Расчет химической реакции, проводимой в газовой фазе и в которой вступает 3 моля веществ, а образуется 1 моль

Махошвили М.  ХТ-03-2

                                                                       Домашнее задание №2

Для химической реакции, проводимой в газовой фазе в стандартных условиях:

С₃Н₆ + СО₂ + Н₂  → С₂Н₅СООСН₃

1. Используя справочную литературу, определить lgK_f в интервале 300-600 К с шагом 100.

T,K	lgKfобр
	С3Н6	СО2	Н2	С4Н8О2
300	-10,966	68,666	0	56,882
350	-10,571	60,101	0	47,176
400	-10,175	51,535	0	37,47
500	-9,814	41,255	0	25,675
600	-9,638	34,4	0	17,733

2. Вычислить составы равновесной смеси при температуре 350 и давлениях 1, 20, 60, 80 атм.

а) Для  p =1 атм

                             С₃Н₆       +          СО₂          +           Н₂       →       С₄Н₈О₂

lgKp(350)	-10,571	60,101	0,000	47,176
Tкр	365	304,2	33,3	523,3
Ркр	45,6	72,9	12,8	37,8
Zкр	0,27	0,27	0,29	0,25
N	0,333	0,333	0,333	0,001

При низких давлениях (1 атм) систему можно считать идеальной. γ = 1

= 1

lgK_γ=0

LgK_N=LgK_f -LgK_Y + 2*LgP = LgK_N

 LgK_N = -2,354

А + B + C = D

Зная константу равновесия, определяем х и находим состав равновесной смеси, х находим методом интерполяции, из таблиц. 

Так как такой реакции нет в таблицах, а есть только обратная, то lgK берем с противоположным знаком, х определяем, отнимая от 1 число, получающееся в левой колонке.

x	lgKn
0,0001	-3,056
0,002	-2,354
0,005	-1,343

х=0,002

;   ;  

б) Для  p = 20 атм

                             С₃Н₆       +          СО₂          +           Н₂       →       С₄Н₈О₂

lgKp(350)	-10,571	60,101	0,000	47,176
Tкр	365	304,2	33,3	523,3
Ркр	45,6	72,9	12,8	37,8
Zкр	0,27	0,27	0,29	0,25
π	0,44	0,27	0,96	0,53
τ	0,96	1,15	8,47	0,67
γ	0,79	0,956	1	0,062
N	0,193	0,193	0,193	0,421

Для С₃Н₆

π = p/p_кр = 20/45,6=0,44.

τ = 350/365 = 0,96.

По таблицам методом двойной интерполяции находим γ

	0,9	0,96	1
0,4	0,62	0,775	0,879
0,44		γ=0,79
0,5	0,759	0,811	0,846

Для СО₂

π = 20/72,9 = 0,27

τ=350/304,2=1,15

Методом двойной интерполяции находим γ

	1,1	1,15	1,2
0,2	0,967	0,971	0,974
0,27		γ=0,956
0,3	0,942	0,950	0,958

Для  Н₂

π = р/(р_кр+8) = 20/(12,8+8) = 0,96

τ = Т/(Ткр+8) = 350/(33,3+8) =8,47

По таблице γ=1

Для С₄Н₈О₂

π = 20/37,8 = 0,53

τ=350/523,3=0,67

	0,6	0,67	0,7
0,5	0,0155	0,066	0,087
0,53		γ=0,062
0,6	0,0126	0,055	0,073

= 0,082

lgK_γ= -1,086

LgK_N=LgK_f -LgK_Y + 2*LgP

 LgK_N = -2,354 + 1,086 + 2,602 = 1,334               

Интерполяцией находим х

x	lgKn
0,6	1,2552
х=0,686	1,334
0,7	1,822

;   

б) при давлении p=60 атм     

                          С₃Н₆       +          СО₂          +           Н₂       →       С₄Н₈О₂

lgKp(350)	-10,571	60,101	0,000	47,176
Tкр	365	304,2	33,3	523,3
Ркр	45,6	72,9	12,8	37,8
Zкр	0,27	0,27	0,29	0,25
π	1,32	0,82	2,88	1,59
τ	0,96	1,15	8,47	0,67
γ	0,466	0,842	1	0,04
N	0,151	0,151	0,151	0,547

Для С₃Н₆

По таблицам методом двойной интерполяции находим γ

	0,9	0,96	1
1,2	0,351	0,487	0,578
1,27		γ=0,466
1,3	0,329	0,457	0,543

Для СО₂

Методом двойной интерполяции находим γ

	1,1	1,15	1,2
0,8	0,82	0,846	0,872
0,82		γ=0,842
0,9	0,796	0,826	0,855

Для  С₄Н₈О₂

	0,6	0,67	0,7
1,5	0,009	0,040	0,053
1,59		γ=0,040
1,6	0,009	0,040	0,053

lgK_γ= -0,992

LgK_N=LgK_f -LgK_Y + 2*LgP

 LgK_N = -2,354 + 0,992 + 3,556 = 2,194               

Интерполяцией находим х

x	lgKn
0,7	1,822
х=0,779	2,194
0,8	2,2923

; 

г) При давлении p=80 атм      

                          С₃Н₆       +          СО₂          +           Н₂       →       С₄Н₈О₂

lgKp(350)	-10,571	60,101	0,000	47,176
Tкр	365	304,2	33,3	523,3
Ркр	45,6	72,9	12,8	37,8
Zкр	0,27	0,27	0,29	0,25
π	1,75	1,10	3,85	2,12
τ	0,96	1,15	8,47	0,67
γ	0,365	0,786	1,001	0,033
N	0,136	0,136	0,136	0,592

Для С₃Н₆

По таблицам методом двойной интерполяции находим γ

	0,9	0,96	1
1,7	0,266	0,373	0,444
1,75		γ=0,365
1,8	0,255	0,358	0,426

Для СО₂

Методом интерполяции находим γ

	1,1	1,15	1,2
1,1	0,75	γ=0,786	0,821

Для  С₄Н₈О₂

	0,6	0,67	0,7
2	0,008	0,033	0,044
2,12		γ=0,033
2,2	0,008	0,033	0,044

lgK_γ= -0,94

LgK_N=LgK_f -LgK_Y + 2*LgP

 LgK_N = -2,354 + 0,94 + 3,556 = 2,392                 

Интерполяцией находим х

x	lgKn
0,8	2,2923
х=0,813	2,401
0,9	3,1126

; 

Получили

p, атм	N (С3Н6)	N (Н2)	N (СО2)	N (С4Н8О2)
1	0,333	0,333	0,333	0,001
20	0,193	0,193	0,193	0,421
60	0,153	0,153	0,153	0,540
80	0,136	0,136	0,136	0,592

3. Вычислить тепловой эффект данной реакции при Т=350 К и давлении 80 атм.

                              С₃Н₆       +          СО₂          +           Н₂       →       С₄Н₈О₂

∆H обр,ккал	4,31	-94,06	0	-138,325
τ	0,96	1,15	8,47	0,67
π	1,75	1,10	3,85	2,12
Zкр	0,27	0,27	0,29	0,25
Tкр	365	304,2	33,3	523,3
(H0-H)/Tкр	1,027	2,405	0,013	12,822
(H0-H), кал	374,9	731,6	0,4	6709,8

(H⁰-H)/Tкр определяется по таблицам, в зависимости от τ, π, Z_кр.

Для С₃Н₆

	0,9	0,96	1
1,7	10,24	9,178	8,47
1,75		9,206
1,8	10,26	9,234	8,55

=9,206

Для СО₂

	1,1	1,15	1,2
1,1	2,79	2,405	2,02

=2,405

Для Н₂

	8	8,47	10
3,5	0,01	0,008	0
3,85		0,013
4	0,02	0,015	0

 =0,013

Для С₄Н₈О₂

	0,6	0,67	0,7
2	13,72	12,859	12,49
2,12		12,837
2,2	13,69	12,822	12,45

=12,837

 (H⁰-H) =                                        

∆(H₀-H) = 6709,8 – 0,4 – 731,6 – 374,9 = 5602,9 кал     

∆H₃₅₀⁰ = -138,325 + 94,06 – 4,31 = - 48,575 ккал

∆H₃₅₀⁸⁰ =∆H₃₅₀⁰ - ∆(H₀-H) = - 48,575 – 5,603 = - 54,18 ккал  

4. Анализ полученных результатов.

Согласно принципу Ле-Шателье равновесие реакции при повышении давления смещается в сторону уменьшения объёма. В реакции С₃Н₆ + СО₂ + Н₂→ С₄Н₈О₂ вступает 3 моль веществ, образуется 1 моль. При повышении давления равновесие должно смещаться в сторону прямой реакции, в сторону образования

продукта. Это видно на диаграмме – мольная доля исходных веществ уменьшается, продукта растет.

При проведение реакции при повышенном давлении изменяется тепловой эффект. Так при 80 атм тепл. эффект увеличивается на 5,6 ккал по сравнению с реакцией, проводимой в стандартных условиях.