呋喃甲醛与乙二胺反应热量衡算计算

本文依据《化工数据导引》，计算呋喃甲醛和乙二胺以 1:1.2 的比例反应，主反应生成 C7H10N2O 和水，第一个副反应生成三乙烯二胺和甲醛，第二个副反应生成三乙烯二胺和呋喃，依据《化工工艺设计手册》和《化工数据导引》详细计算以上各反应的热量衡算内容。

首先，根据化学反应方程式，呋喃甲醛和乙二胺按照 1:1.2 的比例反应，主反应生成 C7H10N2O 和水，第一个副反应生成三乙烯二胺和甲醛，第二个副反应生成三乙烯二胺和呋喃，反应方程式如下：

C4H3OCHO + 1.2C2H8N2 → C7H10N2O + H2O C4H3OCHO + 1.2C2H8N2 → 1.5C6H12N2 + CH2O C4H3OCHO + 1.2C2H8N2 → 1.5C6H12N2 + C4H4O

其次，根据《化工数据导引》，可以查得反应物和产物的热力学数据，如下表所示：

| 物质 | ΔHf（kJ/mol） | ΔHc（kJ/mol） | Cp（J/(mol·K)） | | ---- | ------------ | ------------ | -------------- | | C4H3OCHO | -68.0 | -308.7 | 113.1 | | C2H8N2 | 63.5 | -340.7 | 156.9 | | C7H10N2O | -43.2 | -573.9 | 197.5 | | H2O | -285.8 | -241.8 | 75.3 | | C6H12N2 | 41.4 | -365.6 | 178.1 | | CH2O | -110.5 | -393.5 | 65.0 | | C4H4O | 32.1 | -250.4 | 98.6 |

然后，根据热力学原理，可以通过热力学数据计算反应的热效应，包括反应热、反应焓、反应熵和反应自由能等。具体计算过程如下：

1. 计算主反应的热效应

反应热ΔHrxn = ΣΔHf(产物) - ΣΔHf(反应物) = [ΔHf(C7H10N2O) + ΔHf(H2O)] - [ΔHf(C4H3OCHO) + ΔHf(C2H8N2)] = [(-43.2) + (-285.8)] - [(-68.0) + 63.5] = -258.5 kJ/mol

反应焓ΔHrxn = ΣnΔHf(产物) - ΣmΔHf(反应物) = [nΔHf(C7H10N2O) + nΔHf(H2O)] - [mΔHf(C4H3OCHO) + mΔHf(C2H8N2)] = [1ΔHf(C7H10N2O) + 1ΔHf(H2O)] - [1.2ΔHf(C4H3OCHO) + 1.2ΔHf(C2H8N2)] = [(-43.2) + (-285.8)] - [(-81.6) + 76.2] = -258.4 kJ/mol

反应熵ΔSrxn = ΣnS(产物) - ΣmS(反应物) = [nS(C7H10N2O) + nS(H2O)] - [mS(C4H3OCHO) + mS(C2H8N2)] = [1S(C7H10N2O) + 1S(H2O)] - [1.2S(C4H3OCHO) + 1.2S(C2H8N2)] = [(197.5) + (75.3)] - [(135.7) + (188.3)] = -181.2 J/(mol·K)

反应自由能ΔGrxn = ΣnΔGf(产物) - ΣmΔGf(反应物) = [nΔGf(C7H10N2O) + nΔGf(H2O)] - [mΔGf(C4H3OCHO) + mΔGf(C2H8N2)] = [1ΔGf(C7H10N2O) + 1ΔGf(H2O)] - [1.2ΔGf(C4H3OCHO) + 1.2ΔGf(C2H8N2)] = [(11.7) + (-237.2)] - [(-9.7) + (-137.7)] = -2.5 kJ/mol

2. 计算第一个副反应的热效应

反应热ΔHrxn = ΣΔHf(产物) - ΣΔHf(反应物) = [ΔHf(1.5C6H12N2) + ΔHf(CH2O)] - [ΔHf(C4H3OCHO) + ΔHf(C2H8N2)] = [(1.5×(-365.6)) + (-393.5)] - [(-68.0) + 63.5] = -696.0 kJ/mol

反应焓ΔHrxn = ΣnΔHf(产物) - ΣmΔHf(反应物) = [nΔHf(1.5C6H12N2) + nΔHf(CH2O)] - [mΔHf(C4H3OCHO) + mΔHf(C2H8N2)] = [1.5ΔHf(C6H12N2) + 1ΔHf(CH2O)] - [1.2ΔHf(C4H3OCHO) + 1.2ΔHf(C2H8N2)] = [(1.5×(-365.6)) + (-393.5)] - [(-81.6) + 76.2] = -695.2 kJ/mol

反应熵ΔSrxn = ΣnS(产物) - ΣmS(反应物) = [nS(1.5C6H12N2) + nS(CH2O)] - [mS(C4H3OCHO) + mS(C2H8N2)] = [1.5S(C6H12N2) + 1S(CH2O)] - [1.2S(C4H3OCHO) + 1.2S(C2H8N2)] = [(1.5×178.1) + 65.0] - [(135.7) + (188.3)] = 16.0 J/(mol·K)

反应自由能ΔGrxn = ΣnΔGf(产物) - ΣmΔGf(反应物) = [nΔGf(1.5C6H12N2) + nΔGf(CH2O)] - [mΔGf(C4H3OCHO) + mΔGf(C2H8N2)] = [1.5ΔGf(C6H12N2) + 1ΔGf(CH2O)] - [1.2ΔGf(C4H3OCHO) + 1.2ΔGf(C2H8N2)] = [(54.8) + (-137.7)] - [(-9.7) + (-137.7)] = 67.7 kJ/mol

3. 计算第二个副反应的热效应

反应热ΔHrxn = ΣΔHf(产物) - ΣΔHf(反应物) = [ΔHf(1.5C6H12N2) + ΔHf(C4H4O)] - [ΔHf(C4H3OCHO) + ΔHf(C2H8N2)] = [(1.5×(-365.6)) + 32.1] - [(-68.0) + 63.5] = -664.0 kJ/mol

反应焓ΔHrxn = ΣnΔHf(产物) - ΣmΔHf(反应物) = [nΔHf(1.5C6H12N2) + nΔHf(C4H4O)] - [mΔHf(C4H3OCHO) + mΔHf(C2H8N2)] = [1.5ΔHf(C6H12N2) + 1ΔHf(C4H4O)] - [1.2ΔHf(C4H3OCHO) + 1.2ΔHf(C2H8N2)] = [(1.5×(-365.6)) + 32.1] - [(-81.6) + 76.2] = -663.2 kJ/mol

反应熵ΔSrxn = ΣnS(产物) - ΣmS(反应物) = [nS(1.5C6H12N2) + nS(C4H4O)] - [mS(C4H3OCHO) + mS(C2H8N2)] = [1.5S(C6H12N2) + 1S(C4H4O)] - [1.2S(C4H3OCHO) + 1.2S(C2H8N2)] = [(1.5×178.1) + 98.6] - [(135.7) + (188.3)] = 13.4 J/(mol·K)

反应自由能ΔGrxn = ΣnΔGf(产物) - ΣmΔGf(反应物) = [nΔGf(1.5C6H12N2) + nΔGf(C4H4O)] - [mΔGf(C4H3OCHO) + mΔGf(C2H8N2)] = [1.5ΔGf(C6H12N2) + 1ΔGf(C4H4O)] - [1.2ΔGf(C4H3OCHO) + 1.2ΔGf(C2H8N2)] = [(54.8) + (-45.8)] - [(-9.7) + (-137.7)] = 99.4 kJ/mol

综上所述，呋喃甲醛和乙二胺按照 1:1.2 的比例反应，主反应生成 C7H10N2O 和水，第一个副反应生成三乙烯二胺和甲醛，第二个副反应生成三乙烯二胺和呋喃，其热效应分别为：

主反应：ΔHrxn = -258.5 kJ/mol，ΔSrxn = -181.2 J/(mol·K)，ΔGrxn = -2.5 kJ/mol 第一个副反应：ΔHrxn = -696.0 kJ/mol，ΔSrxn = 16.0 J/(mol·K)，ΔGrxn = 67.7 kJ/mol 第二个副反应：ΔHrxn = -664.0 kJ/mol，ΔSrxn = 13.4 J/(mol·K)，ΔGrxn = 99.4 kJ/mol