1. Константа равновесия

Разные реакции протекают по-разному. В одних реакциях до момента наступления равновесия образуется довольно большое количество продуктов реакции; в других - гораздо меньше. Т.о., можно сказать, что конкретное уравнение имеет свою константу равновесия. Зная константу равновесия реакции, можно определить относительное количество реагентов и продуктов реакции, при котором наступает химическое равновесие.

Пусть некоторая реакция описывается уравнением: aA + bB = cC + dD

• a, b, c, d - коэффициенты уравнения реакции;

A, B, C, D - химические формулы веществ.

Принцип Ле Шателье гласит: "Если на систему, находящуюся в равновесии, оказать воздействие, то в результате протекающих процессов равновесие сместится в таком направлении, чтобы оказанное воздействие уменьшилось".

Как это понять? Все очень просто. Нарушить равновесие можно тремя способами:

• изменив концентрацию вещества;

• изменив температуру;

• изменив давление.

Когда реакция синтеза аммиака находится в равновесии, то это можно изобразить так (реакция экзотермическая):

N_{2 (г)} + 3H_{2 (г)} → 2NH_{3 (г)} + Теплота

Меняем концентрацию

Введем дополнительное количество азота в сбалансированную систему. При этом баланс нарушится:

Прямая реакция начнет протекать быстрее, поскольку количество азота увеличилось и он вступает в реакцию в большем количестве. Через некоторое время снова наступит химическое равновесие, но при этом концентрация азота будет больше, чем концентрация водрода:

Но, осуществить "перекос" системы в левую часть можно и другим способом - "облегчив" правую часть, например, отводить аммиак из системы по мере его образования. Т.о., снова будет преобладать прямая реакция образования аммиака.

Меняем температуру

Правую сторону наших "весов" можно изменять путем изменения температуры. Для того, чтобы левая часть "перевесила", необходимо "облегчить" правую часть - уменьшить температуру:

Меняем давление

Нарушить равновесие в системе при помощи давления можно только в реакциях с газами. Увеличить давление можно двумя способами:

• уменьшением объема системы;

• введением инертного газа.

При увеличении давления количество столкновений молекул возрастает. При этом повышается концентрация газов в системе и изменяются скорости прямой и обратной реакций - равновесие нарушается. Чтобы восстановить равновесие система "пытается" уменьшить давление.

Во время синтеза аммиака из 4-х молекул азота и водорода образуется две молекулы аммиака. В итоге количество молекул газов уменьшается - давление падает. Как следствие, чтобы придти к равновесию после увеличения давления, скорость прямой реакции возрастает.

Подведем итог. Согласно принципу Ле Шателье увеличить производство аммиака можно:

• увеличивая концентрацию реагентов;

• уменьшая концентрацию продуктов реакции;

• уменьшая температуру реакции;

увеличивая давление при котором происходит реакция.

Основная часть

Расчёт равновесного состава реакционной смеси в зависимости от температуры, давления.

Согласно расчетам равновесная степень превращения бутана увеличивается с увеличением температуры. Следовательно, равновесная мольная доля бутана с увеличением температуры уменьшается, а равновесные мольные доли бутилена и водорода увеличиваются.

Зависимость равновесных мольных долей от температуры (в °К) при постоянном давлении. Здесь и далее ZA, ZB, ZC – равновесные мольные доли бутана, бутилена и водорода соответственною.

Согласно расчетам равновесная степень превращения бутана уменьшается с увеличением давления. Следовательно, равновесная мольная доля бутана с увеличением давления увеличиваются, а равновесные мольные доли бутилена и водорода уменьшаются.

Зависимость равновесных мольных долей бутана, бутилена и водорода от давления при постоянной температуре.(800 К)

Зависимость скорости от температуры, давления и степени превращения.

Согласно расчетам скорость реакции с повышение температуры растет, при постоянных степени превращения и давлении, так как реакция эндотермическая.

График зависимости скорости дегидрирования в зависимости от температуры при постоянных давлении и степени превращения, равных 1 атм и 0.5 соответственно:

Согласно расчетам скорость реакции с повышение давления уменьшается, при постоянных степени превращения и температуры, так как реакция идет с увеличением объема.

График зависимости скорости дегидрирования бутана в зависимости от давления при постоянных температуре и степени превращения, равных 800 К и 0.5 соответственно:

График зависимости скорости дегидрирования бутана в зависимости от степени превращения бутана при постоянных температуре и давлении, равных 800 К и 1 атм соответственно: