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:
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. Компьютерное моделирование экспериментального определения термодинамического потенциала ОВ-системы // Виртуальные технологии и инструменты в образовательном процессе.
URL: http://econf.rae.ru/article/6929 (дата обращения: 23.04.2024).
Прочитать публикацию в формате PDF
