Kertausluennot: Mahdollisuus pisteiden korotukseen ja

477401A - Termodynaamiset tasapainot (Syksy 2015)
http://www.oulu.fi/pyomet/477401a/
eetu.heikkinen@oulu.fi
Kertausluennot: Mahdollisuus pisteiden korotukseen ja rästisuorituksiin
Torstai 10.12. klo 14-16
Keskiviikko 16.12. klo 8-10
Torstai 17.12. klo 14-16
Jokaisesta oikein ratkaistusta tehtävästä voi saada yhden lisäpisteen.
Tehtävä, joilla voi korottaa kotitehtävän 1 pisteitä
35. Kuinka suuri on teoreettisten liekin maksimilämpötilojen ero, jos poltetaan
hiiltä täydellisesti hiilidioksidiksi (CO2) tai ali-ilmalla siten, että
palamistuotteena syntyy hiilimonoksidia (CO)? Jälkimmäisessä tapauksessa
siis oletetaan, että kaikki hiili hapettuu hiilimonoksidiksi, mutta hiilidioksidia ei
synny lainkaan. Oletetaan, että polttoilmassa hapen (O2) ja typen (N2) suhde
on ¼.
C(s) + ½ O2(g) = CO(g)
C(s) + O2(g) = CO2(g)
HR = -26 420 cal/mol
HR = -94 050 cal/mol
(T = 25 C)
(T = 25 C)
CP(CO(g)) = 6,8 + 1,010-3T - 0,11105T -2 cal/(Kmol)
CP(CO2(g)) = 10,55 + 2,1610-3T - 2,05105T -2 cal/(Kmol)
CP(N2(g)) = 6,5 + 1,010-3T cal/(Kmol)
Tehtävä, joilla voi korottaa kotitehtävän 2 pisteitä
36. Kaksi identtistä kuparista valukappaletta on sijoitettu eristävään koteloon.
Aluksi toisen valukappaleen lämpötila on 500 C ja toisen 300 C.
Kuumemmasta virtaa lämpöä kylmempään, kunnes molempien
valukappaleiden lämpötilat ovat yhtä suuria. Lämmönsiirtoa kotelon
seinämille ei huomioida. Onko tämä prosessi spontaani? Perustele vastauksesi
laskemalla.
CP(Cu) = 5,41 +1,5010-3T cal/(molK)
477401A - Termodynaamiset tasapainot (Syksy 2015)
http://www.oulu.fi/pyomet/477401a/
eetu.heikkinen@oulu.fi
Tehtävä, joilla voi korottaa kotitehtävän 3 pisteitä
37. Toisessa mikroluokkaharjoituksessa tarkasteltiin lämpötilan ja paineen
vaikutuksia rikkidioksidin (SO2) ja rikkitrioksidin (SO3) väliseen tasapainoon.
SO2-SO3-O2-systeemin tasapainotarkastelu voidaan luonnollisesti tehdä myös
käsinlaskien, vaikka se onkin huomattavasti hitaampaa kuin
laskentaohjelmistoja hyödyntäen.
Määritä tasapainossa vallitseva kaasukoostumus (esim. kaasukomponenttien
osapaineiden avulla ilmaistuna), kun 1 mol SO2 ja 0,5 mol O2 reagoivat
tasapainoon asti 750 C:een lämpötilassa ja 1 atm paineessa. Alkutilanteessa
rikkitrioksidia ei esiinny lainkaan eli kaikki tasapainotilassa oleva rikkitrioksidi
on peräisin rikkidioksidin ja hapen välisestä reaktiosta.
SO2(g) + ½ O2(g) = SO3(g)
G0R = -640 cal/mol (T = 750 C)
Mikä on kaasun tasapainokoostumus, mikäli yhden rikkitrioksidimoolin
annetaan asettua tasapainotilaansa samassa 750 C:een lämpötilassa?
Tehtävä, joilla voi korottaa kotitehtävän 4 pisteitä
38. Poltettu kalkki (CaO) on helposti hydratoituva aine. Toisin sanoen jo
pienet määrät ilmassa olevaa kosteutta (= vesihöyryä, H2O(g)) riittävät
aikaansaamaan reaktion, jossa poltettu kalkki reagoi kalsiumhydroksidiksi alla
esitetyn reaktion mukaisesti.
CaO(s) + H2O(g) = Ca(OH)2(s)
G0R = -66 360 J/mol (T = 25 C)
Laske, kuinka alhainen ilmankosteuden tulisi olla, jotta hydroksidin
muodostumista ei tapahtuisi huoneenlämpötilassa ja normaalissa
ilmanpaineessa. Voit ilmoittaa vastauksen esimerkiksi vesihöyryn
osapaineena.
Toisaalta kalkki reagoi varsin herkästi myös ilmassa olevan hiilidioksidin (CO2)
kanssa alla esitetyn reaktion mukaisesti.
CaO(s) + CO2(g) = CaCO3(s)
G0R = -130 423 J/mol (T = 25 C)
477401A - Termodynaamiset tasapainot (Syksy 2015)
http://www.oulu.fi/pyomet/477401a/
eetu.heikkinen@oulu.fi
Määritä, kuinka suuri saa ilman CO2-pitoisuus korkeintaan olla, jotta
kalsiumkarbonaattia (CaCO3) ei muodostuisi huoneenlämpötilassa ja
normaalissa ilmanpaineessa. Nytkin vastauksen voi esittää osapaineena.
Poltettu kalkki reagoi siis varsin herkästi sekä hydroksidiksi että karbonaatiksi.
Määritä esiintyykö kalsium hydroksidina vai karbonaattina, jos ilman
vesihöyryn osapaineeksi on mitattu 10-3 atm ja hiilidioksidin osapaineeksi
10-6 atm.
Ca(OH)2(s) + CO2(g) = CaCO3(s) + H2O(g)
G0R = -64 063 J/mol (T = 25 C)
Tehtävä, joilla voi korottaa kotitehtävän 5 pisteitä
39. Vastaa ohessa esitetyn MgO-CaO-systeemin tasapainopiirroksen pohjalta
seuraaviin kysymyksiin. Jos systeemin kokonaiskoostumus on 60 p-% CaO:a
(ja loput MgO:a) ja lämpötila on 2000 C, niin:
- montako faasia esiintyy tasapainotilassa?
- mikä on faasin koostumus/faasien koostumukset?
- Jos faaseja on useampia kuin yksi, niin missä suhteessa faaseja esiintyy?
- Jos tämän koostumuksen omaavaa materiaalia kuumennettaisiin, niin missä
lämpötilassa materiaali alkaisi sulaa?
477401A - Termodynaamiset tasapainot (Syksy 2015)
http://www.oulu.fi/pyomet/477401a/
eetu.heikkinen@oulu.fi
CaO - MgO
2900
Liquid
2700
2500
T(C)
MgO (ss)
2300
CaO (ss)
2100
1900
1700
1500
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
Mass fraction of MgO
Tehtäviä, joilla voi korottaa teoriaosion pisteitä
40. Mitä taulukkoarvoja tarvitset, jos haluat määrittää maksimilämpötilan,
joka voidaan saavuttaa polttamalla jotain tiettyä polttoainetta? Kuvaile lisäksi
lyhyesti, miten maksimilämpötila voidaan laskennallisesti määrittää.
41. Kerro, miksi entropia kasvaa (a) lämpötilan noustessa, (b) paineen
laskiessa ja (c) aineiden sekoittuessa.
42. Kerro, mitä vaiheita kaasutasapainon määrittäminen
(tasapainovakiomenetelmällä) pitää sisällään. Mitä taulukkoarvoja
laskennassa tarvitaan?
477401A - Termodynaamiset tasapainot (Syksy 2015)
http://www.oulu.fi/pyomet/477401a/
eetu.heikkinen@oulu.fi
Tehtäviä, joilla voi korottaa mikroluokkaharjoituksen pisteitä
43. Alla on esitetty kuvakaappaus HSC Chemistry -ohjelmiston
tietokantamoduulista (DB - H, S and CP Database) siten, että näytölle on
valittu yhden yhdisteen tiedot. Vastaa kuvakaappauksessa esitettyjen tietojen
pohjalta seuraaviin kysymyksiin:
- Mitä yhdistettä on tarkasteltu? Mikä on sen kemiallinen kaava ja nimi?
- Mitkä ovat ko. yhdisteen sulamis- ja kiehumispisteet?
- Mitkä ovat ko. yhdisteen stanardientalpian ja -entropian arvot?
- Mikä on ko. yhdisteen moolimassa?
- Löytyykö tietokannasta taulukkodataa ko. yhdisteen sulalle olomuodolle?
- Millä lämpötilavälillä/-alueella ko. yhdisteen lämpökapasiteetin voidaan
olettaa olevan vakio (ts. se ei muutu lämpötilan funktiona)?
- Onko ko. yhdisteen muodostuminen huoneenlämpötilassa alkuaineistaan
spontaani reaktio vai ei? Perustele vastauksesi.
- Onko ko. yhdisteen muodostumisreaktio huoneenlämpötilassa lämpöä sitova
vai vapauttava reaktio? Perustele vastauksesi.
477401A - Termodynaamiset tasapainot (Syksy 2015)
http://www.oulu.fi/pyomet/477401a/
eetu.heikkinen@oulu.fi
44. Alla on muistin virkistykseksi esitetty kaksi kuvakaappausta HSC
Chemistry -ohjelmiston tasapainonlaskentamoduulista (Gem - Equilibrium
compositions). Kerro kuvissa esitettyjä käyttöliittymiä hyödyntäen, miten
suorittaisit HSC-ohjelmistolla tasapainotarkastelun, jonka tavoitteena on
määrittää kaasun tasapainokoostumus lämpötilan funktiona (välillä 25 2000 C) systeemille, jossa metaanikaasua poltetaan stökiömetrisellä
määrällä ilmaa (21 % O2 ja 79 % N2) siten, että (mahdollisia) reaktiotuotteita
ovat hiilen, vedyn ja typen muodostamat kaasumaiset oksidit.