₂ B – CsCl	66,6
	A – CdCl₂ B – TlCl	36,5 57,5 67,5

Продолжение таблицы 21


	A – SrBr₂ B – LiBr	66,6
	A – InCl₃ B – NaCl	13,3 22,2 35,8 37,6 50,6 61,6 66,8 74,6 80,6 81,6 84,8
	A – MgCl₂ B – TlCl	33,3 66,6

Продолжение таблицы 21


	A – SrBr₂ B – KBr	33,3 66,7
	A – NiF₂ B – KF	4,9 9,2 13,4 15,2 18,4 21,8 23,8 30,3 37,9 46,7 50,5

Продолжение таблицы 21


	A – KJ B – KF
	A – PbCl₂ B – TlCl	15,5 36,5 66,6

Продолжение таблицы 21


	A – MgSO₄ B – K₂SO₄	63,9 66,8 75,3 82,2
	A – MnCl₂ B – RbCl

Продолжение таблицы 21


A – LiNO₃ B – Pb(NO₃)₂	32,5	535,5 449,5 457,6 519,5
A – MnCl₂ B – RbCl	17,5 22,7 23,7 25,9 30,4 33,1 35,5 36,2 37,5 43,8 58,1 68,3 78,7

Продолжение таблицы 21


A – Li₂SO₄ B – Cs₂SO₄	18,5
A – HgBr₂ B – HgJ₂		528,4 509,2 500,8 494,1 490,3 489,3 489,1 489,6 490,8 495,2 501,9 509,5

Продолжение таблицы 21


	A – Mg B – Cu
	A – Si B –Cr

Продолжение таблицы 21


	A – Mg B –Ca
	A – KBr B – AgBr
	A – LiCl B – KCl

Таблица 22

Вариант	Т_1, К	а, мол. %	б, мол. %	в, мол. %

















			–










			–
			–

Решение:

Проанализируем диаграмму «температура–состав» для бинарной системы Li₂CO₃ – K₂CO₃ (табл. 23).

Построим диаграмму плавкости (рис. 5) – зависимость температуры кристаллизации от состава системы. Соединим точки на диаграмме линией (линия С G E₁XC E₂ D). Это – линия ликвидуса. Точка максимума на ней (точка ХС) отвечает образованию устойчивого химического соединения. Точки минимума E₁ и E₂ – эвтектические точки. Эвтектикой называется смесь двух веществ, кристаллизующаяся при единой температуре.

Сделаем дополнительные построения: опустим перпендикуляр из точки ХС, проведем две горизонтальные линии через точки E₁ и E₂. Горизонтальные линии МE₁ и E₂N – линии солидуса.

Таблица 23

Система	Состав А, молярн.%	T, К начала кристаллизации
A – Li₂CO₃ B – K₂CO₃	39,5 44,2 54,5 66,6 83,5

Линии делят диаграмму на ряд областей. Выше линии ликвидуса любая смесь находится в жидком (расплавленном) состоянии. Ниже линии солидуса система находится в твердом состоянии и представляет из себя смесь кристаллов двух видов. В левой части диаграммы это смесь кристаллов вещества В (K₂CO₃) и кристаллов химического соединения. В правой части диаграммы - смесь кристаллов вещества А (Li₂CO₃) и кристаллов химического соединения. В заштрихованных областях в равновесии находятся жидкая и кристаллическая фазы.

Рисунок 5 – Диаграмма плавкости для системы Li₂CO₃ – K₂CO₃

1. Обозначим точками:

I – жидкий плав, содержащий при температуре T₁ = 923К 40% Li₂CO₃. Для этого найдем на оси абсцисс точку, соответствующую составу 40% Li₂CO₃ – это точка К. На оси ординат отмечаем температуру T₁ = 923К. На пересечении линий получаем точку I, которая расположена в области выше линии ликвидуса, т.е. в области жидкого расплава;

II – плав, содержащий 40% Li₂CO₃, находящийся в равновесии с кристаллами химического соединения. Аналогичным образом найдем на оси абсцисс точку, соответствующую составу 40% Li₂CO₃ – это точка К. Восстановим перпендикуляр до пересечения с линией ликвидуса и получим точку II;

III – систему, состоящую из твердого Li₂CO₃ в равновесии с расплавом, содержащим 75% Li₂CO₃. Для этого найдем на оси абсцисс точку, соответствующую составу 75% Li₂CO₃ – это точка L. Восстановим перпендикуляр до пересечения с линией ликвидуса и получим точку III. На ветви ликвидуса DE₂ в твердую фазу переходит компонент системы Li₂CO₃; расплав при этом обогащается компонентом K₂CO₃.

IV – равновесие трех фаз. Равновесие трех фаз имеет место в точках эвтектики E₁ и E₂.

2. Определим составы химических соединений.

На представленной диаграмме одно химическое соединение (ХС), характеризующееся составом 50% компонента Li₂CO₃и 50% компонента K₂CO_3.

3. Определим качественные и количественные составы эвтектик.

Качественный состав: твердые эвтектики состоят из кристаллов K₂CO₃ и кристаллов химического соединения (E1) и из кристаллов Li₂CO₃ и кристаллов химического соединения (E₂).

Количественный состав:

Е₁ – 33% Li₂CO₃ и 67% K₂CO_3.

Е₂ – 62% Li₂CO₃ и 38% K₂CO_3.

4. Определим по уравнению (68) число фаз и число термодинамических степеней свободы С системы при эвтектической температуре и 95% содержании компонента Li₂CO₃. При Т = 765 К (точка N) система трехфазна (Ф = 3) – в равновесии находятся две твердых фазы (кристаллы химического соединения и кристаллы K₂CO₃) и жидкий расплав; число компонентов К = 2, число внешних факторов n = 1, т.к. (p = const).Число степеней свободы

С_усл = 2 – 3 + 1 = 0.

Система безвариантна – в этой точке нельзя менять ни один параметр (температура, состав), не нарушив равновесия.

5. При какой температуре начнет отвердевать расплав, содержащий 10% Li₂CO₃? При какой температуре он отвердеет полностью? Каков состав первых выпавших кристаллов?

Для ответа на эти вопросы найдем на оси абсцисс точку, соответствующую составу 10% Li₂CO₃ – это точка F. Восстановим перпендикуляр до пересечения с линией ликвидуса в точке G, т.к. точки, лежащие на линии ликвидуса отвечают температуре начала кристаллизации. Для анализируемого состава получим температуру начала кристаллизации T = 1050 К. По линии GF осуществляется охлаждение расплава, содержащего 10% Li₂CO₃ до достижения линии солидуса в точке M. Расплав отвердеет полностью при эвтектической температуре T = 730 К. В процессе кристаллизации в твердую фазу переходит тот компонент, которого в системе больше (по сравнению с эвтектической точкой), на основании этого состав первых выпавших кристаллов – 100 % K₂CO₃.

6. Вычислим теплоты плавления веществ Li₂CO₃ и K₂CO₃.

Зависимость температуры кристаллизации расплава от состава расплава выражается уравнением Шредера:

, (69)

где N – мольная доля вещества в смеси;

– мольная теплота плавления чистого вещества;

– температура плавления чистого вещества;

T – температура начала кристаллизации расплава с мольной долей N.

Рассчитаем теплоту плавления вещества Li₂CO₃.

Для расчета возьмем сплав, содержащий 90% Li₂CO₃. Мольная доля Li₂CO₃ в системе = 0,9. Температура начала кристаллизации системы, содержащей 90% Li₂CO₃ T = 935 К. По диаграмме T _пл (Li₂CO₃) = 983 К (точка D).

По уравнению Шредера вычислим теплоту плавления вещества Li₂CO₃:

Теплота плавления Li₂CO₃ составила 16,8 кДж/моль.

Аналогичным образом рассчитаем теплоту плавления вещества K₂CO₃. Для расчета возьмем сплав, содержащий 90% K₂CO₃. Мольная доля K₂CO₃ в системе = 0,9. Температура начала кристаллизации системы, содержащей 90% K₂CO₃ T = 1050 К (см. пункт 5). По диаграмме T _пл (K₂CO₃) = 1133 К (точка C).

По уравнению Шредера вычислим теплоту плавления вещества K₂CO₃:

Теплота плавления K₂CO₃ составила 11,1 кДж/моль.

Контрольные вопросы

Тема 1. Расчет тепловых эффектов физических и химических превращений

1. Сформулируйте и объясните I закон термодинамики.

2. Поясните физический смысл величин, входящих в I закон термодинамики.

3. В чем заключается отличие теплоты и работы?

4. В чем отличие теплоты и работы от внутренней энергии?

5. Сформулируйте закон Гесса и его следствия. Для каких физико-химических процессов он применяется?

6. Дайте определение теплового эффекта химической реакции. Какие виды тепловых эффектов вы знаете?

7. Что такое внутренняя энергия, каковы ее общие свойства?

8. Сформулируйте понятие энтальпии реакции. Охарактеризуйте ее свойства.

9. Как связаны между собой энтальпия и внутренняя энергия?

10. Что такое стандартный тепловой эффект?

11. Дайте определение теплоты образования и теплоты сгорания.

12. Какие методы расчета тепловых эффектов при стандартных условиях вы знаете?

13. Как найти тепловой эффект реакции при стандартных условиях с помощью теплот образования и сгорания?

14. В чем заключается метод расчета тепловых эффектов при стандартных условиях по термохимическим уравнениям и схемам?

15. Как произвести расчет теплового эффекта реакции по энергиям химических связей?

Воспользуйтесь поиском по сайту: