Кейс: при нагревании карбоната кальция в лаборатории наблюдается выделение газа и образование оксида кальция; объясните термохимию этой реакции, влияние давления и присутствия примесей на температуру разложения
Кейс: при нагревании карбоната кальция в лаборатории наблюдается выделение газа и образование оксида кальция; объясните термохимию этой реакции, влияние давления и присутствия примесей на температуру разложения
Похожие вопросы
Не можешь разобраться в этой теме?
Обратись за помощью к экспертам
Гарантированные бесплатные доработки в течение 1 года
Быстрое выполнение от 2 часов
Проверка работы на плагиат
Поможем написать учебную работу
CaCO3(s)⇌CaO(s)+CO2(g) \mathrm{CaCO_3(s)} \rightleftharpoons \mathrm{CaO(s)} + \mathrm{CO_2(g)}
CaCO3 (s)⇌CaO(s)+CO2 (g)
Термохимия
- Процесс эндотермичен: стандартная энтальпия разложения приблизительно ΔH∘≈+1.78×105 J mol−1\Delta H^\circ \approx +1.78\times10^5\ \mathrm{J\ mol^{-1}}ΔH∘≈+1.78×105 J mol−1. Рост энтропии за счёт образования газа даёт положительную ΔS∘\Delta S^\circΔS∘ (порядка ∼160 J mol−1K−1\sim 160\ \mathrm{J\ mol^{-1}K^{-1}}∼160 J mol−1K−1).
- Условие равновесия (ΔG=0\Delta G=0ΔG=0) для реакции с газообразным продуктом:
ΔG∘−RTlnpCO2=0⇒lnpCO2=−ΔH∘RT+ΔS∘R. \Delta G^\circ - RT\ln p_{\mathrm{CO_2}}=0 \quad\Rightarrow\quad \ln p_{\mathrm{CO_2}}=-\frac{\Delta H^\circ}{RT}+\frac{\Delta S^\circ}{R}.
ΔG∘−RTlnpCO2 =0⇒lnpCO2 =−RTΔH∘ +RΔS∘ . Это эквивалент уравнению Клаузиуса–Клапейрона (линейно в координатах lnp\ln plnp против 1/T1/T1/T).
Влияние давления (парциального давления CO2)
- При повышении парциального давления CO2\mathrm{CO_2}CO2 равновесие смещается влево (по Лё Шателье) — температура разложения растёт. При пониженном pCO2p_{\mathrm{CO_2}}pCO2 разложение происходит при более низкой температуре.
- Можно выразить требуемую температуру при заданном pCO2p_{\mathrm{CO_2}}pCO2 :
T=ΔH∘ΔS∘−RlnpCO2. T=\frac{\Delta H^\circ}{\Delta S^\circ - R\ln p_{\mathrm{CO_2}}}.
T=ΔS∘−RlnpCO2 ΔH∘ . - Примеры (на основании указанных ΔH∘,ΔS∘\Delta H^\circ,\Delta S^\circΔH∘,ΔS∘):
- при pCO2=1 barp_{\mathrm{CO_2}}=1\ \mathrm{bar}pCO2 =1 bar: T≈1.78×105160≈1110 K≈837∘CT\approx\frac{1.78\times10^5}{160}\approx 1110\ \mathrm{K}\approx 837^\circ\mathrm{C}T≈1601.78×105 ≈1110 K≈837∘C;
- при pCO2=10−2 barp_{\mathrm{CO_2}}=10^{-2}\ \mathrm{bar}pCO2 =10−2 bar: T≈897 K≈624∘CT\approx 897\ \mathrm{K}\approx 624^\circ\mathrm{C}T≈897 K≈624∘C;
- при атмосферной концентрации CO2 в воздухе (∼4×10−4 bar\sim 4\times10^{-4}\ \mathrm{bar}∼4×10−4 bar): T≈791 K≈518∘CT\approx 791\ \mathrm{K}\approx 518^\circ\mathrm{C}T≈791 K≈518∘C.
(Цифры ориентировочные; точные значения зависят от фазовой модификации и условий.)
Влияние примесей и структурных факторов
- Химические примеси в материале могут менять стабильность карбоната: ионы, замещающие Ca (Mg, Sr и пр.), или присутствие силикатов/алюминатов изменяют энергию решётки и могут повысить или понизить температуру разложения.
- Флюсы (щелочные карбонаты, силикаты) могут давать эвтектики/расплавы, облегчая дегазацию и снижая T разложения.
- Органические примеси или гидроксиды при нагреве дают CO2/H2O и могут создавать локальное изменение парциального давления газов, влияя на наблюдаемую температуру.
- Микроструктура: меньшие частицы, дефекты, пористость увеличивают скорость выхода CO2 и снижают кинетический барьер; плотные образцы с плохой диффузией CO2 требуют более высокой температуры для видимого разложения.
- Некоторые добавки (катализаторы или стабилизаторы) изменяют кинетику (активационную энергию) без сильного изменения термодинамики.
Короткое резюме
- Разложение CaCO3\mathrm{CaCO_3}CaCO3 — эндотермическое, управляется равновесием между твёрдой фазой и парциальным давлением CO2\mathrm{CO_2}CO2 : чем выше pCO2p_{\mathrm{CO_2}}pCO2 , тем выше должна быть температура для разложения.
- Примеси, структура и условия отвода газов влияют главным образом на кинетику и локальное pCO2p_{\mathrm{CO_2}}pCO2 , а через это — на фактическую температуру начала разложения.