proiect ch-fiz

8/3/2019 proiect ch-fiz

1/26

UNIVERSITATEA TRANSILVANIA BRASOV

FACULTATEA: DESIGN DE PRODUS SI MEDIU

PROIECT CHIMIE- FIZICA

MACSIM ANDREEA- DIANA

SECTIA:INGINERIA VALORIFICARII DESEURILOR

GRUPA: 17701

2011-2012

1


2/26

Cuprins

I.Notiuni introductive................................................................................................................................3-date necesare studiului termodinamic....................................................................7

II.Transformarea temperaturii de topire si de firbere in toateScarile termodinamice ........7

III.Entalpia1.Calcul in conditii standard ..........................................................................82.Aprecieri asupra stabilitatii compusilor obtinuti in comparatie cu alti compusisimilari....................................................................................................................93.Determinarea dependentei entalpiei de reactie in functie de temparatura...........10

4.Particularizarea si trasarea grafica a dependentei entalpiei la 450K, 650K,si 950K pentru un mol de substanta principala respectiv 10kg desubstanta principala ...............................................................................................11

IV.Entropia1.Calcul in conditii standard......................................................................142. Aprecieri calitative asupra variaiei entropiei de reacie n condiii standard....143.Determinarea dependentei entropiei de reactie in functie de temparatura..........154. Particularizarea si trasarea grafica a dependentei entalpiei la 450K, 650K,si 950K pentru un mol de substanta principala respectiv 10kg desubstanta principala ......................................................................................15

V.Energia libera Gibbs1.Calculul in conditii standard....162.Aprecieri asupra spontenaitatii procesului sistemului izolat/neizolat. 163. Particularizarea si trasarea grafica a energiei libera Gibbs la 450K, 650K,si 950K pentu un mol de substanta principala respectiv 10kg desubstanta principala................................................................................................17

VI.Afinitatea-calculul afinitatii in conditii standard......................................................................20

1. Particularizarea si trasarea grafica a afinitatii la 450K, 650K si 950Kpentru un mol de substanta principala respectiv 10kg desubstanta principala .............................21

VII.Concluzii ..............................................................22VIII.Bibliografie............................................................................................23

2


3/26

SnO2+SiSn+SiO2

I.Introducere

Chimia-fizic este o stiin, compoziia studiat la grania dintrechimie, fizic, i matematic i care se ocup cu aplicarea legiilor fizicii, lastudiul sistemului i transformrile fizico-chimice, fiind o generalizare atuturor cunotinelor acumulate cantitativ n chimii preparative (chimia

organic, chimia anorganic, i chimia molecular).Lucrarea de fa pune accent pe ramura de chimie-fizic legat determodinamica chimic.

Termodinamica chimic este o ramur a chimiei fizice ce se ocup custudiul energetic al sistemului i a transformrilor fizico-chimice, stabiletecondiiile de spontaneitate ale acestor transformri i caracterizeazechilibrul chimic putnd determina condiiile n care o transformare decurgecu randament maxim.

Staniul

Generalitti:Staniul sau Cositorul este un element

chimic din grupa a-IV-a principal a tabeluluiperiodic de elemente.Acesta se simbolizeaz Sni se gsete sub form de metal,aparinnd

blocului de elemente p.Face parte din metalele neferoase mai

scumpe, deoarece minereul sau principal( oxidul de staniu) se gsete n

concentraii foarte mici. Pentru extracia 200g de minereu, e necesarexploatarea unei tone de pmnt. Staniul a fost prima dat aliat cu cuprul,obinndu-se bronzul.

Proprietai fizice:- este un metal alb cu strlucire argintie, frecat ntre degete las un

miros neplcut.

3


4/26

- dintre toate metalele de uz comun Sn are cea mai joas temperaturde topire.

Proprieti chimice:

numr de oxidare (oxid) -4,2 caracter bazic/acid amfoter electronegativitate 1,96 (Pauling-Skala)

Utilizri:

Aparinnd grupei metalelor, cositorul are o temperatur de topiresczut, motiv pentru care este folosit n industria electrotehnic n aliaje de

lipire a altor elemente metalice. Staniul este foarte maleabil, putnd fi uorlaminat n foi subiri (staniol). Se ntrebuineaz la protejarea altor metale(de ex.: fierul, tabla alb) contra coroziunii; de asemenea, n multe aliaje:

bronz, "metal de lipit" etc.

Oxigenul

Generalitti:

Oxigenul este un element chimic din tabelul periodic avnd simbolulO i numrul atomic 8. Este un gaz.Oxigenul (O2) reprezint 21% din

aer i este un element esenial pentrusupravieuirea tuturor vietuioarelor de

pe Pmnt. Exist totui bacterii care pottri fr prezena oxigenului (deexemplu, bacteriile sulfuroase).

Oxigenul este cel mai rspnditelement de pe planet, gsindu-se att n stare liber ct i sub form de

compui. n stare liber, oxigenul se afl fie sub form molecular n aer(21%), fie sub form de ozon (O3) n straturile superioare ale atmosferei.Oxigenul intr n compoziia unui numr mare de compui, att n substaneorganice (grsimi, proteine, zaharuri, alcooli) ct i n substane anorganice(apa, oxizi, silicai, carbonai, azotai, fosfai, sulfai etc.)

4


5/26

Proprietai fizice:

Oxigenul este un gaz incolor, inodor, insipid i puin solubil n ap.Este de 1,1 ori mai greu decat aerul. Acesta se lichefiaza foarte greu la otemperatura de -183 C.

Proprieti chimice:

Toate reaciile cu oxigenul poart numele de arderi:Reacia cu nemetale: S + O2 SO2Reacia cu unele metaleO2 + 2Mg 2MgO2Cu + O2 2CuO3Fe + 2O2 Fe3O42Ca + O2 2CaO4Al + 3O2 2Al2O3Reacia cu unele substane compuse: CH4 + 2O2 CO2 + 2H2O

Utilizri:

Oxigenul ntreine viaa i arderea. Se utilizeaz n medicin, aparatautonom de respirat sub ap n circuit nchis pentru scafandri de lupt,albirea esturilor, sudur, tierea metalelor, sinteza acizilor, motoare,obinerea experimentelor. Oxigenul prezinta cei mai multi atomi.

Siliciul

Generalitti:

Siliciul este un element chimic din grupa a IV-a a tabelului periodic alelementelor.

Siliciul a fost prima dat identificat de JonsBerzelius n anul 1823.

5


6/26


7/26

produselor ceramice i a cimentului, iar dioxidul de siliciu n fabricareasticlei.

Date necesare studiului termodinamic:

SnO2+SiSn+SiO2

SnO2 - dioxid de staniu;

Si - siliciu;

Sn staniu;

SiO2 dioxid de siliciu.

Tabel 1.Date termodinamice necesare studiului:

H entalpia de formare in conditii standard;S entropia de formare in conditii standard;a,b,c- capacitate calorice;

II. Transformarea temperaturii de topire si de fierbere in toate scariletermodinamice.

T(K)=T(C)+273,15

Substanta HKcal/mol

Scal/mol*k

aCal/mol*k

bCal/mol*k

cCal/mol*k

T(K)

Sn (solid) 1.69 12.3 4.42 6.30 - 505.1Sn (lichid) 55 22 7.30 - - 2473

O2 (gaz) - 49.003 8.27 0.285 - -Si (solid) 11.5 4.50 5.70 1.02 - 1683Si(lichid) 71 - 7.4 - - 2750SiO2(solid

-alfa)0.15 10.6 11.22 8.20 - 856

SiO2(lichid-beta)

2.04 - 14.41 1.97 - 1883

SnO2(solid) 11.39 12.5 17.66 2.40 - 1898SnO2(lichid) 75 12.5 3200

7


8/26

T(F)=9/5* T(C)+32T(R)=9/5* T(C)+491,67T(Re)=4/5* T(C)+0

Tabel 2.Puncte de topire si de fierbere ale compusiilor reactiei studiate:Nr.Crt Componenti Temperatura de topire

(C)Temperatura de

fierbere(C)

1 SnO2 1630C 18001900 C2 Si 1413,9C 2899,9C3 Sn 231,93C 2601,85C4 SiO2 1600-1725C 2230C

Tabel 3.Exprimarea punctelor de topire si fierbere a substantelor din reactiastudiata in diverse scari de temperatura:

Nr.crt Componenti

Temperatura de topire Temperatura de fierbereT(K) T(F) T(R) T(Re) T(K) T(F) T(R) T(Re)

1 SnO2 1903.15

2085.35

3425.67

1304 2073.15

3272 3731.67

1440

2 Si 1687 2576.9

3

3036.

69

1131.0

8

3173 5251

.80

5711,

47

2319.9

23 Sn 505.08 449.47

4909.07

185.544

2875 4715.30

5174.97

2081.48

4 SiO2 1873-1998

2912-3137

3371.67

1279.88-1379.8

2503 4046 4505.67

1784

III.EntalpiaEntalpia este o functie totala de stare introdusa de principiul I altermodinamicii necesara pentru calculele energetice corespunzatoaretransformariilor care decurg in conditii izobare, o marime energetica si

8


9/26

extensiva.Entalpia de formare (caldura de formare) este entalpia de reactie laformarea unui mol de substanta din elemente.Mai simplu poate fi definitadrept efectul termic de formare a unui mol de substanta din elemente.

Pentru o reactie entalpia = = =n

i

n

j

fjfiR reactprod HHH1 1

0

298,

0

298,

0

298,

unde 0 298, prodfH - entalpia de formare a produilor [cal/mol]

0 298, reactfH - entalpia de formare a reactanilor [cal/mol]

i, j coeficienii stoichiometrici. [mol]

SnO2+SiSn+SiO2

0

298,RH =11.5-0.15+11.39-11.1=11.64 Kcal/molH0R,298=11640 cal/mol >0 Reactie ENDOTERMA

2.Aprecieri asupra stabilitatii compusilor obtinuti in comparatie cu alti

compusi similari

Substanta pricipala este dioxidul de staniu, a carui stabilitate o vom comparacu cea a unor compusi prezentati mai jos:

Tabelul 4. Entalpiile standard de formare a principalilor compui [4]

Nr.

crt.

Substana H0R,298

Kcal/mol*k3 SnO2(s) -138,82 SnO(s) -68,45 PbO2(s) -66,124 CuO(s) -39,51 Ag2O(s) -19.11

SnO2 SnO PbO2 CuO Ag2O0

298,fH

-138,8 -68,4 -66,12 -39,5 -19.1

3.Determinarea entalpiei de reactie in functie de temparatura |(T=298K)

9


10/26

= dTcHd pR0

2

0

298 TcTbacp

++=

= =

=n

i

n

j

reactjprodiaaa

1 1

a =(4.42+14.41)-(17.66+5.70)=-4.53cal/mol*k

= =

=n

i

n

j

reactjprodi bbb1 1

b =(6.30+1.94)-(2.40+1.02)=4.82cal/mol*k

==

=n

j

reactjprod

n

i

iccc

11

c =0 kcal/mol*k

Cunoscand a, b si c putem calcula constanta de integrare IH:

IH = 2786.3 cal/mol*k

4.Particularizarea si trasarea grafica a dependentei entalpiei la 450K,650K si 950K pentru un mol de substanta principalarespectiv 10kg desubstanta principala:

10


11/26

Pentru T=450K

= =

=n

i

n

j

reactjprodi aaa1 1

a =(4.42+14.41)-(17.66+5.70)=-4.53 cal/mol*k

= =

=n

i

n

j

reactjprodi bbb1 1

b =(6.30+1.94)-(2.40+1.02)=4.82cal/mol*k

==

=n

j

reactjprod

n

i

i ccc11

c =0 kcal/mol*k

0

298,

298

298

2

298

0

,2

RT

T

T

TR HT

cTbTaH +

+=

0

298,450

298

450

298

2

450

298

0

450,2

RR HT

cTbTaH +

+=

1164002

)298450(82,4)298450(53,4

220

450, +

+=RH

H0R,450= 284958.8 cal/ mol

Pentru T=650K

= =

=n

i

n

j

reactjprodiaaa

1 1

a` =(7.30+14.41)-(17.66+5.70)=-1.65cal/mol*k

11


12/26

= =

=n

i

n

j

reactjprodi bbb1 1

b` =(0+1.94)-(2.40+1.02)=1.94-2.42=-0.48cal/mol*k

==

=n

j

reactjprod

n

i

iccc

11

c`=0cal/mol*k

0

298,650

298

'650

298

2'

650

298

'0

650,2

RR HT

cTbTaH +

+=

1164002

)298650(48.0

)298650(65,1

220

650, +

+= RH

H0R,650=-15897.8 cal/ mol

Pentru T=950K

0

298,950

298

'950

298

2'

950

298

'0

950,2

RR HT

cTbTaH +

+=

1164002

)298950(48.0

)298950(65,1

220

650, +

+= RH

H0R,950=-184723 cal/ mol

Datele entalpiei pentru un mol de substanta sunt reunite in graficul urmator(graf.1).

12


13/26

200 300 400 500 600 700 800 900 1000

-300000

-200000

-100000

0

100000

200000

300000

400000

B

ENTALPIE

TEMPERATURA

Pentru 10 kg de substanta principala (Sn):

Pentru a calcula entalpia de reactie a 10kg de substanta pricipala vom folosi

formula:

H0R,T/10kg=n*H0R,T

Unde:

n = numarul de moli prezenti in 10kg Sn

1 mol............................MSn

x mol............................10000

1mol118,7xmol...10000

x=84,24 mol

13


14/26

H0R,298=11640*84,24=980553.6cal/mol*k

H0R,450=284958.8*84,24=24004929.312cal/mol*kH0R,650=-15897.8*84,24=-1339230.672cal/mol*kH0R,950=-184723 *84,24=-15561062.52cal/mol*k

Datele entalpiei pentru 10kg de substanta sunt reunite in graficul urmator(graf.2).

200 300 400 500 600 700 800 900 1000

-2.0x104

0.0

2.0x104

B

ENTALPIA

TEMPERATURA

IV. Entropia

14


15/26

1) Calcularea entropiei de reacie n condiii standard.

Entropia reprezint diferena dintre entropiile standard pentru produsele de reacie i

entropiile standard pentru reactani. Prin urmare, pentru calcularea entropiilor de reaciese procedeaz la fel ca la calcularea entalpiilor de reacie din entalpiile de formare al

substanelor participante.

Pentru o reacie entropia, 0 298,RS , se calculeaz dupa formula:

0

298,

1

0

298,

1

0

298, reactprod f

n

j

jf

n

i

iR SSS = ==

unde prodfS0

29 8, - entropia standard de reacie a produilor

KmolJ

reac t f

S029 8,

- entropia standard de reacie a reactanilorKmol

J

i, j coeficieni stoichiometrici [mol].

SnO2+SiSn+SiO2

0

298,RS =(12.3+10.6)-(12.5+4.50)

S

0R,298

=

5.9 cal/mol*k

2. Aprecieri calitative asupra variaiei entropiei de reacie n condiii

standard.

Stransf >0 => process posibil din punct de vedere termodinamic

proces imposibil din punct de vedere termodinamic

=0 => procesul nu are loc deoarece nu poate fi controlat.

n reacia studiat S>0 => proces posibil din punct de vedere termodinamic

3.Determinarea entropiei de reactie in functie de temparatura (T=298K)

15


16/26

dS = Tdcp ln

SR,T=alnT+bT- 22 T

c

+IS

SR,T= a ln298+b298+c(2982/2)+Is

a =(4.42+14.41)-(17.66+5.70)=-4.53cal/mol*k

b =(6.30+1.94)-(2.40+1.02)=4.82cal/mol*k

c =0 kcal/mol*k

Unde:

IS- constanta de integrare

IS=5.9-1462.1357

IS= -1456.2357 cal/mol*k

4.Particularizarea si trasarea grafica a dependentei entropiei la 450K,650K si 950K pentru un mol de substanta principala respectiv 10kg desubstanta principala:

T=450K

SR,450= SR,298 +a*ln(450/298)+b(450-298)a =(4.42+14.41)-(17.66+5.70)=-4.53cal/mol*k

b =(6.30+1.94)-(2.40+1.02)=4.82cal/mol*k

c =0 cal/mol*k

SR,450=5.9+(-4.53)*ln1.51+4.82*152SR,450=5.9-1.86+732.64SR,450=-728.6 cal/mol*k

T=650K

SR,650= SR,298 +a*ln(650/298)+b(650-298)

16


17/26

a` =(7.30+14.41)-(17.66+5.70)=-1.65cal/mol*kb` =(0+1.94)-(2.40+1.02)=1.94-2.42=-0.48cal/mol*kc`=0cal/mol*k

SR,650=5.9+(-1.65)*ln2.18+(-0.48)*352SR,650=5.9-1.28-168.96SR,650=-164.34 cal/mol*k

T=950KSR,950= SR,298 +a*ln(950/298)+b(950-298)

a` =(7.30+14.41)-(17.66+5.70)=-1.65cal/mol*kb` =(0+1.94)-(2.40+1.02)=1.94-2.42=-0.48cal/mol*k

c`=0cal/mol*k

SR,950=5,9+(-1.65)*ln3,18+(-0,48)*652

SR,950=5,9-1,90-312,96

SR,950=-308,96cal/mol*k

Datele entropiei pentru un mol de substanta sunt reunite in graficul urmator(graf.3).

17


18/26

200 300 400 500 600 700 800 900 1000

-800

-700

-600

-500

-400

-300

-200

-100

0

100

B

ENTROPIA

TEMPERATURA


Pentru a calcula entropiei de reactie a 10kg de substanta principala vom

folosi formula:

S0R,T/10kg=n*S0R,T

Unde:


1 mol............................MSn

x mol............................100001mol118,7xmol...10000

x=84,24 mol

S0R,298=5.9*84.24=497.01 cal/mol*k

18


19/26

S0R,450=-728.6*84.24=-61377.264cal/mol*kS0R,650=-164.34*84.24=-13844.0016cal/mol*kS0R,950=-308.96*84.24=-26026.79cal/mol*k

Datele entropiei pentru 10kg de substanta sunt reunite in graficul urmator(graf.4).

200 300 400 500 600 700 800 900 1000

-70000

-60000

-50000

-40000

-30000

-20000

-10000

0

10000

B

ENTROPIA

TEMPERATURA

V. Energia libera Gibbs

1) Calcularea energiei libere Gibbs n condiii standard.

Energia liber Gibbs este o mrime energetic, unitile de msur pentru aceasta fiind:

cal, kcal, J saukJ. Este o mrime extensiv i o funcie termodinamic de stare, adic nu

19


20/26

depinde de drum, ci doar de starea iniial i final a sistemului i admite diferenial

total exact functie de parametrii de care depinde. Energia liber se definete:

G = H T S

Pentru o reacie energia liber Gibbs, 0 298,RG , se calculeaz dupa formula:

0

298

0

298

0

298 STHG =

SnO2+SiSn+SiO2

G0298= 11640-298*5.9G0298= 11640-1758.2G0298= 9881.8cal/mol*k

2) Aprecieri asupra spontaneitii reaciei n sistem izolat

In capitolele anterioare am calculat:0

298,RH = 11640cal/mol*k

0

298,RS = 5. 9cal/mol*k

0

298G

=9881.8calDeci: 0 298,RH >0,

0

298,RS >0,0

298G >0

Condiia termodinamicii de spontanitate a unui proces fizico-chimic n sistem izolate este

ca S>0, n reacia studiat 0 298,RS = 5.9cal/mol*k deci procesul este posibil din punct

de vedere termodinamic n sistem izolat.

3. Particularizarea si trasarea grafica a energiei libere Gibbs la 450K,650K si 950K pentru un mol de substanta principala respectiv 10kg desubstanta principala:

Pentru un mol de substanta:

G0R,T=H0R,T-T*S0R,T

20


21/26

G0R,450 =284958.8-450*(-728,6)=-43046.2cal

G0R,650 =-15897.8 -650*(-164,34) = -122718.8 cal

G0R,950 =-184723 -950*(-308,96)= -478235cal

Datele energiei libere Gibbs pentru un mol de substanta sunt reunite in graficul

urmator(graf.5).

200 300 400 500 600 700 800 900 1000

-600000

-500000

-400000

-300000

-200000

-100000

0

100000

B

ENERGIA

GIBBS

TEMPERATURA


Pentru a calcula energiei Gibbs de reactie a 10kg de substanta principala

vom folosi formula:

G0R,T/10kg=n*G0R,T

21


22/26

Unde:


1 mol............................MSn

x mol............................10000

1mol118,7xmol...10000

x=84,24 mol

G0R,298=9881.8*84.24=832442.83cal/mol*kG0R,450=-43046.2*84.24=-3626211.88cal/mol*kG0R,650=-122718.8 *84.24=-10337831.71cal/mol*kG0R,950=-478235*84.24=-40286516.4cal/mol*k

Datele energiei Gibbs pentru 10kg de substanta sunt reunite in graficul urmator(graf.6).

200 300 400 500 600 700 800 900 1000

-4.0x107

-2.0x107

0.0

B

ENERGIA

GIBBS

TEMPERATURA

22


23/26

VI) Calculul afinitii de reacie n condiii standard

Scderea energiei libere a sistemului cu lucrul maxim reversibil pe care un sistem poates-l efectueze n cadrul unei transformri. Acest lucru maxim se numeste afinitate.

A = -G

Afinitatea de reacie este egl cu energia liber Gibbs luat cu semn schimbat, relaievalabil pentru procesele izobare.

0298A =-9881.8cal

Dup cum se observ, valoarea afinitii este pozitiva, deci reacia studiat este spontan.

1. Particularizarea si trasarea grafica a afinitatii la 450K, 650K si 950Kpentru un mol de substanta principala respectiv 10kg desubstanta principala:

0450=43046.2cal

0650=122718.8 cal

0950=478235cal

Datele afinitatii pentru un mol de substanta sunt reunite in graficul urmator(graf.7).

200 300 400 500 600 700 800 900 1000

-100000

0

100000

200000

300000

400000

500000

600000

B

AFINITATEA

TEMPERATURA

23


24/26


Pentru a calcula afinitatea a 10kg de substanta principala vom folosiformula:

A0R,T/10kg=n*A0R,T

Unde:


1 mol............................MSn

x mol............................10000

1mol118,7xmol...10000

x=84,24 mol

A0R,298=-9881.8*84.24=-832442.83cal/mol*kA0R,450=43046.2*84.24=3626211.88cal/mol*kA0R,650=122718.8 *84.24=10337831.71cal/mol*kA0R,950=478235*84.24=40286516.4cal/mol*k

24


25/26

Datele afinitatii pentru 10kg de substanta sunt reunite in graficul urmator(graf.8).

200 300 400 500 600 700 800 900 1000

0.0

2.0x107

4.0x107

B

A

FINITATEA

TEMPERATURA

VII. Concluzii

SnO2+SiSn+SiO2

0

298,RH >0 substana s-a format printr-un proces endoterm

0

298,RS > 0 proces spontan la orice temperatur

0298G > 0 procesul decurge spontan n sisteme izolate

0

298A


26/26

VIII. Bibliografie

1. Formule, tabele, probleme de chimie fizic; G. Niac, V. Voiculescu, I. Bldea,

N. Preda; Editura Dacia, Cluj Napoca, 1984

2. Handbook of Chemistry and Physics, 47th Edition

3. Chimie general; Neniescu, Editura Didactic i pedagogic, Bucureti 1979

4. Curs de chimie fizic. Termodinamic; S. Paachia

proiect ch-fiz

Documents