Пример решения семестровой работы

Пример решения семестровой работы
Задание 1. Определите состав реакционной смеси до и после
реакции с учетом выхода продуктов реакции. Составьте таблицу
материального баланса.
NH4Cl + NaOH = NaCl + NH3↑ + H2O
Исходные данные: СМ (NH4Cl) = 4 моль/л;
mр-ра (NH4Cl) = 2,3 кг;
ρ (NH4Cl) = 1,065 г/мл;
Сн (NaOH) = 2 моль/л;
mр-ра (NаОH) = 2,5 кг
ρ (NaOH) = 1,250 г/мл
η =80 %
Приход
1) Объем израсходованного раствора NH4Cl:
mр-ра
2300
V=
=
= 2159,6 мл
ρ
1,065
2) Количество NH4Cl в израсходованном растворе:
ν = СМ · V = 4 · 2,1596 = 8,64 моль
3) Масса NH4Cl в израсходованном растворе:
m (NH4Cl) = ν · M = 8,64 · 53,5 = 462,24 г
4) Масса воды в израсходованном растворе хлорида аммония NH4Cl:
m(Н2О) = 2300 – 462,24 = 1837,76 г
5) Объем израсходованного раствора щелочи (NaOH):
mр-ра
2500
V=
=
= 2000 мл
ρ
1,25
6) Масса вещества NаОH в израсходованном растворе:
m (NаОH) = Cн · МЭ · V= 2 · 40 · 2 = 160 г
7) Количество NаОH в израсходованном растворе:
m
160
ν=
=
= 4 моль
M
40
8) Масса воды в растворе щелочи:
m (H2O) = 2500 – 160 = 2340 г
9) Количество прореагировавшего NaOH с учетом выхода продуктов
реакции: ν(NaOH)прор = νисх · η = 4 · 0,8 = 3,2 моль
10) Количество непрореагировавшего NaOH:
ν(NaOH)непр = 4 – 3,2 = 0,8 моль
11) Масса непрореагировавшего NaOH:
m (NaOH) = 0,8 · 40 = 32 г
12) Количество непрореагировавшего NH4Cl:
68
ν (NH4Cl)непр = 8,64 – 3,2 = 5,44 моль
13) Масса непрореагировавшего NH4Cl:
m (NH4Cl)непр = 5,44 · 53,5 = 291,04 г
Расход
1) Масса образовавшегося NaCl:
m(NaCl) = 3,2 · 58,5 = 187,3 г
2) Масса образовавшейся воды:
m (H2O) = 3,2 · 18 = 57,6 г
3) Масса образовавшегося аммиака:
m (NH3) = 3,2 · 17 = 54,4 г
Таблица 6.1. Материальный баланс
Состав
Приход
реакционной
смеси
m, г
ω, %
NH4Cl
462,24
9,63
NaOH
160
3,33
H2O
4177,76
87,04
NH3
NaCl
Итого:
4800
100
Расход
m, г
291,04
32
4235,36
54,4
187,2
4800
ω, %
6,06
0,67
88,24
1,13
3,9
100
Задание 2. Рассчитать энергию Гиббса, энтальпию, энтропию
данного процесса при температуре 298 К. Возможна ли данная реакция при
температуре 473 К?
1) Определяем энтальпию данной реакции при Т=298 К:
ΔНреакции = ∑νjΔfHj прод. реакции – ∑νjΔfHj исх.веществ
ΔНреакции = – 411,12 – 45,94 – 285,3 + 314,22 + 426,35 = –1,79 кДж/моль
2) Определяем энтропию данной реакции при Т=298 К:
ΔSреакции = ∑νjSj прод. реакции – ∑νjSj исх.веществ
ΔSреакции = 72,13 + 192,66 + 69,95 – 95,81 – 64,43 = 174,5 Дж/(моль К)
Стандартные значения энтальпии и энтропии соответствующих веществ
определяют по таблице термодинамических характеристик веществ.
3) Определяем энергию Гиббса при Т=298 К:
∆G0298 = ∆Н0298 – Т∆S0298
∆G0298 = – 1,79 – (298 0,1745) = – 53,791 кДж/моль
Так как ∆G0 < 0, то данная реакция возможна при Т=298 К.
∆G473 = –1,79 – (473 0,1745) = – 84,328 кДж/моль
При Т=473 К данная реакция также возможна.
69
Задание 3. Определить скорость и время реакции с учетом выхода
продукта. Константа скорости реакции К = 0,2 л/(моль · с).
1) Масса раствора после реакции:
m р-ра= mр-ра(NH4Cl) + mр-ра(NaOH) – m (NH3) = 2300 + 2500 – 54,4 = 4745,6 г
Так как концентрации веществ в растворе незначительны, то
плотность раствора принимаем за 1 г/мл, отсюда:
Vр-ра = 4745,6 мл = 4,7456 л
Время реакции:
2,303
1
СВ(СА – ХА)
τ=
·
· lg
;
K
CA – CB
CA(CB – XB)
где К – константа скорости реакции; СА, СВ – начальные концентрации
реагирующих веществ, моль/л; ХА, ХВ – количество молей, реагирующих
веществ, вступивших в реакцию к моменту времени τ.
2) Концентрация веществ до реакции:
ν
8,64
С(NH4Cl) =
=
= 1,82 моль/л
V
4,7456
ν
4
C (NaOH) =
=
= 0,84 моль/л
V
4,7456
3) Концентрации веществ после реакции:
ν
5,44
С(NH4Cl) =
=
= 1,15 моль/л
V
4,7456
ν
0,8
C (NaOH) =
=
= 0,168 моль/л
V
4,7456
Время реакции:
2,303
1
0,84·1,15
τ=
·
· lg
= 5,9 с;
0,2
1,82 – 0,84
1,82·0,168
4) Скорость реакции по NH4Cl:
∆С
1,82 – 1,15
υ=
=
= 0,114 моль/л с
∆τ
5,9
Задание 4. Определите рН среды после реакции.
После завершения реакции в растворе присутствуют вещества:
NH4Cl, NaOH, NaCl, частично растворенный аммиак. На реакцию среды
могут влиять NaOH и гидролизируемый NH4Cl.
NH4Cl + H2O → NH3↑ + H2O + HCl
70
CМ(HCl) = CМ(NH4Cl) = 1,15 моль/л
СМ(NaOH) = 0,168 моль/л, так как α(NaOH)=100%, то
С(ОН-) = СМ · α · n = 0,168 · 1 · 1 = 0,168 моль/л
Концентрацию ионов водорода, образующихся при гидролизе NH 4Cl
вычислим через константу и степень гидролиза:
С · β2
Кг =
;
1–β
где С– концентрация соли, моль/л; β – степень гидролиза соли.
Так как степень гидролиза значительно меньше единицы, то
выражение принимает вид:
Кг = С · β2.
Константа гидролиза соли слабого основания и сильной кислоты
рассчитывается по формуле:
КН2О
10-14
Кг =
=
= 5,65 · 10-10
Косн
1,77 · 10-5
Кг
5,65 · 10-10
β=√
=√
= 2,2 · 10-5
С
1,15
Так как С(HCl) = C (NH4Cl), то
Кг
+
С(Н ) =
= 2,2 · 10-5 моль/л
Ссоли
С(ОН ) значительно больше С(Н+); С(ОН-) = 0,186 моль/л
Следовательно рН раствора считаем по концентрации щелочи:
10-14
[H+] =
= 5,376 · 10-14 моль/л
0,168
рН = – lg [H+]
рН = – lg (5,376 · 10-14) = 13,23.
Контрольные задания
1. Определить состав реакционной смеси до и после реакции.
Составить таблицу материального баланса.
2. Рассчитать ∆Н0298, ∆S0298, ∆G0298 химической реакции. Возможно ли
осуществить реакцию при 473 К?
3. Определить скорость и время реакции с учетом степени
превращения и выхода продукта.
4. Определить рН среды после реакции.
5. Описать основные физико-химические свойства исходных веществ
и продуктов реакции.
6. Предложить пути повышения выхода продукта реакции.
71