Семинары / Семинар 1 - Химическое равновесие

ХИМИЧЕСКОЕ РАВНОВЕСИЕ

Семинар 1

Способы выражения константы химического равновесия

Задача 1. Выразите константу равновесия реакции

2 + 3 = + 2,

протекающей в идеальной газовой смеси, через общее давление общ и – равновесное число молей вещества . Исходные вещества взяты в стехиометрических количествах.

Для ответа на поставленный вопрос составляется так называемый материальный баланс. Конечной целью является выражение константы химического равновесия через , т.е. равновесные числа молей компонентов, и общее давление в системе общ:

Составим таблицу, в которой под обозначениями веществ запишем их количества

вразные моменты реакции.

Впервой строчке проставляем исходные количества, исключительно по условию задачи. В данном случае, в условии сказано, что вещества взяты в стехиометрических количествах, т.е. число молей компонента равно его стехиометрическому коэффициенту.

Во второй строчке записываем изменение число молей каждого компонента от начала реакции до момента равновесия. В условии сказано, что равновесное количество молей вещества С равно . В исходной смеси вещества С не было, значит, его количество изменилось на . С этого начинаем заполнять вторую строчку. Под веществом С пишем, а остальные позиции определяем, исходя из стехиометрии (при необходимости составляя пропорцию).

Третья строчка содержит равновесные числа молей. Для их определения складываем значения в первой и второй строчках, учитывая, что исходные вещества расходуются, т.е. ∆ для них отрицательно, а продукты образуются, т.е. ∆ для них положительно.

1

Через данные третьей строчки выражаем :

В уравнение для кроме в конечное выражение требуется подставить общее числа молей системы ∑ в момент равновесия. Для её расчета складываем всё, что находится в третьей строчке:

∑ = 2 − 2 + 3 − 3 + 0 + + 0 + 2 = 5 − 2

Изменение стехиометрических коэффициентов в ходе реакции:

∆ = (1 + 2) − (2 + 3) = −2

Подставляем полученные части в = ∙ ( общ)∆:

∑

Мы получили ответ для данной задачи.

Рассмотрим похожую задачу, несколько изменив условие. Алгоритм решения остается таким же, как в задаче 1.

Задача 3. Выразите константу равновесия реакции

2 + 3 = + 2 ,

протекающей в идеальной газовой смеси, через общее давление общ и – число молей вещества , дополнительно образовавшееся к моменту равновесия. Исходная реакционная смесь имела следующий состав:

– 3 моль, – 2 моль, – 1 моль, – 1 моль.

2

Количества веществ в исходной реакционной смеси не равны стехиометрическим коэффициентам, а заданы произвольно. Обратите внимание, что в исходной смеси находятся и продукты реакции. Этими данными заполняем первую строчку баланса.

Согласно условию, к моменту равновесия в системе дополнительно образовалосьмолей вещества С. Заполнение второй строчки начинаем с вещества С. Остальные позиции заполняем исключительно по стехиометрии, как в предыдущей задаче. На первую строчку при этом не смотрим!

Заполнение третьей строчки аналогично рассмотренному в задаче 1.

Считаем общее число молей равновесной системы:

∑ = 3 − 2 + 2 − 3 + 1 + + 1 + 2 = 7 − 2

Разность стехиометрических коэффициентов:

∆ = (1 + 2) − (2 + 3) = −2

Подставляем полученные части в = ∙ ( общ)∆:

∑

Аналогичные задачи для самостоятельного решения: № 2, 4.

Константа равновесия может быть выражена и через степень превращения одного из исходных веществ. Степень превращения компонента определяется как отношение количества прореагировавшего вещества ∆ к его исходному количеству 0:

∆= 0

3

В случае реакции диссоциации (одно исходное вещество распадается на несколько продуктов) степень превращения исходного вещества называется степенью диссоциации.

Степень диссоциации (превращения) может принимать значения от 0 до 1 или, если она выражена в процентах, от 0 до 100 %.

Задача 5. Выразите константу равновесия реакции

22 (г) = 2(г) + 2 (г),

протекающей в идеальной газовой смеси, через общее давление общ и степень диссоциации . Исходные вещества взяты в стехиометрических количествах.

Решение подобных задач строится так же, как и в случае выше разобранных задач: заполняется таблица с указанием исходного количества компонентов, изменение количества веществ к моменту равновесия и равновесного числа молей с той лишь разницей, что количество вещества выражается через степень диссоциации.

Если в условии не задано исходное количество реагента, то принимаем его за единицу. Когда 0 = 1 , ∆ = .

К моменту равновесия от каждого моля исходного вещества реагирует молей, поэтому равновесное количество исходного вещества равно 1 − , несмотря на то, что его стехиометрический коэффициент может быть не равен единице, как в данной реакции. Стехиометрия учитывается при записи количества продуктов реакции в соответствии с соотношением их коэффициентов и коэффициента исходного вещества.

4

Задача 6. Выразите константу равновесия реакции

22 (г) = 2(г) + 2 (г),

протекающей в идеальной газовой смеси, через степень диссоциации и общий объём системы . Исходные вещества взяты в стехиометрических количествах.

В условии задачи сказано, что для выражения константы надо использовать именно степень диссоциации, поэтому равновесные количества веществ выражаем через (см. предыдущие задачи).

Т.к. в условии не задано количество реагента, то принимаем его за единицу.

Аналогичная задача для самостоятельного решения: № 7.

6

Примером расчетной задачи, для решения которой требуется составление материального баланса может служить задача № 8.

Задача 8. При температуре 49,7 °C и давлении 261,4 мм рт. ст. 2 4 диссоциирует на

63 % согласно уравнению: 2 4(г) = 22(г). Какова будет степень диссоциации

2 4 при той же температуре и давлении 93,8 мм рт. ст.?

В задаче рассматривается одна и та же реакция, протекающая при разных давлениях, но одной и той же температуре.

Так как константа равновесия не зависит от давления и остается неизменной при постоянной температуре, то можно приравнять выражения для констант равновесия, записанные для разных значений давления и степени диссоциации:

как это было рассмотрено ранее.

Т.к. в условии не задано количество реагента, то принимаем его за единицу.

Запишем полученное выражение для разных условий проведения реакции:

7

22 = 1,834 − 1,834 22

2,834 22 = 1,834

22 = 0,65

т.к. 0 < < 1, то

= √ , ≈ , ( , %)

Аналогичные задачи для самостоятельного решения: № 9, 10.

8