Применение константы равновесия

Знание константы равновесия может помочь решить следующие проблемы:

· определить, какая реакция (прямая или обратная) будет протекать самопроизвольно в системе до достижения ею равновесия;

· рассчитать равновесные и исходные концентрации реагентов и продуктов реакции.

Для решения первой задачи в выражение для константы равновесия надо подставить реальные концентрации веществ в данный момент времени в неравновесной смеси и рассчитать величину, обозначаемую П_с, — стехиометрическое соотношение реальных или текущих концентраций.

                                                  (6)

По мере приближения системы к состоянию равновесия величина П _C стремится к К_С и в момент достижения равновесия становится ей равной.

Если соотношение реальных концентраций (П _C) меньше К_C,это означает, что числитель в уравнении (6) должен увеличиваться за счет уменьшения знаменателя, и самопроизвольно будет протекать прямая реакция.

Если же значение П _C больше К_C, это означает, что знаменатель в уравнении (6) должен увеличиваться за счет уменьшения числителя, и самопроизвольно будет протекать обратная реакция.

Таким образом, при простом сопоставлении величин П _C и К_C можно предсказать, в каком направлении осуществляется реакция при определенных условиях, а именно:

а) П _C меньше К_C — протекает прямая реакция;

б) П _C больше К_C — протекает обратная реакция;

в) П _C равно К_C — реакция находится в состоянии равновесия.

Для нахождения равновесных концентраций рассчитаем величину П _C и сравним ее с известным значением К_C.

Если П _C < К _C, следует записать выражение для К_C с учетом стехиометрии и того, что концентрации реагентов будут уменьшаться на какое-то число (пх), а продуктов — увеличиваться.

Решение уравнения относительно х позволит найти равновесные концентрации.

аА + bВ D сС + dD

Исходная концентрация            С_А          С_В          С_С       C_D

Изменение концентрации         - ax          - b х         +сх      +dx

Концентрация при равновесии  С_А – ах  С_В – bx  С_С + сх     C_D + dx

 

Если П_С > К_С, следует записать выражение для константы равновесия К_С с учетом того, что концентрации продуктов будут уменьшаться на некоторое число (пх), а концентрации реагентов — увеличиваться в соответствии со стехиометрическими коэффициентами в уравнении реакции. Решение уравнения относительно х позволит рассчитать равновесные концентрации.

аА + bВ D сС + dD

Исходная концентрация            С_А          С_В          С_С       C_D

Изменение концентрации         + ax         + b х       -сх       -dx

Концентрация при равновесии  С_А + ах  С_В + bx  С_С – сх     C_D – dx

 

Пример. Исходные концентрации СО, Н₂O, СO₂ и Н₂ в газовой смеси составляли 0,8, 0,8, 1,4 и 1,0 моль/л соответственно. Определите направление процесса и рассчитайте равновесные концентрации веществ при некоторой температуре, если К_С при этом равна единице.

СО(_г) + Н₂О_(г) D СО_2(г) + Н_2(г)

Прежде всего необходимо определить направление, в котором будет протекать процесс. Для этого необходимо рассчитать П_С — величину, получаемую при подстановке реальных концентраций участников реакции в выражение константы равновесия

В нашем случае П_С = 2,2, т.е. П_С > К_С, поэтому для достижения химического равновесия часть продуктов реакции должна превратиться в исходные вещества. Если концентрация каждого из продуктов реакции при этом уменьшилась на х моль/л, то согласно стехиометрическим коэффициентам концентрации исходных веществ должны увеличиться на ту же величину. Тогда

откуда х = 0,06.

Равновесные концентрации СО, Н₂O, СO₂ и Н₂ будут равны 0,86, 0,86, 1,34 и 0,94моль/л соответственно.