=epsi do begin tg 2:=tgl; v:=v+delta_v; tgl:=f(v); if tgl*tg 2<0 then delta_v:=-delta_v/2 ; i:=i+l; end; WritelnC Nghiem la: ',v:8:5); WritelnO So lan lap la: ',i); Readln; END. Kết quả: Nghiệm là: 2,71828. 43 Tài liệu tham khảo chương Mỏ đầu [1] P h ạ m T h ị Tâm . Tính hằng số cân bằng hoá học bằng phương pháp thê ỷ , luận văn Sau đại học Hoá học, Đại học Sư phạm Hà Nội I, 1991. [2] T r a n V in h Q u y, Do Van Khang. A m athem atical m ethod for chem ical equylibrium at high temperature. Báo cáo toàn văn hội nghị khoa học kỉ niệm lần thứ 20 ngày thành lập Viện Công nghệ Thông tin "Công nghệ Thông tin Nghiên cứu và Triển khai". 5 6/12/1996 (trang 350 -354). [3] Q u á c h T u â n Ngọc. Ngôn ngữ lập trinh Pascal. Đại học Bách khoa Hà Nội, 1991. [4] J. L. B u c h a n a n , P e t e r R. T u r n e r . N um erical m ethods and A nalysis. "Me Graw - Hill, Inc.", New York, Paris, Tokyo, Toronto, 1992. [5] P. E. Đ a n k o , A. G. P o p o p , T. Ia. C o z n e p n h ic o v a . Rài tập toán học cao cấp phần II. Nhà xuất bản "Đại học và Trung học chuyên nghiệp Hà Nội"- Nhà xuất bản "Mir", Maxcơva, 1983. [6] A. Jì. c y p n c - TEPMOAMHAMhKA BblCOKO-TEMnEPATyPHblX nPOUECCOB CnPABOHHMK, "MET/UUiyPrMíl", MOCKBA, 1 9 8 5 . 44 Chương 1 CÁC PHƯƠNG PHÁP NHIỆT ĐỘNG XÁC ĐỊNH HẰNG s ố CÂN BẰNG HOÁ HỌC s ■ 1.1. PHƯƠNG PHÁP PHƯONG TRÌNH NERNST Xuất phát từ nguyên lí III của Nhiệt động lực học, mà điểu khẳng định quan trọng nhất của nó là gần OK, biến thiên th ế đẳng áp AG của phản ứng hoá học không phụ thuộc nhiệt độ: lim— = 0 t-To ổt người ta suy ra rằng, nhiệt độ gần 0K, AH = AG (vì AG = AH + T. ) và ST hai hàm này có cùng tiếp tuyến song song với trục hoành. Điều đó giúp ta chọn được một đường AG thích hợp trong vô vàn đưòng AG =
+
B,(K)
■» C (K ) + D CÖ ■
or£>cữ ‘ o
(K)
A m
Bn
bßc>cô A
H
<
bo
c>cd X .
Dk
trong đó AG(k) = -RTlnKp được tính từ áp suất riêng phần của các khí A B, c, D như sau:
47
le p = ___^ ^ 0.1 f (Cp>cc T
B 4.576.T 1.987
1 TfdTTr
4,576 nJ T2,: í [ ( C p ) „ r ( C p C „ st> T + J <1 7 )
0 L
Ở đây j là hằng số tích phân; AHq , là nhiệt chuyển pha quy về OK của các cấu tử I (các chất A, B, c, D chảng hạn).
Từ (1.7) và sử dụng điều kiện IAG = 0 cho chu trìn h khép kín nói trên, N ernst đã dẫn đến phương trình tính Kp cho các hệ khí như sau:
lgKp = -----A H ^ + (ACp)c T
p 4.Õ76.T 1.987
* d í ỉ / C íwc’W T *4i a81
Dây là phương trình N ernst. trong đó:
+ j là hằng sô hoá học thực của các chất, mà bản chất của nó là hằng sô tích phân trong phương trình biểu thị áp su ấ t hơi bão hoà (1.7); -! (ACp)const là phần nhiệt dung không phụ thuộc vào T:
+ (ACp)WT) là phần nhiệt dung phụ thuộc vào T;
+ AHq là nhiệt của phản ứng ở OK.
Đê áp dụng phương trình Nernst thì tiện nhât là sử dụng biểu thức nhiệt dung sau:
3 n - 3 - m ( Q \ 2 9, 'T
R + R p - .— — + R (1.9)
. íe9.T-l )2
- Sô hạng thứ nhất của biểu thức này là nhiệt dung ứng với chuyến động tịnh tiến và quay, nó được tính theo công thức cổ điến (mỗi bậc tự kT do quay và tịnh tiến có động năng — . mỗi phân tử khí có 3 bậc tự do
tịnh tiến và m bậc tự do quay).
Số bậc tự do quay m có thể được tính như sau:
48
m = 2 đối với phân tử 2 nguyên tử và phân tử nhiều nguyên tử dạng thẳng;
m = 3 đối với phân tử 3 nguyên tử hoặc nhiều hơn có cấu trúc không thẳng.
- Số hạng thứ hai là biểu thức nhiệt dung ứng với chuyển động dao động. Nó dược tính theo lí thuyết lượng tử dao động của Einstein trong
đó, 0, là nhiệt độ đặc trưng dao động ^9j h là hằng số Plank;
k là hằng số Boltzmann.
Tổng số bậc tự do dao động i được tính bằng 3n - 3 - m.
(n: số nguyên tử trong phân tử, m số bậ c tự do quay)
Sau đây là ví dụ và chương trình tính nhằm minh hoạ phương pháp Nernst.
Ví dụ 1:
Tính hằng sô cân bằng của phản ứng sau:
H 20 (h) = H2 + Ạ o 2
2
Giải:
Để tính hằng số cân bằng, chúng ta cần phải tính 4 đại lượng sau: 1. T ỉn h Aj (Aj là biến thiên hằng số hoá học thực của phản ứng)
Aj = Zj các chất cuổi - Ij các chất đầu.
Các giá trị hằng số hoá học thực j của các chất được tra ở Bảng 1.3 (xem trang 418-420 của tài liệu [4]).
Ta có jH = -3,357 ; j0 = 0,533 ; j„ 20 = -1,775,
do đó Aj = — io2 + jHỉ - jH 0
Aj = —.0,533 + ( - 3,355) - (-1,775) = -1,3155
Aj =-1,3155.
49
2. T ín h (ACp)consi
(ACp)const là số hạng không phụ thuộc vào nhiệt độ của nhiệt dung. Từ (1.9) ta có
( A C p U ., = R
(ACp )cons, = (Cp )» L . + \ (Cp )° 2ns, - (Cp
với mH = 2 ; m0 = 2; mH 0 = 3
Ta có:
(A C p)const = 1 .2 5 R.
3. T ín h AH°0 :
AHp là nhiệt của phàn ứng ở OK. Với nhiệt dung của các chất gồm hai phần: phần không phụ thuộc nhiệt độ ((AC ) = A — — j R ) và
3 n - 3 - m /0 \2 0,rr
phần phụ thuộc nhiệt độ ( R V - 1- — ------ ) Ta có' i I t J (ee,rr - 1)2
í K ^ 298.16 / - \2
ì ( Ễ ± H ] r .2 9 8 . 1 6 - A R I I ( ậ r ) . ủH° =AH°9S-A| — Ịr.298.16 - A
Lưu ý rằng
f V :! *MT
T J (eB| T - l )2dT =eft| T - 1
50
T
e í -d T ì (e^ - 1)2
từ đó ta nhận được:
AH° = AH°98 - A p ± ^ R . 2 9 8 , 1 6 - a ( r Ị 8|/29Ĩ 16_t
(1.10)
AH°9S(H20 = H2 + i ( ) 2) = 0 + - . 0 - ( - 5 7 7 9 6 ) = 57796 (cal/mol)
trong đó nhiệt của phản ứng AHÍỈggCÓ thể tính từ sinh nhiệt của các chất có trong phản ứng mà giá trị của chúng có thể tra ỏ Bảng 1.1 hoặc Bảng 1.6. Sau khi đặt các giá trị nhiệt độ đặc trưng dao động của các phân tử lấy từ B ảng 1.4: e(H2) = 6130K; 0(O2) = 2224K; 0(H2O) = 2290, 5730, 5510K, ta nhận được biểu thức:
6130 1 2224 AH° = 57796 - 1,25R.298,16 - R 1 g6130/ 298,16 _ J 2 02224/ 298.16 _
2290 5730 5510
5510/ 298.16
2 290/ 298,16’ — 1 05730/ 298.16 _ eooiu/ zy8.1t> _ ^
Nếu 0, > 2000 thì đại lượng — —---- rất nhỏ, có thể bỏ được, nên ta nhận được:
AH° = 57796 - 1,25.1,987.298,16 = 57055,445 (cal/mol).
4. T ín h s ố h ạ n g t h ủ ba củ a p h ư ơ n g tr ìn h (1 .8 )- tích phân
TỂ } ( A C PW 1 T .
0 1 0
Giá trị của tích phân này có thể trực tiếp tra bảng (xem Bảng 1.2, cột 1 và 5).
ATrd T Tr_ |"TfdTT(/ 6130 Y e613^
0 T2 J = J t 2 0J1 T I • (eB.30/T _ 1)2 dT
51
1 TfdTTff 2224 Y e2224/T TfdT rí 2290 Y e229OT , + 2 0JT2 Jl T J V 130/T- l ) 2 0JT2 J 1 T J (e229orr- l ) 2
TfdT T{ 5730'ị 2 e5730/T jrr Tfd T Tff551oY e55lOT ,1T.
.R
¿T 2 j l T ) (e5730fr- l ) 2 0J T2 J l T ) (e55lOT- l ) 2
• Hay có thể viết gọn:
T
A
0
Với T = 1000K, theo Bảng 1.2, ta có:
ATf£ÌlTr í _ 0 Ị _ ì dT = 0 004 + 1 0 233 _ 0 21 - 0,0065 - 0,008
J t 2 0JỌI i 0 0 0 J 2
A Ị Ì T Tr _ O dT = _0;104.
0J T2 f l l 0 0 0 j
Nếu tính trực tiếp tích phân hai lớp có thể nhận được biểu thức giải tích gọn sau:
] — ỵ ^ - ì . e"| T dT = — - ln(e6|/T - 1 ) • (1.11) 0 T 0Jl T J (e - 1) T
Thay bôn đại lượng vừa tính được vào biểu thức (1.8) ứng với T = 1000K, ta nhận được giá trị lgKp
I 17 - A H Ỏ (ACp)const 1 Tf dT Tf/Ar- 1 , »: lgKp ■ I ^ T +^ S ^ lgT + ^ J ^ J (ACpUdT + Aj 57055,54 1.25.1.987, 1
_ ----- -- + ------liir— Ig 1000 + —f — (-0,104) -1.3155 4,576.1000 1,987 4.576
= -10,0566
Để tính các giá trị lgKp ở nhiều nhiệt độ khác nhau, ngưòi ta phải sử dụng máy tính. Trong trường hợp này tích phân hai lớp (số hạng thứ ba) của (1.8) được tính theo phương trình (1.11).
52
Chương trình viết trên ngôn ngữ Pascal 7.0 để tính lgKp ở các nhiệt độ 400, 500, 600,..., 3000K dược đưa ra dưới đây:
PROGRAM N_LgKp_H20;
Var
T,i:integer; Lg_Kp: real;
BEGIN
For i:=0 to 27 do
begin
T:=300+i*100;
Lg_Kp:=-12468.43/T+(l.25/2.303)*Ln(T)+(l.987/4.576)* (-6288/T-Ln(exp(6130/T)-l)-0.5*Ln(exp(2224/T)-l)
+Ln(exp(2290/T)-1)+Ln(exp(5730/T)-1)+
Ln(exp(5510/T)-1)) -1.3155;
Writeln('Lg_Kp o nhiet do T,' = Lg_Kp:8:4);
end;
Readln;
END.
Kết quả:
N hiệt độ (K) igKp Nhiệt dộ (K) IgK ,
300 -39,7812 1700 -4,6954 400 -29,2352 1800 -4,2668 500 -22,8812 1900 -3,8829 600 -18,6285 2000 -3,5372 700 -15,5796 2100 -3,2241 800 -13,2850 2200 -2,9394 900 -11,4947 2300 -2,6792 1000 -10,0583 2400 -2,4407 1100 -8,8800 2500 -2,2212 1200 -7,8958 2600 -2,0185 1300 -7,0612 2700 -1,8308 1400 -6,3445 2800 -1,6565 1500 -5,7223 2900 -1,4942 1600 -5,1771 3000 -1,3427
53
Vi dụ 2: (Bài toán ngược)
Tính nhiệt độ tại đó hằng số cân bằng của phản ứng
H20 (/i) = H, + ị o 2
2
có giá trị Kp = 10“10.
Giải:
Để giải bài toán này, ta cũng thiết lập biểu thức tính lgKp như ỏ ví dụ 1, sau đó sử dụng th u ậ t toán tìm nghiêm (thuật toán bước lặp giảm dần, chẳng hạn) đê tính giá trị nhiệt độ cần tìm (tức là tìm nhiệt độ tại đó lgKp + 10 = 0).
Chương trình:
PROGRAM N_LgKp_H20_N;
Var
T,tgl,tg2,đel_t:real;
Function LgKp(x:real):real:
begin
LgKp :=-12468.43/x+( 1.25/2.303)*Ln(x)
+(1.987/4.576)*(-6288/x-Ln(exp(6130/x)-l)-0.5*Ln(exp(2224/x) -l)+Ln(exp(2290/x)-l)+Ln(exp(5730/x)-l)
+Ln(exp(5510/x)-l))-l .3155;
end;
BEGIN
T:=100; del_t: = 100; tgl: = Lgkp(T)+10;
While abs(tgl)>=(l.E-8) do
begin
tg2:=tgl: T:=T+del_T: tgl:=Lgkp(T)+10:
if tgl*tg 2<0 then del_T:=-del_T/2;
end:
Writeln (' gia tri cua T de lgkp=-10 la: '.T:8 :4 .'K'):
Readln;
END.
Kết quả: Giá trị của T để lgKp = -1 0 là: 1004.5264K
54
Bảng 1.1. Sinh nhiệt (kcal/mol) của một vài chất
Chất AH% Chất Chất AH°„. Chất AH°m Các chất vó cơ
AgCI (tt) -30,73 FeO (tt) -63,3 H,0 (k) -57,796 NaCI (tt) -98,26 AICI,(tt) -168,3Fe?Oj
(hematit)-196,5 -68,315 Pb02(tt) -66,10
C(kim cưdng) -0,437Fe20 3
(manhetit)-267,0 H,s (k) -5,0 PbS04(tt) 220,04
CO (k) -26,416 FeS, a (tt) -24,0 H;SO< (l) -194,6 s (đon tà) 0,071 co ,(k ) -94,052 FeS; (tt) -39,0 Mg^dd) -110,41 SjOO 30,47 CaC03(canxit) -288,45 HCI (k) -22,06 MgCựtt) -153,35 s o 2(k) -70.96 CaO (tt) -151.79 HCI (dd) -39,94 NH,(k) -11,04 s o 3(k) -94,61
c r (dd) -39,94 HNO,(Z; -41,62 NO (k) 21,57 XeF,(đôn tà) -60 Các chất hũli cơ
CH« (k) -17,88 C ,^ (k) 4,88 CsHsft) 11,72 CsHsCOOH 92,05 C,H, (k) 54,02 C,H, (k) -24,82 CHjOH (I) -57,23 CO(NH2)2(tt) 79,53 C;H4 (k) 12,54 C .
corvimđum 27.43 3,06 0.847 298-1500 18,89 400,5 -378,17 12,17 AI20 3.Si02 (tt),
kianit41,05 6.98 1.246 298-1500 29,10 -620,1 -584.16 20.02 AI20 3Si02
(tt).silimanhil 39,30 8,04 1,102 298-1500 29,3 -618,8 -583,74 22,97 ai2o 3.s ĩo2
(tt),anđaluzit41,22 6,24 1,222 298-1600 29,34 --619,6 -584,33 22,28 3AỊA.2SÌCỊ,
(tt),mulit111,29 13,06 3,322 298-2000 77,94 -1630,0 -1538,35 60,78 A y s 0 4),(tt) 88,09 14,80 27,12 62,0 -822,61 -741,13 57,17 AsCI, (k) 19.72 -0.10 1,46 298-2000 18.04 -64,8 -61,68 77,97 AsHj (k) 10.07 5,42 2,20 298-2000 9,22 15,87 16,47 53,29 A s A (tt) 8,37 48,6 ---- 298-548 22.86 159.2 -140,6 27,89 A s A (tt) 27,85 -221.42 -187.33 25,2 A s A (tt) 16.74 97.2 48,7 319.0 -281.66 55,8
BCI3 (k) 18,45 0,80 3,28 298-2500 15,0 -96,51 -92,89 69,22 BA («) 15,88 14,81 0,49 298-723 15,00 -304,23 -285,33 12,90 B,c (tt) 22,99 5.40 10,72 298-1700 12,62 6,48 BaCI? (tt) 17,00 3,34 ---- 273-1198 17,96 -205,0 -193,2 29.56 BaC03
(tt),viterit21,50 11,06 3,91 298-1079 20,40 -297,5 -278,4 26,8 BaF2 (tt) 13,98 10,20 — 298-1300 17,02 -286.9 -274,5 23,03 Ba(NO,), (tt) 30,05 35,70 4,01 29&-850 36,18 -237,06 190,0 51,1 BaO (tt) 11.79 1.88 0.88 298-2000 10,82 -139,06 -132,0 16,8
77
Nhiệt dung
< C X Ê(
Chất Các hệ sô' của phưdng
kcal/mol kca l/mols*m. AH"».
trinh Cp = it55,87 7,84 15,74 298 1600 39,80 766,2 -724,5 34,2 Ca(N03), (tt) 29,37 36,80 4,13 298-800 35,70 -224,00 -177,34 46,2 CaS (tt) 10,20 3,80 ------- 298-1000 11,33 -115,3 -114,1 13,5 CaS04 (tt),
anhiđrit16,78 23,60 -------- 298-1468 23,82 -342,42 -315,56 25,5 CaS04.2H20
(tt), thạch cao21,84 76,00 -------- 298-400 44,5 -483,06 -429,19 46.36 CaSi03 (tt),
volastonit26,64 3,60 6,52 298-1450 20,38 -390,76 -370,30 19,6 Ca2Si04, p (tt) 34,87 9,74 6,26 298-970 30,74 -551,49 -524,00 30,5
Ca3(P04)2, a ( « )
48,24 39,24 5,00 298-1373 55,35 -986,2 -929,7 57,6
CdBr2 (tt) 18,32 -75,35 -70,71 33,18 CdCOj (tt) -180,36 -166.2 23 CdCI2 (tt) 14,64 9,60 ------- 273-841 17,84 -93,40 -82,04 27,55
79
Nhiệt dung
Chất Các hệ so của phường
trinh c „ = p(T)Khoảng
nhiêt đô