Лекции.Орг


Поиск:




Категории:

Астрономия
Биология
География
Другие языки
Интернет
Информатика
История
Культура
Литература
Логика
Математика
Медицина
Механика
Охрана труда
Педагогика
Политика
Право
Психология
Религия
Риторика
Социология
Спорт
Строительство
Технология
Транспорт
Физика
Философия
Финансы
Химия
Экология
Экономика
Электроника

 

 

 

 


Константа химического равновесия




 

Реакции, которые могут одновременно протекать в прямом и обратном направлениях, называются обратимыми. Состояние системы, когда скорость прямой реакции  равна скорости обратной реакции , называется химическим равновесием. Химическое равновесие имеет динамический характер, то есть за определенный промежуток времени в определенном объеме реакционного пространства по прямой реакции образуется столько продукта, сколько и разлагается его по обратной реакции.

Для гомогенной реакции, находящейся в состоянии равновесия,

а А + в В «d D + m M

будет выполняться соотношение

или ,

где , - константы скорости прямой и обратной реакций; [A], [B], [D], [M] – концентрации участников реакции, установившиеся к моменту равновесия, иначе равновесные концентрации. Из уравнения следует, что

.

Соотношение констант  при постоянной температуре является постоянной величиной для данной реакции и называется константа химического равновесия К. Таким образом, связь между константой равновесия и равновесными концентрациями будет отражаться формулой

.

Это уравнение является вариантом математической записи закона действующих масс для химического равновесия: при постоянной температуре отношение произведения равновесных концентраций продуктов реакции в степенях, равных стехиометрическим коэффициентам, к произведению равновесных концентраций исходных веществ в степенях, равных стехиометрическим коэффициентам, является величиной постоянной.

Если все участники реакции являются газообразными веществами, то вместо равновесных концентраций удобнее пользоваться равновесными парциальными давлениями компонентов Р А, Р В, Р Dи Р M, тогда закон действующих масс пример вид .

Для гетерогенных реакций закон действующих масс выполняется при условии, что в уравнения констант равновесия не входят равновесные концентрации (парциальные давления) твердых исходных веществ и продуктов реакции. Например, для гетерогенной реакции

Сграфит + 2Н2Огаз «СО2 + 2Н2

константа равновесия выражается уравнением

.

Константа химического равновесия зависит от природы реагирующих веществ и от температуры. Влияние температуры на К определяется знаком теплового эффекта реакции. Для эндотермической реакции (Q < 0) при повышении температуры константа равновесия увеличивается, и наоборот, для экзотермической реакции (Q > 0) при возрастании температуры К уменьшается. Строгую связь между температурой и константой равновесия реакции, протекающей при постоянном давлении, отражает уравнение изобары Вант-Гоффа

,

где ln К – натуральный логарифм константы равновесия; D Н – изменение энтальпии реакции; R – универсальная газовая постоянная; Т –абсолютная температура, К. Из уравнения видно, что при увеличении абсолютного значения энтальпии реакции и уменьшении температуры чувствительность К к изменению температуры повышается. Используя уравнение изобары Вант-Гоффа, можно вывести формулу для расчета среднего значения D Н реакции, если известны значения константы равновесия при двух температурах

,

где К 1, К 2 – константы равновесия реакции при температурах Т 1 и Т 2 соответственно.

 

Пример 1. В состоянии равновесия для реакции N2 + 3H2 «2NH3 концентрации участников реакции равны (моль/дм3): [N2] = 3; [H2] = 9; [NH3] = 4. Вычислите константу равновесия реакции и определите исходные концентрации азота и водорода, полагая, что до начала реакции аммиак в системе отсутствовал.

Р е ш е н и е

Данная реакция является гомогенной, поэтому константа равновесия равна

.

Из уравнения реакции следует, что для образования 4 моль продукта требуется × 4 = 2 моль азота и × 4 = 6 моль водорода. Следовательно, исходная концентрация азота составляет [N2]0 = 3 + 2 = 5 моль/дм3, а исходная концентрация водорода равна [H2]0 = 9 + 6 = 15 моль/дм3.

 

Пример 2. Константа равновесия реакции FeOтв + СО «Feтв + СО2 при некоторой температуре равна 0,5. Определите равновесные концентрации газов, если до начала реакции газовая смесь содержала 0,05 моль/дм3 СО и 0,01 моль/дм3 СО2.

 

Р е ш е н и е

Для данной гетерогенной реакции константа равновесия определяется выражением . Пусть к моменту равновесия в реакцию вступило х моль СО. Тогда, согласно уравнению реакции, образовалось столько же моль СО2. Следовательно, равновесные концентрации газов будут равны: [CO] = (0,05 – х) моль/дм3; [CO2] = (0,01 + х). Подставим эти концентрации в выражение для константы равновесия

 или .

Таким образом, [CO] = 0,05 – 0,01 = 0,04 моль/дм3;

                       [CO2] = 0,01 + 0,01 = 0,02 моль/дм3.

 

Пример 3. Константа равновесия реакции Н2 + I2 «2HI равна 64,8. Определите равновесные концентрации компонентов, если исходная смесь содержала 1,4 моль/дм3 водорода и 1,0 моль/дм3 йода.

 

Р е ш е н и е

Выражение для константы равновесия имеет вид

.

Пусть к моменту равновесия образовалось х моль HI. Тогда, согласно уравнению реакции, было израсходовано по х моль йода и водорода. Следовательно, можно составить уравнение

 или 15,2 х 2 – 77,76 х + 90,72 = 0.

Решение данного квадратного уравнения даст корни: х 1 = 3,32 моль/дм3;

х 2 = 1,8 моль/дм3. Первый корень не удовлетворяет условию задачи по физическому смыслу (концентрация HI не может быть больше, чем удвоенная концентрация йода или водорода, то есть 2 или 2,8 моль/дм3). Таким образом, используем второй корень уравнения. Равновесные концентрации компонентов равны (моль/дм3):

[HI] = 1,8; [H2] = 1,4 - 1,8 = 0,5; [I2] = 1,0 - 1,8 = 0,1.

 

Пример 4. Вычислите константу равновесия реакции 2СО «Ств + О2, если известны значения констант равновесия реакций:

1) СО2 «Ств + О2, К 1 = 1,8×10-21

2) 2СО2 «2СО + О2, К 2 = 2×10-5.

Р е ш е н и е

Запишем выражение для искомой константы равновесия . Равновесное парциальное давление СО выразим из константы равновесия второй реакции

, откуда  .

Тогда, . Соотношение равновесных парциальных давлений кислорода и оксида углерода (IV) найдем из выражения для константы равновесия первой реакции . Следовательно

.

 

Пример 5. Константа равновесия некоторой реакции при 298 К равна 12,3 дм3/моль, а при 350 К - 1,07 дм3/моль. Вычислите изменение энтальпии реакции в данном интервале температур.

Р е ш е н и е

Используем уравнение изобары Вант-Гоффа

Дж/моль.

 

З а д а ч и

1. Константа равновесия реакции Н2 + I2 «2HI при 445 °С равна 50. Сколько моль водорода необходимо взять на 1 моль йода, чтобы 80 % последнего превратить в йодоводород?

2. Исходные концентрации азота и водорода в реакционной смеси для получения аммиака составляли 4 и 10 моль/дм3 соответственно. Вычислите равновесные концентрации компонентов в смеси, если к моменту наступления равновесия прореагировало 50 % азота.

3. Обратимая реакция протекает по уравнению А + В «С + D. Исходная концентрация каждого из веществ в смеси составляет 1 моль/дм3. После установления равновесия концентрация компонента С равна 1,5 моль/дм3. Вычислите константу равновесия реакции.

4. Определите исходные концентрации NO и O2 и константу равновесия обратимой реакции 2NO + О2 «2NO2, если равновесие установилось при следующих концентрациях реагирующих веществ (моль/дм3): [NO2] = 0,12; [NO] = 0,48; [O2] = 0,24.

5. Исходные концентрации СО и паров воды равны 0,08 моль/дм3. Вычислите константу равновесия реакции СО + Н2Огаз «СО2 + Н2, если равновесная концентрация СО2 оказалась равной 0,05 моль/дм3.

6. При некоторой температуре константа равновесия термической диссоциации N2O4 «2NO2 равна 0,26. Равновесная концентрация NO2 равна 0,28 моль/дм3. Вычислите начальную концентрацию N2O4 и массовую долю этого вещества, прореагировавшую к моменту установления равновесия.

7. Вычислите константу равновесия реакции Н2 + I2 «2HI, если до начала реакции в сосуде объемом 5 л содержалось 1 моль водорода и 2 моль йода, а к моменту равновесия образовалось 35 г HI.

8. В состоянии равновесия системы СО2 + Н2 «СО + Н2Огаз реакционная смесь имела состав (% объемн.): СО2 – 22; Н2 – 41; СО – 17; Н2О – 20. Вычислите константу равновесия, если общее давление в системе равно 98501 Па.

9. Для реакции синтеза аммиака из азота и водорода при 500 К константа равновесия, выраженная через парциальные давления компонентов равна 5,34×10-8 Па-2. Определите равновесное парциальное давление аммиака, если парциальное давление азота и водорода в состоянии равновесия равно 65717 и 20380 Па соответственно.

10. Вычислите константу равновесия реакции PCl5 «PCl3 + Cl2, если к моменту равновесия прореагировало 54 % пентахлорида фосфора, а его исходная концентрация составляла 1 моль/дм3.

11. При нагревании протекает обратимая реакция SO2Cl2 «SO2 + Cl2. Из 1 моль вещества SO2Cl2, находящегося в закрытом сосуде объемом 20 дм3, разлагается 0,5 моль. Определите константу равновесия данной реакции.

12. При нагревании диоксида азота в закрытом сосуде до некоторой температуры равновесие реакции 2NO2 «2NO + O2 установилось при концентрациях компонентов (моль/дм3): диоксида азота – 0,8; оксида азота – 2,2; кислорода – 1,1. Вычислите константу равновесия и исходную концентрацию NO2.

13. В замкнутом сосуде протекает гомогенная реакция АВ «А + В. Константа равновесия процесса равна 0,04. Равновесная концентрация В составляет 0,02 моль/дм3. Вычислите начальную концентрацию вещества АВ и определите, сколько процентов АВ разложилось к моменту наступления равновесия.

14. Для гомогенной газовой реакции Н2 + Br2 «2HBr при некоторой температуре константа равновесия равна 1. Определите равновесный состав реакционной смеси в объемных %, если исходная смесь состояла из 3 моль водорода и 2 моль брома.

15. Для реакции ZnOтв + СО «Znтв + СО2 равновесные концентрации СО и СО2 одинаковы и равны 1 моль/дм3. Вычислите константу равновесия и определите начальную концентрацию СО в системе.

16. Равновесие гомогенной системы 4HCl + O2 «2H2O + 2Cl2 установилось при следующих концентрациях (моль/дм3): Н2О – 0,14; Cl2 – 0,14; HCl – 0,20; О2 – 0,32. Вычислите исходные концентрации хлороводорода и кислорода.

17. При 400 К константа равновесия реакции синтеза аммиака из азота и водорода равна 0,1×10-10 Па-2. Изменение энтальпии реакции равно –100 . Вычислите константу равновесия данной реакции при 345 К.

18. Выразите константу равновесия реакции СО2 + Ств «2СО, используя константы равновесия реакций:

1) Ств + О2 «СО2, К 1; 2) 2СО + О2 = 2СО2, К 2.

19. Константа равновесия реакции 4HCl + O2 «2H2O + 2Cl2 составляет 0,0562, а для реакции Н2О «Н2 + О2 равна 2,5×10-6. Вычислите константу равновесия реакции Н2 + Cl2 «2HCl.

20. Вычислите D Н реакции Feтв + Н2Огаз «FeОтв + Н2, если при температурах 1298 К и 1173 К константы равновесия реакции равны 1,28 и 1,45 соответственно.

21. Исходные концентрации NO и Cl2 в гомогенной системе

2NO + Cl2 «2NOCl

составляют соответственно 0,5 и 0,2 моль/дм3. Вычислите константу равновесия, если к моменту равновесия прореагировало 20 % NO.

22. Выразите константу равновесия реакции Sтв + О2 «SO2 через константы равновесия реакций:

1) SO2 «Sтв + 2О, К 1; 2) О2 «2О, К 2.

23. Константа равновесия реакции MgCO3 «MgO + CO2 при 823 К равна 0,983 атм., а при 843 К равна 1,763 атм. Вычислите изменение энтальпии данной реакции в указанном интервале температур.

24. Вычислите константу равновесия реакции Н2 + I2 «2HI, если до начала реакции в сосуде объемом 5 л содержалось 2 г водорода и 254 г йода, а к моменту равновесия образовалось 0,4 моль HI.

25. Для реакции ZnOтв + СО «Znтв + СО2 равновесные концентрации СО и СО2 равны 0,5 и 0,2 моль/дм3 соответственно. Вычислите константу равновесия и определите начальную концентрацию СО в системе.

 

 





Поделиться с друзьями:


Дата добавления: 2018-10-14; Мы поможем в написании ваших работ!; просмотров: 1746 | Нарушение авторских прав


Поиск на сайте:

Лучшие изречения:

Самообман может довести до саморазрушения. © Неизвестно
==> читать все изречения...

2487 - | 2329 -


© 2015-2024 lektsii.org - Контакты - Последнее добавление

Ген: 0.007 с.