--PAGE_BREAK--N2 + 3H2 → 2NH3
С галогенами образует галогеноводороды:
F2 + H2 → 2HF, реакция протекает со взрывом в темноте и при любой температуре,
Cl2 + H2 → 2HCl, реакция протекает со взрывом, только на свету.
С сажей взаимодействует при сильном нагревании:
C + 2H2 → CH2 [5]
Распространенность в природе и получение. Водород широко распространён в природе, его содержание в земной коре (литосфера и гидросфера) составляет по массе 1%, а по числу атомов 16%. Водород входит в состав самого распространённого вещества на Земле — воды (11,19% водород по массе), в состав соединений, слагающих угли, нефть, природные газы, глины, а также организмы животных и растений (т. е. в состав белков, нуклеиновых кислот, жиров, углеводов и др.). В свободном состоянии водород встречается крайне редко, в небольших количествах он содержится в вулканических и других природных газах. Ничтожные количества свободного водорода (0,0001% по числу атомов) присутствуют в атмосфере. В околоземном пространстве водород в виде потока протонов образует внутренний («протонный») радиационный пояс Земли. В космосе водород является самым распространённым элементом. В виде плазмы он составляет около половины массы Солнца и большинства звёзд, основную часть газов межзвёздной среды и газовых туманностей. Водород присутствует в атмосфере ряда планет и в кометах в виде свободного H2, метана CH4, аммиака NH3, воды H2O, радикалов типа CH, NH, OH, SiH, PH и т.д. В виде потока протонов водород входит в состав корпускулярного излучения солнца и космических лучей. Обыкновенный водород состоит из смеси 2 устойчивых изотопов: лёгкого водорода, или протия (1H), и тяжёлого водорода, или дейтерия (2H, или D). В природных соединениях водорода на 1 атом 2H приходится в среднем 6800 атомов 1H. Искусственно получен радиоактивный изотоп — сверхтяжёлый водород, или тритий (3H, или Т), с мягким β-излучением и периодом полураспада T1/2 = 12,262 года. В природе тритий образуется, например, из атмосферного азота под действием нейтронов космических лучей; в атмосфере его ничтожно мало (4·10-15% от общего числа атомов водорода). Получен крайне неустойчивый изотоп 4H. Массовые числа изотопов 1H, 2H, 3H и 4H, соответственно 1,2, 3 и 4, указывают на то, что ядро атома протия содержит только 1 протон, дейтерия — 1 протон и 1 нейтрон, трития — 1 протон и 2 нейтрона, 4H — 1 протон и 3 нейтрона. Большое различие масс изотопов водорода обусловливает более заметное различие их физических и химических свойств, чем в случае изотопов других элементов. Различают лабораторные и промышленные способы получения водорода. В лабораторных условиях в настоящее время применяется: взаимодействие активных металлов с кислотами — неокислителями:
Zn + 2HCl = ZnCl2 + H2
взаимодействие алюминия (или цинка) с водными растворами щелочей:
2Al + 2NaOH + 6H2O = 2Na[Al(OH)4] + 3H2
В промышленности: электролиз воды и водных растворов щелочей и солей:
2H2O = 2H2+ O2
2NaCl + 2H2O = H2+ Cl+ 2NaOH
пропускание паров воды над раскалённым углём при 1000 0C:
C + H2O = CO + H2
конверсия метана при 900 0C:
CH4 + H2O = CO + 3H2 [6]
Применение. Широкое применение водород нашел в химической промышленности — при синтезе аммиака, изготовления соляной и метиловой кислот, получения метилового спирта. В пищевой промышленности его используют для превращения жидких жиров в твердые (их гидрогенизации). Учитывая «невесомость» водорода, им заполняли и заполняют оболочки летательных аппаратов легче воздуха. Сначала это были воздушные шары, позднее — аэростаты и дирижабли, сегодня (вместе с гелием) — метеорологические зонды. Высокая температура горения, а в сочетании с электрической дугой она достигает 4000 0С, обеспечивает расплав даже самых тугоплавких металлов. Поэтому кислородно-водородные горелки используют для сварки и резки металлов. В цветной металлургии восстановлением водородом получают особо чистые металлы из оксидов. В космической технике отечественная ракета-носитель «Энергия» с успехом использует водород в качестве топлива. Водород используют при синтезе хлороводорода HCl, метанола СН3ОН, при гидрокрекинге (крекинге в атмосфере водорода) природных углеводородов, как восстановитель при получении некоторых металлов. Гидрированием природных растительных масел получают твердый жир — маргарин. Жидкий водород находит применение как ракетное топливо, а также как хладагент.
Одно время высказывалось предположение, что в недалеком будущем основным источником получения энергии станет реакция горения водорода, и водородная энергетика вытеснит традиционные источники получения энергии (уголь, нефть и др.). При этом предполагалось, что для получения водорода в больших масштабах можно будет использовать электролиз воды. Электролиз воды — довольно энергоемкий процесс, и в настоящее время получать водород электролизом в промышленных масштабах невыгодно. Но ожидалось, что электролиз будет основан на использовании среднетемпературной (500-600°C) теплоты, которая в больших количествах возникает при работе атомных электростанций. Эта теплота имеет ограниченное применение, и возможности получения с ее помощью водорода позволили бы решить как проблему экологии (при сгорании водорода на воздухе количество образующихся экологически вредных веществ минимально), так и проблему утилизации среднетемпературной теплоты. Однако после Чернобыльской катастрофы развитие атомной энергетики повсеместно свертывается, так что указанный источник энергии становится недоступным. Поэтому перспективы широкого использования водорода как источника энергии пока сдвигаются, по меньшей мере, до середины 21-го века.
Особенности обращения: водород не ядовит, но при обращении с ним нужно постоянно учитывать его высокую пожаро- и взрывоопасность, причем взрывоопасность водорода повышена из-за высокой способности газа к диффузии даже через некоторые твердые материалы. Перед началом любых операций по нагреванию в атмосфере водорода следует убедиться в его чистоте (при поджигании водорода в перевернутой вверх дном пробирке звук должен быть глухой, а не лающий). [6]
1.3 Расчёт константы равновесия реакции2MgOконд+Сграф↔2Mgконд+СО2в интервале температур 1400 — 2400K, двумя способами, с помощью энтропии и приведенной энергии Гиббса.
Используя справочные данные по температурной зависимости изменения энтальпии реагентов, их энтропии, приведённой энергии Гиббса рассчитываем логарифм константы равновесия lnKp реакции2MgOконд+Сграф↔2Mgконд+СО2, в интервалетемператур 1400 — 2400K [1].
Расчёт производится двумя способами.
1) С использованием абсолютных значений энтропии:
(5)
где ni – соответствующие стехиометрические коэффициенты, S°i(T) – стандартная абсолютная энтропия индивидуального вещества при данной температуре, H0i(T) – H0i(0) – высокотемпературные составляющие энтальпии индивидуального вещества, ∆fH0(0) – стандартная энтальпия образования индивидуального вещества при Т = 0 К [2].
Расчет при температуре 2000 К:
Σ niSio(T) = 2*S0Mg(2000)+ S0CO2(2000)- 2*S0MgOконд(2000)- S0Cграф(2000)= 2*99,802+309,193-2*119,027-40,892=229,851 Дж/мольК
Σ ni [Hi0(T)- Hi0(0)+∆f Hi0(0)]=2*[HMg0(2000)- HMg0(0)+ ∆f HMg0(0)]+ [HCO20(2000)- HCO20(0)+ ∆f HCO20(0)]- 2*[HMgO0(2000)- HMgO0(0)+ ∆f HMgO0(0)]- [HC0(2000)- HC0(0)+ ∆f HC0(0)]= 2*68,200+100,825-393,142-2*(91,426-597,319)-36,703=819,166 кДж/моль
lnKp= QUOTE =27.65-49.29=-21.63
2) С помощью приведенной энергии Гиббса:
, где (6)
- приведенная энергия Гиббса; - стандартная теплота образования индивидуального вещества при Т=0 К.
Σ ni Фi0(T)= 2*ФMg0(2000)+ ФCO20(2000)- 2*ФMgO0(2000)- ФC0(2000)= 2*65.703+258.781-2*73.314-22.540=221.019 Дж/мольК
Σ ni∆f Hi0(0)= 2*∆f HMg0(0)+ ∆f HCO20(0)- 2*∆f HMgO0(0)- ∆f HC0(0)=
0-393.142+2*597.319-0=801,496 кДж/моль
lnKp==26.6-48.3=-21.63
Аналогично рассчитывается константа равновесия химической реакции и для всех остальных температур из интервала 1400 -2400K; все необходимые данные находятся в таблицах приложений. Полученные результаты для всего интервала температур приведены в таблице 3.
Таблица 3.
Расчет lnKp двумя способами в интервале температур 1400-2400K
T,K
1/T, К*106
I способ,lnKP
I способ,lnKP
Kp
1400
714
-42,85
-42,85
2.45*10-19
1500
666
-38,09
-38,09
2.86*10-17
1600
625
-33,97
-33,97
1.76*10-15
1700
588
-30,34
-30,34
6.66*10-14
1800
556
-27,11
-27,11
1.68*10-12
1900
526
-24,22
-24,22
3.03*10-11
2000
500
-24,63
-21,63
4.04*10-10
2100
476
-19,28
-19,28
4*10-9
2200
455
-17,15
-17,15
3.5*10-8
2300
435
-15,24
-15,24
2.4*10-7
2400
417
-13,34
-13,34
1.61*10-6
Используя полученный график (рисунок 4) и формулу:
(7)
рассчитаем среднее значение теплового эффекта реакции:
Вывод: Данная реакция является эндотермической, так как с ростом температуры увеличивается константа равновесия и равновесие смещается в сторону прямой реакции.
Вывод основан на принципе Ле – Шателье, который гласит: если на систему, находящуюся в равновесии, воздействовать извне и тем изменить условия, определяющие положение равновесия, то в системе усиливается то из направлений процесса, течение которого ослабляет влияние этого воздействия, в результате чего положение равновесия сместится в этом же направлении. [4]
2.ПОСТРОЕНИЕ И ИССЛЕДОВАНИЕ ДИАГРАММЫ СОСТОЯНИЯ ДВУХКОМПОНЕНТНОЙ СИСТЕМЫ La—Sb
2.1 Построение и исследование диаграммы состояния La—Sb в атомных и массовых долях.
2.1.1 Данная диаграмма, изображённая на рисунке 5, является двухкомпонентной системой с полной растворимостью в жидком состоянии, с отсутствием растворимости в твердом состоянии, с образованием одного устойчивого химического соединения конгруэнтного плавления и образованием трех неустойчивых химических соединении инконгруэнтного плавления, с вырожденной эвтектикой.
Фазовый состав:
I (L): жидкий расплав;
II (L + SLa): жидкий расплав + кристаллы твердого р-ра на основе компонента La;
III (L + SLa2Sb): жидкий расплав + кристаллы твердого р-ра на основе компонента La2Sb;
IV (SLa+ SLa2Sb): кристаллы твердого р-ра на основе компонента La + неустойчивое химическое соединение La2Sb;
V (L+SLa3Sb2): жидкий расплав + устойчивое химическое соединение La3Sb2;
VI (L+SLa2Sb3): жидкий расплав + устойчивое химическое соединение La3Sb2;
VII (SLa2Sb+ SLa3Sb2): неустойчивое химическое соединение LaSb3+ устойчивое химическое соединение La2Sb3;
VIII (SLa3Sb2 + SLaSb): неустойчивое химическое соединение LaSb+ устойчивое химическое соединение La3Sb2;
IX (L+ SLaSb): жидкий расплав + неустойчивое химическое соединение LaSb;
X (SLaSb+ SLaSb2): неустойчивое химическое соединение LaSb+ неустойчивое химическое соединение LaSb2;
XI (L+ SLaSb2): жидкий расплав + неустойчивое химическое соединение LaSb2;
XII (SLaSb2 + SSb): кристаллы твердого р-ра на основе компонента Sb + неустойчивое химическое соединение LaSb2.
Точкa эвтектики:
E1: LE1 ↔ SLa+ SLa2Sb С=0 Ф=3
Переведём в массовые доли точки, соответствующие следующим атомным долям cурьмы: A=0,5 ат.д.; B=0,6 ат.д; C=0,74. Для этого воспользуемся следующеё формулой:
Проведём пересчёт для каждой из точек:
A:
B:
C:
2.1.2На данной диаграмме имеется четыре химических соединения, которые условно обозначили следующим образом:LaxSby, LazSbw, LaaSbb, LacSbd.Индексы при химических элементах соответствуют количеству атомов. А количество атомов, в свою очередь, находится из отношения атомных долей этих элементов. Ниже приведены расчёты этих индексов:
x:y=атомная доля(La): атомная доля(Sb).
LaxSby
x:y=0.33:0.67
x:y=1:2
Отсюда следует, что химическая формула данного химического соединения LaSb2.
Аналогично, находим индексы для химического соединения LazSbw:
z:w=0.6:0.4
z:w=3:2
Следовательно, химическая формула данного соединения – La3Sb2.
Для химического соединение LaaSbb
a:b=0.5:0.5
a:b=1:1
Данная формула выглядит следующим образом: LaSb
Химическое соединение LacSbd
c:d=0.33:0.67
c:d=1:2
Получили химическое соединение, в котором содержание меди и лантана находится в равных пропорциях – LaSb2.
Скомпонуем полученные результаты: La2Sb, La3Sb2, LaSb, LaSb2.
2.1.3 Температура начала кристаллизации расплава системыLa—Sb, содержащей 0,6 ат.д. Sb, равна »1475°С, температура конца кристаллизации равна 1110°С.
2.1.4 Первые выпавшие кристаллы из расплава, содержащего 0,6 ат. д. Sb находятся в виде неустойчивого химического соединения LaSb. Составу последней капли этого расплава соответствует точка перитектики Р3, содержащая 0,74 ат.д. Sb.
2.1.5 Воспользовавшись данными, полученными в пункте 2.1.1, определим по правилу рычага для системы La — Sb, содержащей 0,6 ат.д. Sb при температуре 12000C и при массе сплава 50г массы равновесных фаз:
mS=mL
mS=mL mS=29,2г
mS+mL =50г mL =20,8г
2.1.6 Число степеней свободы находится по правилу фаз Гиббса: С=К-Ф+1, где С — степень свободы, которая характеризует число независимых параметров, которые можно свободно изменять; Ф — число фаз системы; К — число компонентов системы.
Отсюда следует, что система, у которой:
состав 40 ат. д. Sb, температура 16900С, имеет: К=2, Ф=3, С=2-3+1=0;
состав 20 ат. д.Sb, температура 8000С, имеет: К=2, Ф=2, С=2-2+1=1;
состав 80 ат. д. Sb, температура 14000C, имеет: К=2, Ф=1, С=2-1+1=2.
2.1.7. При температуре, выше 14750C, состав системы La-Sb находится в виде расплава, Ф=1, С=2. При охлаждении до температуры 14750C расплав становится насыщенным неустойчивым химическим соединением LaSb, и начинается его кристаллизация. Система становится двухфазной, С=1. При дальнейшем охлаждении до температуры 11100C растет масса кристаллов химического соединения LaSb, состав расплава изменяется по кривой MP3, в нем увеличивается содержание сурьмы. Температуре 11100C соответствует точка перитектики P3, отвечающая составу его последних капель, здесь происходит перитектическое превращение:. Кристаллизация расплава заканчивается при температуре 11100C. При температуре ниже 11100C происходит охлаждение механической смеси твердых химических соединений LaSb и LaSb2, Ф=1, С=2.
Приложение А
Зависимость теплоемкости Н2 от температуры
T.К
100
2,999
100,616
70,624
28,155
200
5,693
119,301
90,836
27,477
300
8,468
130,747
102,169
28,849
400
11,426
139,104
110,538
29,181
500
14,349
145,626
116,527
29,260
Приложение Б Значение термодинамических функций для Mg.
T,К
1400
47.620
87.569
55.554
34.300
1500
51.050
89.935
55.902
34.300
1600
54.480
92.149
58.099
34.300
1700
57.910
94.228
60.163
34.300
1800
61.340
96.189
62.111
34.300
1900
64.770
98.043
63.954
34.300
2000
68.200
99.802
65.703
34.300
2100
71.630
101.476
67.367
34.300
2200
75.060
103.072
68.954
34.300
2300
78.490
104.596
70.470
34.300
2400
81.920
106.056
71.923
34.300
продолжение
--PAGE_BREAK--