|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
АвтоАвтоматизацияАрхитектураАстрономияАудитБиологияБухгалтерияВоенное делоГенетикаГеографияГеологияГосударствоДомДругоеЖурналистика и СМИИзобретательствоИностранные языкиИнформатикаИскусствоИсторияКомпьютерыКулинарияКультураЛексикологияЛитератураЛогикаМаркетингМатематикаМашиностроениеМедицинаМенеджментМеталлы и СваркаМеханикаМузыкаНаселениеОбразованиеОхрана безопасности жизниОхрана ТрудаПедагогикаПолитикаПравоПриборостроениеПрограммированиеПроизводствоПромышленностьПсихологияРадиоРегилияСвязьСоциологияСпортСтандартизацияСтроительствоТехнологииТорговляТуризмФизикаФизиологияФилософияФинансыХимияХозяйствоЦеннообразованиеЧерчениеЭкологияЭконометрикаЭкономикаЭлектроникаЮриспунденкция |
I. ХИМИЧЕСКОЕ РАВНОВЕСИЕ
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:
Равновесные концентрации связаны с начальными (исходными) концентрациями веществ () соотношениями:
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
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
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:
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
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, .
Поиск по сайту: |
Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав. Студалл.Орг (0.019 сек.) |