П 7. Химическое равновесие.




Расчет константы химического равновесия. Расчет равновесных концентраций, равновесных парциальных давлений реагентов. Составление таблицы материального баланса.

Пример 1. Запишите выражения для Кс и Кр и рассчитайте ихзначения для реакции

С(к) + СО2(г) = 2СО(г)

при 298 К и 1000 К. Сделайте качественные выводы по полученным значениям о выходе продукта реакции при данных температурах и о влиянии температуры на величину константы равновесия.

Решение. Запишем выражения для констант равновесия данной реакции, принимая во внимание, что реакция гетерогенная и вещество графит С(к) находится в твердом состоянии:

Кр = ; Кс = .

Используя табличные данные термодинамических функций состояния веществ (приложение 2 [1]), рассчитаем энтальпию и энтропию заданной реакции (см. пример 2, П5 и пример 1, П6); в результате получим:

rН 0298 = 172,5 кДж, ∆ rS 0298 = 175,66 Дж/К.

Для расчета энергии Гиббса применим приближенную формулу:

rG 0 Т = ∆ rH 0298TrS 0298.

В результате получим:

rG 0298 = 172,5 – 298 · 175,66·10−3 = 120,15 кДж, то есть ∆ rG 0298> 0;

rG 01000 = 172,5 – 1000 · 175,66 · 10−3 = −3,16 кДж, то есть ∆ rG 01000 < 0.

По уравнению: KP = exp ()

рассчитаем Кр при 298 К и 1000 К:

Кр 298= exp(−120·103/8,31·298)= = ехр(−48,5) << 1;

Kp 1000 = exp(+316/8,31 · 1000) = ехр(0,038) = 1,039.

По формуле

находим: Кс, 1000 = = 1,039/0,082·1000 = 0,013, так как ∆ν = 2 − 1 = 1.

По полученным данным можно сделать вывод, что при 298 К константа равновесия Кр стремится к нулю, что говорит о том, что в равновесной смеси практически отсутствуют продукты реакции и равновесие реакции сильно смещено в сторону исходных веществ. С ростом температуры величина константы равновесия возрастает (реакция эндотермическая) и при 1000 К

Кр уже больше 1, то есть в равновесной смеси начинают преобладать продукты реакции, их выход растет с ростом температуры.

Пример 2. Определите температуру, при которой в реакции

СаСО3(к) = = СаО(к) + СО2(г)

равновесное парциальное давление СО2 р СО2 = 104 Па.

Решение. Для данной гетерогенной реакции запишем выражение для константы равновесия: Кр = р СО2, то есть константа равновесия равна относительному парциальному давлению СО2 при данной температуре. Для искомой температуры Кр = р СО2 = 104/105 = 0,1.

Используя табличные данные термодинамических функций состояния веществ (приложение 2 [1]); получаем

rH 0298 = 178,1 кДж; ∆ rS 0298 = 160,5 Дж.

Пренебрегая зависимостью ∆ rH 0 и ∆ rS 0 от температуры, воспользуемся формулами

rG 0 Т = ∆ rH 0298TrS 0298и ∆ rG 0 Т = − RT ln Кр.

Приравняем друг другу два выражения для ∆ rG 0 Т:

rG 0 Т = ∆ rH 0298TrS 0298 = = − RT ln Кр, в результате расчета имеем:

rG 0 Т = = 178,1∙103Т 160,5 = −8,31 . Т ln0,1.

Решая полученное уравнение относительно Т, находим Т = 991 К.

Пример 3. Зная исходные и равновесные концентрации газообразных реагентов гетерогенного химического процесса, определите изменение общего давления в реакторе к моменту установления равновесия в системе

H2 (г) + I2 (к) → 2HI (г)

если исходная концентрация: с Н2 = 40 моль/м3, а равновесные концентрации: [H2] = 10 моль/м3; [HI ] = 60 моль/м3.

Решение. В исходной гетерогенной системе присутствовало одно газообразное вещество – водород, поэтому общее давление в системе определялось только парциальным давлением водорода. Используя основной газовый закон

p = cRT,

определим исходное парциальное давление водорода, равное общему давлению в исходной системе:

p общ = р Н2 = 40 .8,31 . 400 = 133 кПа.

В равновесной гетерогенной системе присутствуют два газа: водород и иодид водорода. Используя основной газовый закон, по известным равновесным концентрациям определим равновесные парциальные давления газов:

р Н2 = 10 .8,31 . 400 = 33,3 кПа,

р НI = 60 .8,31 . 400 = 199,7 кПа.

Общее давление в равновесной гетерогенной системе определяется суммой равновесных парциальных давлений входящих в нее газов и составляет:

p общ = р Н2 + р НI = 33,3 + 199,7 = 233 кПа.

Пример 4. Для гетерогенной химической реакции

H2 (г) + I2 (к) → 2HI (г)

рассчитайте значения равновесных концентраций реагентов, если исходная концентрация водорода составляла 1 моль / л, KС = 0,2.

Решение. Пусть к моменту равновесия прореагировало x моль / л водорода. Тогда, согласно стехиометрическим коэффициентам уравнения химической реакции, образовалось 2 x моль / л иодида водорода, концентрация твердого реагента не изменилась.

Составим таблицу материального баланса:

Компонент H2 (г) I2 (к) HI (г)
исходная концентрация с 0, моль/л   -  
прореагировало ∆с, моль/л x - 2 x
равновесная концентрация с равн, моль/л 1 − x - 2 x

Запишем константу гетерогенного химического равновесия через равновесные концентрации газообразных реагентов

= 0,2

и, решая квадратное уравнение, рассчитаем количество прореагировавшего водорода (x моль / л): x 1 = 0,2; x 2= - 0,25. Отрицательное значение x не подходит по смыслу. Следовательно, расновесные концентрации газообразных реагентов гетерогенной химической реакции составляют:

[H2] = (1- x) = 1- 0,2 = 0,8 моль /л,

[HI ] = 2 x = 2 . 0,2 = 0,4 моль /л.



Поделиться:




Поиск по сайту

©2015-2024 poisk-ru.ru
Все права принадлежать их авторам. Данный сайт не претендует на авторства, а предоставляет бесплатное использование.
Дата создания страницы: 2017-10-25 Нарушение авторских прав и Нарушение персональных данных


Поиск по сайту: