Заочные электронные конференции
 
     
Моделирование температурной зависимости энергии Гиббса реакции восстановления хинона в гидрохинон
Боровская Л.В., Коваленко С.С., Бачурин Е.С., Бондаренко Д.Е.


Для чтения PDF необходима программа Adobe Reader
GET ADOBE READER

Моделирование температурной зависимости энергии Гиббса

реакции восстановления хинона в гидрохинон

Л.В. Боровская,С.С. Коваленко, Е.С. Бачурин, Д.Е. Бондаренко,

ФБГОУ Кубанский государственный технологический университет

Одним из важнейших разделов физической химии является химическая термодинамика, и определение термодинамического потенциала системы на основании второго начала термодинамики занимает центральное место в этом разделе физической химии.

В основе одной из работ лабораторного практикума по физической химии «Определение изменения изобарно-изотермического потенциала окислительно-восстановительной системы методом ЭДС» лежит реакция восстановления хинона в гидрохинон. Реальные лабораторные условия не позволяют проводить эту реакцию в широком диапазоне температур, кроме того, процесс определения изобарно-изотермического потенциала окислительно-восстановительной системы методом ЭДС требует длительного времени, поэтому метод имитационного моделирования здесь является наиболее уместным.

Нами был смоделирован процесс восстановления хинона в гидрохинон и прогнозирование температурной зависимости энергии Гиббса по реальным экспериментальным данным, полученным нами в изотермических условиях.

Инструментом для создания виртуальной модели процесса мы выбрали универсальную моделирующую среду Stratum – 2000.

Инструментальная среда Stratum – 2000 предназначена для матема­тического и имитационного моделирования, и является одним из ин­струментов, позволяющих в короткие сроки спроектировать систему и провести эксперимент на имитационной модели как в реальном, так и в ускоренном времени. Созданная на базе современных информационных технологий, среда Stratum – 2000 позволяет быстро спроектировать новую или проанализировать уже работающую систему, к какой бы прикладной области она не относилась. Визуальные средства проектирования среды дают возможность построить прототип системы из объектов (имиджей), поведе­ние которых моделирует основные закономерности реального физического (технологического) объекта-прототипа. Имиджи объединяются в схему проекта информационными связями, являющимися отражением матери­альных, энергетических и информационных связей лабораторной уста­новки или технологической системы. Имеющиеся в среде Stratum графиче­ские и мультимедийные инструменты позволяют "оживить" воспроизведе­ние функционирования моделируемой системы.

Для построения имитационной модели нами был проведен лабораторный эксперимент в гальваническом элементе в условиях, близких к термодинамически обратимым , при этом полезная работа системы максимальна и равна убыли энергии Гиббса ΔG=-Amax. Для создания термодинамически равновесных условий применяют компенсационный метод измерения ЭДС - к полюсам элемента прикладывают извне ЭДС батареи, которая равна и противоположна ЭДС элемента. В этом случае Е элемента отличается от ЭДС батареи на величину, равную dE, которую не могут обнаружить даже самые чувствительные гальванометры. При этом через элемент проходит настолько малый ток, что реакция протекает с предельно малой скоростью, а потенциалы электродов сохраняют свое равновесное значение.

Реакция восстановления хинона в гидрохинон протекает по общему уравнению:

С6H4O2 + H2 = C6H4(OH)2

В нашем эксперименте реакция идет через промежуточный продукт - хингидрон - в 2 стадии:

1. С6H4O2 + ½H2 = С6H4O2·C6H4(OH)2

2. ½С6H4O2·C6H4(OH)2 + ½H2 = C6H4(OH)2

С6H4O2 - хинон; С6H4O2·C6H4(OH)2 - хингидрон; C6H4(OH)2 – гидрохинон.

Работой гальванического элемента является электрохимическая работа, и поэтому Amax=nFE, где:

n - число электронов, участвующих в элементарной стадии процесса,

F - число Фарадея, равное 96500Кл,

Е - общая ЭДС элемента в вольтах.

В нашем случае общая ЭДС складывается из ЭДС двух элементов, работающих за счет первой и второй стадий, и ЭДС хлорсеребряного электрода, используемого в качестве электрода сравнения: Е=E1+E2+2Eхс

С учетом вышесказанного, получаем: ΔG=-nF(E1+E2+2Eхс).

Это уравнение положено в основу имитационной модели определения энергии Гиббса методом ЭДС.

В результате виртуального эксперимента нами были получены температурные зависимости изобарно-изотермического потенциала (энергии Гиббса) системы хинон-гидрохинон, что не представляется возможным в реальных лабораторных условиях.

Данные виртуального эксперимента представлены в таблице.

Таблица

Температурные изменения энергии Гиббса

t, °С

20

25

30

35

40

45

50

ΔG*103

Дж/моль

-122,57

-123,92

-125,27

-126,62

-127,97

-129,32

-130,67

t, °С

55

60

65

70

75

80

85

ΔG*103

Дж/моль

-132,02

-133,38

-134,72

-136,08

-137,43

-138,78

-140,13

Полученные в ходе моделирования эксперимента данные по изменению энергии Гиббса приведены на графике (рис. 1). Угловой коэффициент полученной прямой равен dE/dT.

Рис.1

Главное окно эксперимента представлено на рис. 2, а окно результатов выполненной виртуальной работы - на рис. 3.

Рис. 2

Рис. 3

С полной версией виртуальной лабораторной работы можно ознакомиться на сайте http://freechemist.narod.ru

Литература:1. Руководство к лабораторным работам по физической химии. Изд. КубГТУ, Краснодар, 2009

2. Краснов К.С. Физическая химия т.2, М.: Высшая школа, 20013. Электронный ресурс: Stratum Modeling Laboratory, РЦИ, ПГТУ (Режим доступа: http://stratum.pstu.ac.ru)

Библиографическая ссылка

Боровская Л.В., Коваленко С.С., Бачурин Е.С., Бондаренко Д.Е. Моделирование температурной зависимости энергии Гиббса реакции восстановления хинона в гидрохинон // Научный электронный архив.
URL: http://econf.rae.ru/article/6767 (дата обращения: 28.03.2024).



Сертификат Получить сертификат