Химическая адсорбция (хемосорбция). Запишите выражение для константы химического равновесия гетерогенной химической реакции H2 (г) + I2 (к) → 2HI (г)

Задача 1

Запишите выражение для константы химического равновесия гетерогенной химической реакции H₂ (г) + I₂ (к) → 2HI (г).

В каком направлении сместится равновесие данной химической реакции при увеличении общего давления в пять раз?

Решение.

Константу гетерогенного химического равновесия можно записать через отношение равновесных концентраций или равновесных относительных парциальных давлений газообразных реагентов:

K_С = [ HI ]² / [ H₂ ], K_P = p _HI ² / p _H2

При увеличении общего давления в пять раз парциальные давления газообразных реагентов водорода и иодида водорода увеличатся в пять раз. Скорость прямой реакции при этом увеличится в пять раз, а скорость обратной реакции увеличится в 25 раз. Следовательно, равновесие в данной гетерогенной реакции сместится влево, количество получаемого продукта иодида водорода уменьшится в пять раз.

 

Задача 2

Рассчитайте константу гетерогенного химического равновесия для реакции H_2(г) + I_2(к)→ 2HI_(г), если реакция протекает при 400 К и стандартном состоянии реагентов.

Решение.

Рассчитаем термодинамические характеристики реакции по закону Гесса, используя табличные данные реагентов при 298 К и стандартном состоянии веществ.

D H⁰_{f, 298}, кДж / моль S⁰_{f, 2 98}, Дж / моль.КD G⁰_{f, 2 98}, кДж / моль

H_{2, (Г)} 0 130,58 0

I_{2, (К)} 0 116,73 0

HI_{, (Г)} 29,94 206,3 1,3

Энтальпия химической реакции D H⁰ ₂₉₈=2 ^. 29,94 – 0 – 0 = + 59,88 кДж/ моль > 0, процесс эндотермический.

Энтропия химической реакции D S⁰ ₂₉₈= 2 ^. 206,3 - 130,88 - 116,73 = + 165,29 Дж/ моль ^.К.

Энергия Гиббса химической реакции D G⁰ ₂₉₈= 2 ^. 1,3 – 0 – 0 = +2,6 кДж / моль > 0 - реакция при стандартных состояниях реагентов и 298 К протекает самопроизвольно в обратном направлении.

Энергия Гиббса химической реакции при стандартном состоянии реагентов и 400 К: D G⁰ _Т = D H⁰ ₂₉₈ - Т D S⁰ ₂₉₈

D G⁰ ₄₀₀ = 59,88 – 400 ^. 165,29 ^. 10 ^-3 = - 6,24 кДж / моль < 0 - при стандартном состоянии реагентов и 400 К процесс протекает самопроизвольно в прямом направлении.

Константа равновесия гетерогенного процесса: K_P = exp [– D G ⁰ /(RT) ] = exp -[(–6,24^. 10 ^–3 )/(8,31 ^. 400) ] = 6,5;

К_Р 6,5

К_C = ¾¾¾¾= ¾¾¾¾¾¾ = 0,2.

(RT) ^Dn 0,082 ^. 400

Задача 3

Для гетерогенной химической реакции H_2(г) + I_2(к)→ 2HI_(г) рассчитайте значения равновесных концентраций реагентов, если исходная концентрация водорода составляла 1 моль /л, К_С = 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.

Запишем константу гетерогенного химического равновесия через равновесные концентрации газообразных реагентов [HI ] ² (2 x)²

K_С = ¾¾¾¾ = ¾¾¾¾ = 0,2

[H₂]1 - x

 

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. Равновесные концентрации газообразных реагентов гетерогенной химической реакции составляют:

С_{Н2 равн.} = (1- x) = 1- 0,2 = 0,8 моль /л, С_{НI равн.} = 2 x = 2 ^. 0,2 = 0,4 моль /л

Задача 4

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_oН2 = 40 моль/м³, а равновесные концентрации С_{Н2 равн.} = 10 моль/м³, С_{НI равн.} = 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.

 

Для расчетов фазовых равновесий в однокомпонентных системах используют уравнение Клапейрона-Клаузиса:

После интегрирования:

для процесса плавления

для процессов испарения и сублимации