Химическое равновесие

Пример 18. При нагревании водорода и йода в закрытом сосуде до 444ºС обратимо протекает реакция по уравнению Н₂ + У₂ 2НУ. Равновесная смесь при этой температуре содержит 5,64 моль НУ; 0,12 иольУ₂ и 5,28 моль Н₂. Вычислить константу равновесия указанной реакции и исходные концентрации водорода и йода.

Решение. Согласно для данной реакции

Так как данная реакция протекает без изменения объёма, то значение константы будет одинаково при всех способах выражения равновесных концентраций веществ. Вместо концентраций СНУ ; СН₂; СУ₂ можно подставить числа молей этих веществ:

Определяем исходные концентрации йода и водорода. Согласно уравнению реакции для образования 2 моль НУ расходуется по 1 моль Н₂ и У₂. К моменту достижения равновесия в смеси образовалось 5,64/2 моль Н₂ и У₂. Учитывая равновесные концентрации Н₂ и У₂, рассчитываем исходные концентрации этих веществ суммированием: моль моль

Пример 19. Константа равновесия реакции

СН₃СООН + С₂Н₅СОН  СН₃СООС₂Н₅ + Н₂О

при некоторой температуре равна 4. Определить состав реакционной смеси при равновесии, если в реакцию введены 1 моль кислоты и 2 моль спирта.

Решение. Используем формулу . Обозначим число молей эфира, образующего в равновесной смеси, через х. Такое же количество (х молей) выделится и воды. Количество кислоты к моменту равновесия останется (1 - х) моль, а спирта (2-х) моль. Тогда откуда х² = 4(1- х)( 2 - х)

3х² - 12х + 8 = 0.

Решая это квадратное уравнение, получим х₁ = 3,154 и х₂ = 0,845. Первый корень отбрасывается как не удовлетворяющий условию задачи. Таким образом, в момент установившегося равновесия состав реакционной смеси (моль): эфир 0,845; вода 0,845; уксусная кислота 0,155; спирт 1,155.

Пример 20. Определить состав равновесной смеси в паровоздушном генераторе при 986⁰С, если константа равновесия, протекающей в генераторе

Н₂О (пар) + СО  Н₂ + СО₂

равна 0,623. Начальный состав смеси (об. доли, %): СО₂ – 12; Н₂ – 1; СО – 10,0; Н₂О (пар) – 15 (остальное приходится на азот, который в реакции не участвует).

Решение. В данной реакции n = 0. Следовательно К_С = К_N. Согласно

;

.

Обозначим количество воды, вступившее в реакцию через х. Тогда к моменту равновесия ; С_СО = 10 – х; .

Подставим эти значения в выражение для К_С:

.

Решая квадратное уравнение находим, что х = 2,75%. Следовательно, состав равновесной смеси в паровоздушном генераторе при 986⁰С будет:

.

Пример 21. Константа равновесия К_Р реакции синтеза аммиака

N₂ + 3H₂  2NH₄

при 350⁰С равна 2,3210^-13. Вычислить К_С для этого процесса при этой же температуре.

Решение. Используем формулу

.

Определим n = 2 – 1 = – 2.

Следовательно,

Т = 350 + 273 = 623 К;

К_С = 2,3210^-13(8,31410³623)² = 6,224.

Пример 22. При 1000⁰С для реакции, проходящей в доменной печи,

FeO + CO  Fe + CO₂

константа равновесия К_Р = 0,4. Определить состав смеси в момент равновесия.

Решение. Так как данная реакция гетерогенная, то можно написать

.

Для данной реакции n = 1 – 1 = 0, поэтому К_Р = К_С.

Обозначим через х объемное содержание (%) двуокиси углерода и, зная, что парциальное давление газов пропорциональны их объемному содержанию в смеси, напишем следующее

х = 28,6.

В равновесной смеси находится 28,6 % СО₂ и 71,4 % СО.

Пример 23. В какую сторону сместятся равновесия реакций:

1. 2СО + О₂  2СО₂ + 566,9 кДж;

2. 2Н₂S  2H₂ + S₂ – 41,9 кДж,

а) при повышении температуры;

б) при повышении давления?

Каким изменением концентраций можно добиться смещения равновесий приведенных реакций вправо?

Решение. Исходя из принципа Ле Шателье, можно сказать, что

а) при повышении температуры равновесие первой реакции сдвинется влево, т.к. реакция экзотермическая, а равновесие второй реакции сдвинется вправо, т.к. реакция эндотермическая.

б) при повышении давления равновесие первой реакции сдвинется в сторону прямой реакции, а равновесие второй реакции сдвинется в сторону обратной реакции, т.е. всегда в сторону меньшего объема.

Чтобы сдвинуть равновесие этих реакций вправо путем изменения концентраций, надо увеличить концентрации исходных веществ или уменьшить концентрации конечных веществ.

Пример 24. Константа равновесия К_Р реакции

I₂  2I

при t₁ = 677⁰C равна 1,14910², а при t₂ = 777⁰C – 7,41310². Вычислить константу равновесия данной реакции при 727⁰С.

Решение. Используя уравнение

,

по двум приведенным величинам К_Р вычисляем среднее значение теплового эффекта реакции термического разложения йода в интервале 677 – 777 ⁰С:

;

Т₁ = 950 К, Т₂ = 1050 К.

Дж/моль

Т₃ = 1000 К;

Определим К_Р3:

;

;

;

К_Р3 = 3,05710².