АвтоАвтоматизацияАрхитектураАстрономияАудитБиологияБухгалтерияВоенное делоГенетикаГеографияГеологияГосударствоДомДругоеЖурналистика и СМИИзобретательствоИностранные языкиИнформатикаИскусствоИсторияКомпьютерыКулинарияКультураЛексикологияЛитератураЛогикаМаркетингМатематикаМашиностроениеМедицинаМенеджментМеталлы и СваркаМеханикаМузыкаНаселениеОбразованиеОхрана безопасности жизниОхрана ТрудаПедагогикаПолитикаПравоПриборостроениеПрограммированиеПроизводствоПромышленностьПсихологияРадиоРегилияСвязьСоциологияСпортСтандартизацияСтроительствоТехнологииТорговляТуризмФизикаФизиологияФилософияФинансыХимияХозяйствоЦеннообразованиеЧерчениеЭкологияЭконометрикаЭкономикаЭлектроникаЮриспунденкция

I. ХИМИЧЕСКОЕ РАВНОВЕСИЕ

Читайте также:
  1. IV. ХИМИЧЕСКОЕ РАВНОВЕСИЕ
  2. V. Цена экономического продукта. Спрос. Предложение. Рыночное равновесие.
  3. Бюджетное ограничение и оптимальное равновесие потребителя.
  4. Бюджетные ограничения потребителя. Равновесие потребителя. Эффект замещения и дохода
  5. БЮДЖЕТНЫЕ ОГРАНИЧЕНИЯ ПОТРЕБИТЕЛЯ. РАВНОВЕСИЕ ПОТРЕБИТЕЛЯ. ЭФФЕКТ ЗАМЕЩЕНИЯ И ЭФФЕКТ ДОХОДА
  6. ВВЕДЕНИЕ В ТИБЕТСКУЮ МЕДИЦИНУ: ЗДОРОВЬЕ И РАВНОВЕСИЕ
  7. Взаимодействие S и D.Рыночное равновесие.
  8. Взаимодействие совокупного спроса и совокупного предложения. Макроэкономическое равновесие. Изменения в равновесии.
  9. Взаимодействие спроса и предложения. Рыночное равновесие и равновесная цена. Причины отклонения реальных цен от равновесных.
  10. ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ СПРОСА И ПРЕДЛОЖЕНИЯ. РЫНОЧНОЕ РАВНОВЕСИЕ. РАВНОВЕСНАЯ ЦЕНА
  11. Взятие крови из вены на биохимическое исследование Вакутайнером

 

1.1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ

Большинство химических реакций являются обратимыми:

- Обратимыми называются химические реакции, которые одновременно протекают и в прямом, и в обратном направлениях.

Уравнение обратимой реакции записывается

 

nA×A(г) + nB×B(г) D nD×D(г) + nF×F(г) (1)

 

→ прямое направление реакции;

← обратное направление реакции.

Закон действующих масс для прямого и обратного направлений записывается:

 

,

.

В ходе обратимой химической реакции концентрации реагентов уменьшаются, концентрации продуктов увеличиваются и, соответственно, уменьшается скорость прямой реакции и увеличивается скорость обратной. Наступает момент, когда они становятся равными. Это состояние обратимой реакции называется химическим равновесием.

Химическое равновесие – состояние обратимой реакции, характеризующееся равенством скоростей прямой и обратной реакций при постоянных значениях параметров процесса (температуре, давлении, объеме системы и концентрации веществ).

Кинетическое условие равновесия:

(2)

Химическое равновесие является динамическим, поскольку и прямая, и обратная реакции в состоянии равновесия продолжают протекать, но с одинаковыми скоростями.

Концентрации участников реакции, которые устанавливаются в момент равновесия, называются равновесными и обозначаются: [A], [B], [F], [D], моль/л.

Скорости прямого и обратного процессов в момент равновесия равны соответственно:

, (3)
.

 

Равновесные концентрации связаны с начальными (исходными) концентрациями веществ () соотношениями:

 

для реагентов: для продуктов
(4)

Чаще всего концентрации продуктов реакции в начальный момент равны нулю: ; , в этом случае

[D] = Dc(D),

[F] = Dc(F).

Изменения концентраций () веществ, участвующих в реакции, пропорциональны стехиометрическим коэффициентам.

 

= const (5)

 

реагентов показывает, сколько прореагировало данного вещества, продуктов – сколько вещества образовалось к моменту наступления равновесия.

 

1.2. РАСЧЕТ КОНСТАНТЫ ХИМИЧЕСКОГО РАВНОВЕСИЯ

Количественной характеристикой или законом действующих масс для обратимых химических реакций является константа химического равновесия (Kc).

Для гомогенной химической реакции (1) она запишется:

(6)

Например, для реакции:

 

2NO(г) + Cl2(г) D NOCl(г),

 

. (7)

В гетерогенных химических процессах конденсированные фазы (тв, ж) не учитываются при записи и расчете .

Например, для реакции:

 

TiO2(тв) + 2C(тв) + 2Cl2(г) D TiCl4(г) + 2CO(г)

. (8)

Константа равновесия зависит только от природы веществ и температуры и не зависит от концентрации веществ и присутствия катализатора.

Константа равновесия указывает на глубину протекания процесса. Если , это значит, что равновесные концентрации продуктов реакции F и D больше, чем равновесные концентрации реагентов A и B. Если , равновесие устанавливается при больших концентрациях реагентов A и B и малых концентрациях продуктов F и D,.

Расчет сводится к определению равновесных концентраций участвующих в реакции веществ.

 

Пример 1. Рассчитайте реакции

2SO2(г) + O2(г) D 2SO3(г),

если исходные концентрации и равны соответственно 0,4 и 0,3 моль/л, а к моменту равновесия образовалось 0,2 моль/л оксида серы (VI).

Решение.

Реакция гомогенная, поэтому

.

Для удобства и наглядности внесем условия задачи в таблицу:

Таблица 1

  D
     
, моль/л 0,4 0,3  
, моль/л      
     
[В], моль/л     0,2

 

Далее, по мере расчета определяемых величин будем вносить их значения в таблицу.

В соответствии с (4) запишем выражения равновесных концентраций для всех веществ:

= 0,2

, т. к. его значение не указано в условии задачи, т.е. в начальный момент времени этого вещества не было в системе. Следовательно [SO3] = Dc(SO3) = 0,2.

Находим реагентов в соответствии с уравнением (5):

,

откуда

моль/л,

моль/л.

Рассчитываем равновесные концентрации реагентов:

моль/л,

моль/л.

Результат расчетов представим в виде таблицы.

Рассчитываем константу равновесия

.

 

Таблица 2

  D
     
, моль/л 0,4 0,3  
, моль/л 0,2 0,1 0,2
[B], моль/л 0,2 0,2 0,2

 

Ответ: .

Пример 2. Рассчитайте реакции 2С(тв)+О2(г) D 2СО(г), если моль/л, а к моменту равновесия прореагировало 27% кислорода.

Решение.

Реакция гетерогенная, углерод - не входит в выражение константы равновесия:

Согласно (4), запишем:

для реагента ,

для продукта , т. к. .

- изменение концентрации к моменту наступления равновесия рассчитываем из отношения:

­– 100%
– 27%

моль/л.

рассчитываем, воспользовавшись соотношением (5):

;

моль/л.

Определяем равновесные концентрации:

моль/л,

моль/л.

Исходные данные и результат расчетов сводим в таблицу:

 

Таблица 3

  D
–    
, моль/л – 0,8  
, моль/л – 0,216 0,432
–
[B], моль/л – 0,584 0,432

 

Вычисляем :

Ответ: .

 

Пример 3. В реакторе объемом 5л смешали 8,64 моль азота и 26,13 моль водорода. Рассчитайте константу равновесия реакции:

N2(г) + 3H2(г) D 2NH3(г),

если в момент равновесия в реакторе обнаружено 6,912 моль азота.

Решение.

Реакция гомогенная, выражение константы равновесия:

Для определения необходимо знать равновесные концентрации всех веществ:

для реагентов: ;

;

для продукта: .

Рассчитаем исходные концентрации веществ-участников реакции. По условию задачи моль; моль, , т. к. аммиак не вводили в реактор в начальный момент:

моль/л;

моль/л;

Равновесная концентрация азота вычисляется аналогично:

.

Из уравнения находим D с (N2):

моль/л.

Используя соотношение (5) запишем:

,

и определяем:

моль/л,

моль/л.

и рассчитываем равновесные концентрации:

моль/л.

моль/л.

Рассчитаем значение :

.

Ответ: Кс = 4,86×10-3.

 

 


1.3. РАСЧЕТ РАВНОВЕСНЫХ КОНЦЕНТРАЦИЙ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ КОНСТАНТЫ РАВНОВЕСИЯ

 

Пример 4. Реакция протекает по уравнению 2С(тв)+О2(г) D 2СО(г).

с0(О2)=4 моль/л, Кс =4. Вычислите равновесные концентрации веществ и массовую долю прореагировавшего кислорода.

Решение.

1) Реакция гетерогенная, выражение константы равновесия:

В соответствии с (4) запишем выражения для равновесных концентраций:

[O2] = c0 (O2) - Dc(O2),

[CO] = c0 (CO) + Dc(CO).

Учитывая, что с0(СО)=0моль/л, [CO]=Dc(CO). Для определения изменения концентрации Dc участников реакции запишем в соответствии с (5):

 

=const, обозначим эту величину – x.

Отсюда Dc(O2)= x, Dc(CO)=2 x, и тогда [O2]=4 – x и[CO]= 2 x.

Подставляя значения [O2] и [CO] в выражение для константы равновесия, получаем

.

Решаем уравнение:

4 x 2 = 4(4- x)

4 x 2 + 4 x – 16 = 0, или x 2 + x – 4 = 0

Решаем уравнение относительно x.

D=1-4(-4)=17,

x 1,2=½ (-1±√17),

x 1 = 1,56

x 2 = -2,56. Значение не имеет физического смысла.

Рассчитываем равновесные концентрации:

[O2] = 4 – 1,56 = 2,44 моль/л,

[CO] = 2 · 1,56 = 3,12 моль/л.

2) Рассчитываем массовую долю прореагировавшего кислорода:

c0(O2) – 100%

Dc(O2) – ω %

 

= .

 

Ответ: [O2] = 2,44 моль/л, [CO] = 3,12 моль/л, .

 

 


1 | 2 |

Поиск по сайту:

Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав. Студалл.Орг (0.025 сек.)