Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
1 часть Островерхов.docx
Скачиваний:
15
Добавлен:
01.05.2025
Размер:
361 Кб
Скачать
☆

Приближенные методы расчета констант равновесия

Для расчета термодинамических характеристик химических ре­акций по способам, изложенным в предыдущем разделе, нужно знать ряд величин, определяемых экспериментально. В некото­рых случаях одно (или несколько) из необходимых исходных данных в литературе отсутствует; в этом случае приходится прибегать к менее точным методам расчета ∆G0 и Кр. Наиболь­шее распространение при практических расчетах находит так называемый метод структурных групп, который позволяет при­ближенно рассчитывать термодинамические данные.

Для органических веществ многих типов стандартные тепло­та образования ∆H0ƒ,298 и энтропия S0298, а также коэффициен­ты а, b и с в уравнении теплоемкости можно подсчитать по пра­вилу аддитивности, учитывая число атомов углерода в молеку­ле, характер связей и тип функциональных групп. Исходными данными для таких расчетов служат термодинамические функ­ции девяти «основных» веществ, представленные в табл. 3.

Таблица 3. Термодинамические функции «основных» веществ для расчета по методу структурных групп

«Основное» вещество

∆H0ƒ,298

кДж/моль

S0298

Дж/(мольК)

a

b∙103

c∙103

Метан

-74,90

186,3

15,9

69,6

-13,56

Циклогексан

-123,22

298,4

-48,3

584,7

-103,5

Бензол

82,98

269,4

-17,6

382,3

-217,8

Нафталин

148,21

337,9

13,2

458,0

-145,7

Метиламин

-29,73

241,6

16,8

128,6

-36,4

Диметиламин

-32,66

273,0

16,4

202,2

-59,0

Триметиламин

-45,64

288,9

16,5

275,7

-81,6

Диметиловый эфир

-192,59

265,4

26,9

166,0

-47,9

Формамид

-207,25

249,1

27,3

105,4

-31,3


Молекула соединения, для которого проводится расчет, должна быть построена исходя из соответствующего «основно­го» вещества, причем в первую очередь путем постепенного за­мещения атомов водорода метильными группами строится уг­леродный скелет. Введение в молекулу функциональных групп (если оно необходимо) проводится путем замены не водорода, а заранее введенной метильной группы. При этом функциональ­ная группа замещает столько метильных, какова кратность ее связи с атомом углерода; например, для введения одной карбо­нильной группы нужно заместить сразу две метильные группы. Это обстоятельство следует учитывать при построении углерод­ного скелета молекулы.

В ходе построения углеродного скелета молекулы вещества, для которого проводится расчет, каждое замещение водорода метильной группой, как и введение функциональной группы, приводит к изменению величин ∆Н°ƒ,298, S°298, а, в и с на неко­торые поправки. Величина поправки зависит от типа замещения и природы функциональной группы. Первое замещение водорода в молекуле «основного» вещества называется первичным; та­ким же считается и расширение кольца в молекуле циклогексана. Для бензола и нафталина все последовательные замещения в ядре — первичные, однако поправки зависят от относительно­го расположения заместителей (табл. 4). Все остальные заме­щения водорода называются вторичными; для них величина по­правки зависит от структуры молекулы, в которой проводится замещение (табл. 5). Структурные особенности молекулы опре­деляются ее строением, причем учитывают тип атома, у которо­го происходит замещение (тип А), и тип соседнего, наиболее за­мещенного атома углерода (тип В). Типы А и В обозначают цифрами от 1 до 4, соответствующими степени замещенности данного атома — первичного, вторичного, третичного или чет­вертичного. Тип атома, находящегося в ароматическом кольце, обозначают цифрой 5. В соответствии с этим, например, по­правки к теплотам образования при переходе от пропана к изобутану (А = 2, В = 1) и от этилбензола к изопропилбензолу (А = 2, В = 5) неодинаковы и составляют соответственно -26,42 и -25,87 кДж/моль.

Таблица 4. Поправки на первичное замещение H на СH3

«Основная» группа

∆H0ƒ,298

кДж/моль

S0298

Дж/(мольК)

a

b∙103

c∙103

Метан

-10,47

43,33

-8,37

97,1

-38,2

Циклогексан

поправка на расширение кольца на 1 атом С

-45,93

5,36

-10,51

127,2

-49,4

первое замещение

-31,65

45,13

8,92

78,1

-23,9

Бензол

первое замещение

-32,95

50,58

3,27

69,8

-22,7

второе замещение

1,2-

-31,02

33,03

17,88

40,7

-7,8

1,3-

-32,78

37,97

3,22

73,1

-25,7

1,4-

-32,07

32,70

7,37

56,3

-14,3

Нафталин (первое замещение)

-18,84

50,24

1,51

72,1

-24,6

Метиламин

-23,86

̶

-0,42

73,4

-22,4

Диметиламин

-26,38

̶

-0,42

73,4

-22,4

Триметиламин

-17,17

̶

-0,42

73,4

-22,4

Формамид (замещение у атома С )

-37,68

̶

25,58

-7,3

19,9

Наличие в молекуле искомого вещества кратных связей то­же учитывают при расчете путем введения соответствующих поправок; в этом случае поправки определяются типами А и В двух атомов, между которыми возникает кратная связь (табл. 6). На этом этапе расчета учитывают и появление со­пряженных связей, вносящее свой вклад в изменение термоди­намических характеристик. Например, при превращении изобу­тана в изобутен (А=1, В=3) поправка к теплоте образования равна 118 кДж/моль, а при переходе (того же типа) от изопропилбензола к α-метилстиролу кроме этой появляется еще по- правка на сопряжение с ароматическим кольцом, равная —8,37 кДж/моль.

Таблица 5. Поправки на вторичное замещение H на СH3

А

В

∆(∆H0ƒ,298)

кДж/моль

∆ S0298

Дж/(мольК)

∆a

∆b∙103

∆c∙103

1

1

-19,89

42,29

2,05

92,3

-37,5

1

2

-20,60

38,43

4,56

74,5

-27,1

1

3

18,51

40,70

4,19

83,2

-33,5

1

4

20,93

46,05

5,82

71,7

-24,6

1

5

-19,59

45,05

4,56

78,3

-30,0

2

1

-26,42

23,32

-1,26

91,0

-36,7

2

2

-26,50

29,93

-2,68

97,9

-41,7

2

3

-21,98

27,34

3,35

80,7

-32,2

2

4

-16,04

31,23

10,55

67,4

-24,6

2

5

-25,87

28,14

1,55

80,6

-32,3

3

1

-34,42

11,76

-1,17

101,4

-43,9

3

2

-29,31

16,20

-3,89

103,5

-37,5

3

3

-21,73

16,71

-13,7

129,6

-58,9

3

4

-20,68

7,87

-0,59

115,4

-43,0

3

5

-38,52

5,44

1,76

67,8

-19,6

В сложных и простых эфирах (I-0)

-29,3

58,6

0,04

73,6

-22,3

В кислоте с образованием сложного эфира

39,8

69,9

1,84

69,6

-20,7

Таблица 6. Поправки на замещение ординарных кратными сложыми связями

Тип кратной связи

∆(∆H0ƒ,298)

кДж/моль

∆ S0298

Дж/(мольК)

∆a

∆b∙103

∆c∙103

1=1

137,66

-10,05

0,88

-34,7

5,7

1=2

125,60

-0,88

4,69

-47,7

13,9

1=3

118,19

-0,46

9,13

-65,4

26,9

2=2 (цис-)

118,86

-4,98

-14,95

0,6

4,5

2=2 (транс-)

114,72

-9,04

5,32

-53,5

16,2

2=3

111,87

-1,17

-8,46

-43,5

16,0

3=3

107,60

-2,76

-1,72

-63,4

26,8

1=1

312,25

-41,24

19,76

-102,0

26,3

2=2

274,24

-16,62

4,19

-107,6

-39,8

1=2

291,07

-17,54

13,23

-110,4

36,9

Дополнительные поправки для вводимых двойных связей

сопряженных

55,10

-15,66

9,38

4,9

-1,0

чередующихся

-17,92

-21,44

-3,94

16,2

-14,6

смежных с ароматическим кольцом

-8,37

-11,10

4,23

-13,6

5,5

Таблица 7. Поправки на группы, замещающие группу СН3

Замещающая группа

∆(∆H0ƒ,298)

кДж/моль

∆ S0298

Дж/(мольК)

∆a

∆b∙103

∆c∙103

̶ OH

-136,91

10,89

13,27

-62,2

23,4

̶ OH (Ar-орто )

-199,71

̶

̶

̶

̶

̶ NO2

5,02

8,37

26,38

-81,8

44,5

̶ CN

163,28

16,74

15,24

-58,3

19,0

̶ Cl

для первого атома Cl у атома С

0

0*

9,17

-78,9

26,2

для каждого последующего атома Cl

18,84

̶

̶

̶

̶

̶ F

-146,54

-4,19*

9,38

-98,9

49,4

=O (альдегид)

-54,01

-51,50

15,11

-233,3

95,1

=O (кетон)

-55,27

-10,05

21,02

276,7

126,5

̶ COOH

-364,25

64,48

35,59

-63,1

33,2

̶ SH

66,15

21,77

17,04

104,5

5108

̶ C6H5

135,23

90,85

-3,31

224,5

-80,4

̶ NH2

51,50

-20,10

5,28

-30,6

9,3

* К вычисленным поправкам при расчете энтропии метилгалогенидов надо прибавлять единицу.

Последним этапом расчета является учет поправок при замещении групп СН3 на соответствующие функциональные груп­пы (табл. 7).

Окончательный результат расчета — термодинамические характеристики вещества — находят, суммируя соответствующие свойства исходного «основного» вещества и все поправки, по- явившиеся при построении углеродного скелета молекулы, вве­дении функциональных групп и кратных связей.

Пример. Найти термодинамические характеристики ацетона исходя из структуры его молекулы.

Структурная формула ацетона I требует первоначального построения молекулы вида II, исходным веществом для которой является метан (СН4):

По табл. 3-7 находим:

Этапы расчета

∆H0ƒ,298

кДж/моль

S0298

Дж/(мольК)

a

b∙103

c∙103

1. Метан СН4

-74,90

186,3

15,9

69,6

-13,56

2. Первичное замещение Н на СН3

-10,47

43,33

-8,37

97,1

-38,2

3. Вторичное замещение Н на СН3 (тип А=1, В=1)

-19,89

42,29

2,05

92,3

-37,5

4. Вторичное замещение Н на СН3 (тип А=2, В=1)

-26,42

23,22

-1,26

91,0

-36,7

5. Вторичное замещение Н на СН3 (тип А=3, В=1)

-34,42

11,76

-1,17

101,4

-43,9

6. Замена двух групп СН3 на =О (кетон)

-55,27

-10,05

21,02

-267,7

126,5

Итого

-221,37

296,85

28,17

183,7

-43,36

Справочные данные

-216,83

296,09

22,49

201,9

-63,56

По методу структурных групп не обязательно начинать рас­чет с «основных» веществ, так как более надежные результаты получаются исходя из веществ более близкого строения, если для них имеются термодинамические данные.

Метод структурных групп предполагает, собственно, что для однотипных реакций ∆H0, S0и коэффициенты а, b и с в уравне­ниях теплоемкости равны друг другу. Более обоснованно предположение, что для двух однотипных реакций (I и II) равны только ∆S0. Это позволяет находить константу равновесия, если известны константа равновесия какой-либо однотипной реакции и их тепловые эффекты. Действительно, из ∆SI°=∆SII° следует;

Откуда

и, следовательно:

Этот способ (метод В. А. Киреева) более точен, чем метод структурных групп. Другие видоизменения последнего основаны на различных корреляционных зависимостях в рядах органиче­ских соединений при их участии в однотипных реакциях. Все они требуют определенного минимума экспериментальных дан­ных и подробно излагаются в специальной литературе.

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]