Химическое равновесие Константа равновесия. Закон действующих масс

При протекании химической реакции через некоторое время устанавливается равновесное состояние, при котором

1) состав системы с течением времени при постоянных внешних условиях не меняется.

2) если система, находящаяся в равновесии, будет выведена из этого равновесия каким-то внешним воздействием, то после прекращения этого воздействия система вернется к равновесному состоянию.

Если внешние условия изменять на бесконечно малую величину, то положение равновесия тоже изменится на бесконечно малую величину. Химическую реакцию тогда можно представить как систему, которая проходит через ряд равновесных состояний – квазиравновесный процесс. При этом условии к химической реакции можно применять термодинамические соотношения, выведенные в приближении системы, находящейся в состоянии равновесия.

Протекание процесса описывается уравнением

или

Если реализуется состояние равновесия, то

или

Для компонента идеальной газовой смеси

Если , то

или

Для решения четвертой задачи термодинамики о равновесном составе и выходе продукта реакции надо знать соотношение компонентов в равновесной системе, которое описывается законом действующих масс.

Рассмотрим гомогенную реакцию, протекающую с участием идеальных газов

Для компонентов системы

; ;

; .

В состоянии равновесия с соответствии с законом Гесса

или – уравнение закона действующих масс.

Замечание 1. Константу равновесия можно определить экспериментально, и из нее вычислить по уравнению:

Замечание 2. константу равновесия можно вычислить по справочным данным

Замечание 3. Закон действующих масс можно записать через

парциальные давления:

мольные доли:

молярную концентрацию:

Замечание 4. Величины K_P, K_x и K_C связаны между собой соотношением

, где – стехиометрические коэффициенты при газообразных продуктах реакций, – стехиометрические коэффициенты при газообразных исходных веществах.

Замечание 5. Величина K_x – безразмерная, ,

Замечание 6. Если давление выражено в атмосферах, то K_P = K⁰

Замечание 7. Для неидеальных систем в формуле закона действующих масс следует использовать понятие фугитивности.

Использование закона действующих масс для расчета состава равновесной газовой смеси

Для определения состава системы при установившемся равновесии, а следовательно, и выхода продукта реакции необходимо знать константу равновесия и состав исходной смеси.

Пример. Определить степень диссоциации иодоводорода на водород и иод

2HI_(g) = I_2(g) + H_2(g)

при температуре 693 K и давлении 1 атм., если константа равновесия реакции в данных условиях равна 0,02.

Обозначим степень диссоциации иодоводорода через α.

Пусть до начала реакции в системе было n моль HI.

Тогда на момент равновесия прореагировало nα моль этого вещества.

Согласно уравнению реакции, из 2 моль HI образуется по 1 моль H₂ и I₂.

Следовательно, если на момент равновесия в реакцию вступает nα моль HI,

то образуется по моль H₂ и I₂.

Баланс реакции:

_{2HI(g) = I2(g) + H2(g})

Вещество	HI	I2	H2
Было:	n	0	0
Реакция:	–nα	nα/2	nα/2
Итого:	n – nα	nα/2	nα/2

;

.

4. Составить уравнение константы равновесия процесса диссоциации иодоводорода

,

и подставить в полученное уравнение определенные в п. 3 парциальные давления компонентов:

,

упростить полученное уравнение:

и решить его относительно α:

Определить равновесные мольные доли компонентов системы по формуле:

,

где n_i – количество вещества отдельного компонента системы; – суммарное количество вещества всех компонентов системы,

.

;

;

.

3. Определить равновесные парциальные давления компонентов системы согласно формуле:

,

где – общее давление в системе, атм.

;

Пример 2. Вычислить состав равновесной смеси, образующейся при протекании реакции C₂H_2(g) + N_2(g) = 2HCN_(g), если процесс проводили при температуре 1500 K и давлении 1 атм. Константа равновесия реакции в данных условиях составляет 1,05·10⁻¹. Для проведения реакции было взято 1 моль ацетилена и 1 моль азота.

Решение. Обозначим степень превращения реакции через α.

1.Составить баланс реакции:

_{С2Н2(g) + N2(g) = 2HCN(g})

Вещество	С2Н2	N2	HCN
Было:	1	1	0
Реакция:	–α	–α	2α
Итого:	1–α	1–α	2α

2. Определить равновесные мольные доли компонентов системы:

,

где n_i – количество вещества отдельного компонента системы; – суммарное количество вещества всех компонентов системы:

;

;

;

.

3. Определить равновесные парциальные давления компонентов системы согласно формуле: , где – общее давление в системе, атм.

;

;

.

4. Составить уравнение константы равновесия процесса диссоциации иодоводорода,

,

подставить в полученное уравнение определенные в п.3 парциальные давления компонентов,

и решить его относительно α:

5. Вычислить равновесный состав системы:

;

;

.

6. Выполнить проверку: сумма мольных долей компонентов системы должна быть равна единице.

.