И процессов электронной техники»

для студентов направления подготовки бакалавров

11.03.04 «Электроника и наноэлектроника», направленности

«Микроэлектроника и твердотельная электроника»

очной формы обучения

 

 

 

Воронеж 2017

Составители: канд. физ.-мат. наук Е.П. Николаева,

С.О. Николаева

 

УДК 541.1

Методические указания к выполнению практических занятий по дисциплине «Физическая химия материалов и процессов электронной техники» для студентов направления подготовки 11.03.04 «Электроника и наноэлектроника», направленности «Микроэлектроника и твердотельная электроника» очной формы обучения / ФГБОУ ВО «Воронежский государственный технический университет»; сост. Е.П. Николаева, С.О. Николаева. Воронеж, 2017. 59 с.

 

Методические указания включают основные методы расчета химических равновесий, определения степени завершенности и направления химической реакции, а также определения зависимости теплового эффекта химической реакции от температуры. Приведены примеры расчета и библиографический список.

Издание подготовлено в электронном виде и содержится в файле «Му пр ФХ.pdf».

 

Табл. 4. Ил. 11. Библиогр.: 4 назв.

 

Рецензент канд. техн. наук, доц. Н.Н. Кошелева

 

Ответственный за выпуск зав. кафедрой

д-р физ.-мат. наук, проф. С.И. Рембеза

 

Издается по решению редакционно-издательского совета Воронежского государственного технического университета

 

© ФГБОУ ВО «Воронежский государственный

технический университет», 2017

Определение зависимости теплового

Эффекта химической

Реакции от температуры

Цель работы

1. Изучить основные законы термохимии: закон Гесса, следствия закона Гесса, закон Кирхгофа.

2. Изучить методику определения теплового эффекта химической реакции.

3. Определить температурную зависимость теплового эффекта заданной химической реакции в заданном интервале температур.

Теоретическая часть

 

Для реакции

 

(1.1)

 

температурную зависимость теплового эффекта химической реакции определяем по закону Кирхгофа

 

(1.2)

или

 

, (1.3)

 

 

где , – изменения молярной теплоемкости в результате протекания процесса при P = const или V = const.

Для реакции (1.1)

 

(1.4)

 

или

 

, (1.5)

 

где , , , – молярные теплоемкости реагентов при P = const; и – суммы теплоемкостей соответственно продуктов реакции и исходных веществ с учетом стехиометрических коэффициентов n_i.

Из (1.1) следует, что при

, ; (1.6)

 

, ; (1.7)

 

, , (1.8)

 

т.е. тепловой эффект не зависит от температуры.

При интегрировании уравнения (1.2), если известен тепловой эффект при Т ₁, получим

 

, (1.9)

 

где – тепловой эффект данной химической реакции при Т = Т ₁ (обычно 298 К) при условии, что в заданном интервале температур нет фазовых переходов веществ, участвующих в реакции.

Если для реагентов

 

, (1.10)

 

то

 

, (1.11)

 

где

 

. (1.12)

 

Например, для реакции (1.1)

 

. (1.13)

 

Аналогичным образом определяются D b, D c, D c ¢, D d.

Подставив D С_Р из (1.11) в (1.9), после интегрирования получим

 

 

. (1.14)

 

Если вычислить через неопределенный интеграл, получим

 

, (1.15)

 

где D Н ₀ – постоянная интегрирования, которая определяется обычно из значения теплового эффекта при стандартных условиях.

 

Пример расчета

Найти температурную зависимость теплового эффекта реакции

 

СаСО₃ = СаО + СО₂,

 

если известно, что при Т = 1173 К тепловой эффект данной реакции = 178,074 кДж/моль. Термодинамические характеристики веществ приведены в таблице.

Термодинамические характеристики веществ

 

Вещество	, Дж/моль×К	, кДж/моль
а	b ×103	c¢ ×10-5
СаСО3	104,52	21,92	–25,04	–1206,88
СаО	49,63	4,52	–6,95	–635,55
СО2	44,14	9,04	–8,53	–393,51

 

Так как , то

 

.

 

Согласно уравнению Кирхгофа (1.15), определяем D а, D b и D c ¢.

 

 

,

 

 

,

 

 

.

 

Таким образом, для данной реакции

 

.

 

Отсюда

 

.

 

На основании определенного теплового эффекта при
Т = 1173 К находим D Н ₀, подставив значения и
Т = 1173 в (1.15):

 

.

 

Отсюда D Н ₀ = 191141,4.

Тогда уравнение (1.15) для рассматриваемой реакции имеет вид:

 

.

 

На основании этого уравнения можно рассчитать тепловой эффект реакции при любой температуре.

Для определения теплового эффекта, например, при 1300 К подставим значение температуры в полученное уравнение:

 

= 163869 [Дж/моль].

 

Для определения расхода теплоты, например, на разложение 1 кг СаСО₃ при 1300 К нужно определить число молей п в 1 кг CaCO₃, тогда

 

,

 

[кДж/кг].

 

Если значение теплового эффекта не задано в условии, то для определения D Н ₀ нужно найти тепловой эффект реакции при Т = 298 К, используя справочные значения стандартных теплот образования компонентов реакции .

 

 

[кДж/моль].

 

На основании определенного теплового эффекта находим D Н ₀:

 

,

 

D Н ₀ = 191149,4.

Задание

1. Изучить основные законы термохимии: закон Гесса, следствия закона Гесса, закон Кирхгофа.

2. Изучить методику определения теплового эффекта химической реакции.

3. Определить температурную зависимость теплового эффекта заданной химической реакции в заданном интервале температур.

Примеры задач

1. Пользуясь данными справочника, найдите изменение энтальпии при нагревании 64 г газообразного метилового спирта от 300 дл 700 К.

2. Рассчитайте тепловой эффект реакции СО + Н₂О = СО₂ + Н₂ при постоянном давлении и температуре 1000 К, если значение его при 298 К равно-41,17 кДж/моль. Теплоемкость взять в справочнике.

3. Определите работу, совершаемую одним молем одноатомного газа в идеальном состоянии при адиабатическом расширении, если температура газа понизилась на 50 °С.

4. Как зависит от температуры внутренняя энергия индивидуального вещества? Дайте математическое выражение этой зависимости и объясните его.

5. Пользуясь справочными данными, укажите возрастает, уменьшается или остается без изменения тепловой эффект реакции при изменении температуры от 298 до 1000 К.

6. Пользуясь справочными данными, рассчитайте тепловой эффект (ΔН) реакции, протекающей при 798 К и постоянном давлении 1 атм: 2Cl₂ + 2H₂O_(г) = 4HCl_(г) +O₂.

7. Пользуясь справочными данными по стандартным энтальпиям образования индивидуальных веществ, рассчитайте изменение энтальпии при конденсации 1 моля CS₂ при 298 К.

8. На основании справочных данных найдите уравнение зависимости теплового эффекта ΔН (Дж/моль) от температуры для реакции СО + 2Н₂ (г) = СО₂ + Н₂.

9. На основании справочных данных определите тепловой эффект ΔН (Дж/моль) реакции

 

:

 

а) при температуре 298 К и постоянном давлении;

б) при температуре 298 К и постоянном объеме.

10. Используя справочные данные, определите тепловой эффект реакции MnO + H_{2 (г)} = Mn + H₂O _(г) при 800 К.

11. Пользуясь справочными данными, составьте уравнение ΔС = f (T) для реакции СН₄ = С + 2Н₂.

12. Стандартная теплота образования кристаллического In₂O₃ равна -926,76 кЖд/моль. Напишите уравнение реакции, к которой относится этот тепловой эффект.

13. Найдите тепловой эффект (ΔН) реакции

 

СН₄ + Cl₂ = CH₃Cl + HCl:

 

СН₄ + О₂ = СО₂ + 2Н₂О_(ж), ΔН = -892,0 кДж;

 

CH₃Cl + O₂ = CO₂ + 2Н₂О_(ж) + HCl, ΔН = -637,0 кДж;

 

Н₂ + О₂ = Н₂О_(ж), ΔН = -236,0 кДж;

 

Н₂ + Cl₂ = HCl, ΔН = -92,5 кДж.

 

14. Зависимость теплоемкости алюминия от температуры выражается уравнением С_р = 20,67 + 12,39·10^-3 ТДж/моль. Алюминий плавится при температуре 685,5 °С, его удельная теплота плавления равна 386,23 Дж/г. Вычислите, какое количество тепла потребуется на то, чтобы получить 500 г расплавленного алюминия при температуре плавления, усли начальная температура его 25 °С.