Вычисление термодинамических функций индивидуального вещества Nb в температурном интервале 100-500 К. Расчёт константы равновесия реакции 〖SiO〗_(2 тв)

Вычисление термодинамических функций индивидуального вещества
Nb в температурном интервале 100-500 К. Расчёт константы равновесия реакции
〖SiO〗_(2 тв) +C_гр+〖2Cl〗_(2 г)=〖SiCl〗_(4 г)+〖CO〗_(2 г) в интервале температур 600K до1800K.
14.04.2016
Оценка-5 ...

Для вычисления термодинамических функций
H^0 (T)-H^0 (0),S^0 (T),Ф^0 (T),G^0 (T)-G^0 (0)
заданного веществом Nb, в интервале температур 100-500К с шагом 25К
используем табличные значения термодинамических функций
C_p (T),S^0 (100) и H^0 (100)-H^0 (0), приведенные в источнике [1].Расчет
термодинамических функций при температурах 100,200,300,4000,500 К
производим по формулам из источника [2]:

Введение
Термодинамический расчет дает возможность установить связь между равновесными концентрациями исходных веществ и продуктов реакции (а следовательно, определить достигаемый в данных условиях максимально возможный выход реакции реакции) помощью вычисления константы равновесия химической реакции. Для этого нужно рассчитать lnK_pво время реакции по формула
lnK_p=(∑▒〖n_i S_i^0 〗)/R-( ∑n_i [H_i^0 (T)-H_i^0 (0)+∆_f H_i^0 (0) ])/(R*T)
или
lnK_p=(∑n_i Ф_i^0 (T))/R-(∑n_i ∆_f H_i^0 (0))/(R*T)

 Константы равновесия химических реакций определяются непосредственно по указанным термодинамическим функциям при заданных температурах.

История открытия Ниобия. Ниобий открыт в 1801 г. В Британский музей из Америки был прислан неизвестный минерал. Гатчет, который исследовал этот минерал, названный позднее колумбитом, вначале отождествлял его с сибирской хромовой рудой, но затем обнаружил, что кислота , образующаяся из щелочного сплава минерала, обладает совершенно иными свойствами, чем хромовая кислота Гатчету не удалось восстановить из окисла металл, однако он все же назвал его колумбием в честь Христофора Колумба и старинного названия Америки. Год спустя шведский химик Экеберг открыл в одной из финских руд новый элемент, названный им танталом (Tantalum), так как окисел этого металла оказался чрезвычайно устойчивым и не разрушался даже в избытке кислоты. Минерал, содержащий этот металл, был наименован танталитом. Однаков 1809 г. Волластон доказал, что колумбий Гатчета и тантал Экеберга представляют собой один и тот же металл, так как их окислы очень близки по удельному весу. Этот спорный вопрос разрешил Розе, который в 1844 г. в результате тщательного анализа колумбитов и танталитов различного происхождения установил, что в некоторых из них помимо тантала содержится еще один элемент, близкий по свойствам к танталу. Этот новый элемент Розе назвал ниобием (Niobium) по имени мифической Ниобы, дочери Тантала. [3]Физические свойства. Плотность 8,57 г/см3 (20 °С); tпл 2500 °С; tкип 4927 °С; Теплопроводность в вт/(м·К) при 0°С и 600 °С соответственно 51,4 и 56,2, то же в кал/(см·сек·°С) 0,125 и 0,156. Удельное объемное электрическое сопротивление при 0 °С 15,22·10-8 ом·м (15,22·10-6 ом·см). Температура перехода в сверхпроводящее состояние 9,25 К. Ниобий парамагнитен. Работа выхода электронов 4,01 эв.Чистый Ниобий легко обрабатывается давлением на холоде и сохраняет удовлетворительные механические свойства при высоких температурах. Относительное удлинение при 20 и 800 °С соответственно 19,2 и 20,7%. Твердость чистого Ниобия по Бринеллю 450, технического 750-1800 Mн/м2. Примеси некоторых элементов, особенно водорода, азота, углерода и кислорода, сильно ухудшают пластичность и повышают твердость Ниобия.Химические свойства.  Элемент побочной подгруппы пятой группы пятого периода периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева, атомный номер — 41, d- элемент.Электронная формула-1s22s22p63s23p64s23d104p65s14d4 По химические свойствам Ниобий близок к танталу. Оба они чрезвычайно устойчивы на холоде и при небольшом нагревании к действию многих агрессивных сред. Компактный Ниобий заметно окисляется на воздухе только выше 200 °С. На Ниобий действуют: хлор выше 200 °С, водород при 250 °С (интенсивно при 360 °С), азот при 400 °С. Практически не действуют на Ниобий очищенные от примеси кислорода жидкие Na, К и их сплавы, Li, Bi, Pb, Hg, Sn, применяемые в качестве жидкометаллических теплоносителей в атомных реакторах.Ниобий устойчив к действию многих кислот и растворов солей. На него не действуют царская водка, соляная и серная кислоты при 20 °С, азотная, фосфорная, хлорная кислоты, водные растворы аммиака. Плавиковая кислота, ее смесь с азотной кислотой и щелочи растворяют Ниобий. В кислых электролитах на Ниобии образуется анодная оксидная пленка с высокими диэлектрическими характеристиками, что позволяет использовать Ниобий и его сплавы с Та взамен дефицитного чистого Та для изготовления миниатюрных электролитических конденсаторов большой емкости с малыми токами утечки.Получение: Руды Nb - обычно комплексные и бедны Nb, хотя их запасы намного превосходят запасы руд Та. Металлический Nb получают из рудных концентратов по сложной технологии в три стадии: 1) вскрытие концентрата, 2) разделение Nb и Та и получение их чистых химические соединений, 3) восстановление и рафинирование металлического Ниобия и его сплавов. Основные промышленные методы производства Nb и сплавов - алюминотермический, натриетермический, карботермический: из смеси Nb2O5 и сажи вначале получают при 1800 °С в атмосфере водорода карбид, затем из смеси карбида и оксид (V) при 1800-1900 °С в вакууме - металл; для получения сплавов Ниобия в эту смесь добавляют оксиды легирующих металлов; по другому варианту Ниобий восстанавливают при высокой температуре в вакууме непосредственно из Nb2O5 сажей. Применение. Применение и производство Ниобия быстро возрастают, что обусловлено сочетанием таких его свойств, как тугоплавкость, малое сечение захвата тепловых нейтронов (1,15 б), способность образовывать жаропрочные, сверхпроводящие и других сплавы, коррозионная стойкость, низкая работа выхода электронов, хорошие обрабатываемость давлением на холоде и свариваемость. Основные области применения Ниобия: ракетостроение, авиационная и космическая техника, радиотехника, электроника, химическое аппаратостроение, атомная энергетика. Из чистого Ниобия или его сплавов изготовляют детали летательных аппаратов; оболочки для урановых и плутониевых тепловыделяющих элементов; контейнеры и трубы для жидких металлов; детали электрических конденсаторов; "горячую" арматуру электронных (для радарных установок) и мощных генераторных ламп (аноды, катоды, сетки и другие); коррозионно-устойчивую аппаратуру в химической промышленности. Ниобием легируют другие цветные металлы, в т. ч. уран. Ниобий применяют в криотронах - сверхпроводящих элементах вычислительных машин, а станнит Nb3Sn и сплавы Nb с Ti и Zr - для изготовления сверхпроводящих соленоидов. Nb и сплавы с Та во многих случаях заменяют Та, что дает большой экономический эффект (Nb дешевле и почти вдвое легче, чем Та). Феррониобий вводят в нержавеющие хромоникелевые стали для предотвращения их межкристаллитной коррозии и разрушения и в стали других типов для улучшения их свойств.[4]4. Расчёт константы равновесия реакции Si02 тв+Cгр+2Cl2 г=SiCl4 г+CO2 гв интервале температур 600 – 1800K,двумя способами, с помощью энтропии и приведенной энергии Гиббса.Используя справочные данные по температурной зависимости измененияэнтальпии реагентов, их энтропии, приведённой энергии Гиббсарассчитываем логарифм константы равновесия lnKp реакции Si02 тв +Cгр+2Cl2 г=SiCl4 г+CO2 гв интервале температур 600 - 1800K.Расчёт производится двумя способами:С использованием абсолютных значений энтропии:lnKp=∑niSi0(T)R-∑niHi0T-Hi00+∆fHi0(0)RTГде: ni– соответствующие стехиометрические коэффициенты Si0(T) – стандартная абсолютная энтропия индивидуального вещества приданной температуре;Hi0T-Hi00 – высокотемпературные составляющие энтальпиииндивидуального вещества;∆fHi0(0) – стандартная энтальпия образования индивидуального веществапри Т= 0 К.4.2 С помощью приведенной энергии Гиббса:lnKp=∑niФi0(T)R-∑ni∆fHi0(0)RTГде: Фi0T-приведённая энергия Гиббса индивидуального вещества приданной температуре;ni∆fHi00-стандартная теплота образования индивидуального вещества при Т=0 К.Расчет при температуре 600 К:∑niSi0T=SSiCl40600+SCO20600-SC0600-SSiO20600-2* SCl20600==399,468+243,168-14,650-79,929-2*247,737=52,583 Джмоль*К∑niHi0T-Hi00+∆fHi00=HCO20600-HCO200+∆fHCO200+ +HSiCl40600-HSiCl400+∆fHSiCl400-HSiO20600-HSiO200+∆fHSiO200--HC0600-HC00+∆fHC00-2*HCl20600-HCl200+∆fHCl200 =[22275+(-393142)]+[49070+(-660078)]-[23894+(-905717)]-[5035+0]--2*[19916+0]=-144919 ДжмольlnKp=52,5838,31+1449198.31*600=6,328+29,065=35,393Kp=2,35*1015∑niФi0T=ФCO20600+ФSiCl40600-ФC0600-ФSiO20600-2*ФCl20600==206,044+317,685-6,258-40,106-2*214,544=48,277 Джмоль*К∑ni∆fHi00=∆fHCO200 + ∆fHSiCl400 - ∆fHc00 - ∆fHSiO200 -2*∆fHCl200==-393142+ (-660078)-0-(-905714)-0= - 147503 ДжмольlnKp=48,2778,31+1475038,31*600=5,810+29,583=35,393Kp=2,35*1015Расчет при температуре 700 К:∑niSi0T=SSiCl40700+SCO20700-SC0700-SSiO20700-2* SCl20700==415,392+250,637-17,335-90,118-2*253,391=51,794 Джмоль*К∑niHi0T-Hi00+∆fHi00=HCO20700-HCO200+∆fHCO200+ +HSiCl40700-HSiCl400+∆fHSiCl400-HSiO20700-HSiO200+∆fHSiO200--HC0700-HC00+∆fHC00-2*HCl20700-HCl200+∆fHCl200 =[27123+(-393142)]+[59402+(-660078)]-[30508+(-905717)]-[6779+0]--2*[23584+0]=-145431 ДжмольlnKp=51,7948,31+1454318.31*700=6,233+25,001=31,234Kp=3,67*1013∑niФi0T=ФCO20700+ФSiCl40700-ФC0700-ФSiO20700-2*ФCl20700==211,890+330,532-7,650-46,535-2*219,700=48,837Джмоль*К∑ni∆fHi0(0)=∆fHCO20(0) + ∆fHSiCl40(0) - ∆fHc0(0) - ∆fHSiO20(0) -2*∆fHCl20(0)==-393142+ (-660078)-0-(-905714)-0= - 147503 ДжмольlnKp=48,8378,31+1454318.31*700=5,877+25,357=31,234Kp=3,67*1013Расчет при температуре 800 К:∑niSi0T=SSiCl40800+SCO20800-SC0800-SSiO20800-2* SCl20800==429,337+257,382-19,856-99,662-2*258,319=50,563 Джмоль*К∑niHi0T-Hi00+∆fHi00=HCO20800-HCO200+∆fHCO200++HSiCl40800-HSiCl400+∆fHSiCl400 HSiO20800-HSiO200+∆fHSiO200--HC0800-HC00+∆fHC00-2*HCl20800-HCl200+∆fHCl200 =[32176+(-393142)]+[69846+(-660078)]-[37664+(-905717)]-[8669+0]--2*[27275+0]=-146364 ДжмольlnKp=50,5638,31+1463648.31*800=6,085+22,016=28,101Kp=1,60*1012∑niФi0T=ФCO20800+ФSiCl40800-ФC0800-ФSiO20800-2*ФCl20800= =217,162+342,029-9,020-52,582-2*224,226=49,137 Джмоль*К∑ni∆fHi00=∆fHCO200 + ∆fHSiCl400 - ∆fHc00 - ∆fHSiO200 -2*∆fHCl200=-393142+ (-660078)-0-(-905714)-0= - 147503 Джмоль*КlnKp=49,1378,31+1475038,31*800=5,913+22,188=28,101Kp=1,60*1012Расчет при температуре 900 К:∑niSi0T=SSiCl40900+SCO20900-SC0900-SSiO20900-2* SCl20900==441,729+263,534-22,224-108,832-2*262,683=48,841 Джмоль*К∑niHi0T-Hi00+∆fHi00=HCO20900-HCO200+∆fHCO200++HSiCl40900-HSiCl400+∆fHSiCl400-HSiO20900-HSiO200+∆fHSiO200--HC0600-HC00+∆fHC00-2*HCl20900-HCl200+∆fHCl200 =[37401+(-393142)]+[80368+(-660078)]-[45433+(-905717)]- -[10680+0]-2*[30980+0]=-147807 ДжмольlnKp=48,8418,31+1478078.31*900=5,877+19,763=25,640Kp=1,37*1011∑niФi0T=ФCO20900+ФSiCl40900-ФC0900-ФSiO20900-2*ФCl20900==221,978+352,432-10,357-58,351-2*228,261=49,180Джмоль*К∑ni∆fHi0(0)=∆fHCO20(0) + ∆fHSiCl40(0) - ∆fHc0(0) - ∆fHSiO20(0) -2*∆fHCl20(0)== -393142+ (-660078)-0-(-905714)-0= - 147503 ДжмольlnKp=49,1808,31+1475038,31*900=5,918+19,722=25,640Kp=1,37*1011Расчет при температуре 1000 К:∑niSi0T=SSiCl401000+SCO201000-SC01000-SSiO201000-2* SCl201000=452,873+269,189-24,451-116,042-2*266,597=48,375 Джмоль*К ∑niHi0T-Hi00+∆fHi00=HCO201100-HCO200+∆fHCO200+ +HSiCl401100-HSiCl400+∆fHSiCl400 HSiO201100-HSiO200+∆fHSiO200--HC01100-HC00+∆fHC00-2*HCl201100-HCl200++∆fHCl200=[42769+(-393142)]+[90945+(-660078)]-[52278+(-905717)]- -[12794+0]-2*[34695+0]=-148251 ДжмольlnKp=48,3758,31+1482518.31*1000=5,821+17,840=23,661Kp=1,89*1010∑niФi0T=ФCO201000+ФSiCl401000–ФC01000-ФSiO201000-2* ФCl201000== 226,420+361,928-11,656-63,765-2*231,902=49,123Джмоль*К∑ni∆fHi0(0)=∆fHCO20(0) + ∆fHSiCl40(0) - ∆fHc0(0) - ∆fHSiO20(0) -2*∆fHCl20(0)==-393142+ (-660078)-0-0-(-905714) = - 147503 ДжмольlnKp=49,1238,31+1475038,31*1000=5,941+17,750=23,661Kp=1,89*1010Расчет при температуре 1100 К:∑niSi0T=SSiCl401100+SCO201100-SC01100-SSiO201100-2*SCl201100=462,993+274,419-26,546-122,660-2*270,144= 47,918 Джмоль*К∑niHi0T-Hi00+∆fHi00=HCO201100-HCO200+∆fHCO200+ +HSiCl401100-HSiCl400+∆fHSiCl400 HSiO201100-HSiO200+∆fHSiO200-HC01100-HC00+∆fHC00-2*HCl201100-HCl200++∆fHCl200=[48258+(-393142)]+[101563+(-660078)]-[59222+(-905717)]- -[14993+0]-2*[38416+0]=- 148729 ДжмольlnKp=487,9188,31+1487298.31*1100=5,766+16,271=22,037Kp=3,72*109∑niФi0T=ФCO201100+ФSiCl401100-ФC01100-ФSiO201100-2* ФCl201100==230,549+370,663-12,916-68,822-2*235,220=49,034 Джмоль*К∑ni∆fHi0(0)=∆fHCO20(0) + ∆fHSiCl40(0) - ∆fHc0(0) - ∆fHSiO20(0) -2*∆fHCl20(0)==-393142+ (-660078)-0-(-905714)-0= - 147503 ДжмольlnKp=49,0348,31+1475038,31*1100=5,901+16,136=22,037Kp=3,72*109Расчет при температуре 1200 К:∑niSi0T=SSiCl401200+SCO201200-SC01200-SSiO201200-2* SCl201200=472,258+279,283-28,520-128,789-2*273,388= 47,456 Джмоль*К∑niHi0T-Hi00+∆fHi00=HCO201200-HCO200+∆fHCO200+ +HSiCl401200-HSiCl400+∆fHSiCl400 HSiO201200-HSiO200+∆fHSiO200--HC01200-HC00+∆fHC00-2*HCl201200-HCl200++∆fHCl200=[53848+(-393142)]+[112212+(-660078)]-[66266+(-905717)]--[172623+0]-2*[42144+0]=-149259 ДжмольlnKp=474568,31+1492598.