Добавил:

ivanov666 Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.

Вуз:

Башкирский Государственный Аграрный Университет

Предмет:

[НЕСОРТИРОВАННОЕ]

Файл:

книги из ГПНТБ / ФIленко О.Г. ЗбIрник задач з фIзичноI химII навчальний посiбник для студентiв металлургiйних спецiальностей вузiв

.pdf

Скачиваний:

Добавлен:

23.10.2023

Размер:

8.41 Mб

Скачать

☆

<<< < Предыдущая 1 2 3 4 56 / 196 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 > Следующая >>>

9. При 2500 К водяна пара частково дисоціює на кисень і водень за рівнянням

2 H 2 0 = f * 2 H 2 + 0 2 .

100 м 3 утвореної суміші при цих умовах важить 77,57 кг. Ступінь дисоціації водяної пари дорівнює 4,1% .

Визначити Кс і Кр для цієї реакції.

Відповідь: 1,484 • 10~б кмоль • м~3 ; 30,83 Па.

10. При 700 К оксид заліза		(II) і водяна пара реагують за		рів
нянням
	3FeO + Н 2 0 ^ Fe3 04		+ Н 2 .
При початковому тиску водяної пари			1,0772 • 105 Па парціальний
тиск утвореного водню в рівноважній суміші дорівнює 1,0265 • 105				Па.
Визначити	вихід водню, якщо в апарат об'ємом 5 м 3 , що містить
оксид заліза	(II), ввести водяну пару під тиском 5,065 • 105 Па і при
700 К.
Відповідь:	0,836 кг.
11. Визначити константу		дисоціації	молекулярного водню	за
рівнянням

Н 2 ^ 2 Н при 2000 К, якщо при цій температурі і тиску 101,325 • 103 Па ступінь дисоціації дорівнює 8,11 • 10~4 .

Відповідь: 0,267 Па.

12. Визначити константу дисоціації водяної пари за реакцією 2 Н 2 0 ^ 2 Н 2 + 0 2

при 2000 К і тиску 1,01325 • 103 Па. Потрібні для розв'язування за дачі дані взяти з табл. З додатку.

Відповідь: 8,2 • 10~3 Па.

ЗМІЩЕННЯ РІВНОВАГИ

Рівновагою називається такий стан системи, відповідні параметри якої в усіх її частинах однакові.

Рівновага є динамічним процесом, бо вона зумовлена одночасним протіканням процесів у двох протилежних напрямах з однаковою швидкістю.

Зміна одного з факторів, що визначають рівноважний стан, порушує рівновагу. Система самодовільно, без затрати роботи ззовні, перехо дить з нерівноважного стану в рівноважний.

Напрям переходу системи з нерівноважного стану в рівноважний, тобто зміщення рівноваги залежно від зміни зовнішніх умов, визнача ється принципом ле Шательє.

Якщо змінити одну з умов, при яких система перебуває в стані рів новаги, то рівновага зміщується в напрямі того процесу, який протидіє зробленій зміні.

При підвищенні температури рівновага зміщується в бік процесу. Що протікає з поглинанням теплоти, а при зниженні температури — в бік процесу, що протікає з виділенням теплоти.

При збільшенні тиску рівновага зміщується в бік утворення мен

шого числа молекул	газу,	а при зменшенні тиску — в бік утворення
більшого числа молекул		газу.
При збільшенні концентрації однієї з початкових речовин рівновага
зміщується в бік утворення кінцевих речовин,			а при зменшенні кон
центрації вихідної речовини — в бік утворення			початкових	речовин.
Задача. В який бік зміститься рівновага при підвищенні				темпера
тури і загального тиску в таких реакціях:
С 0 2 + С +± 2СО — 172,6 МДж;
Са (ОН)2 + С 0 2 * * С а С 0 3 + Н 2 0 (п.) + 68,6 МДж?
Р о з в ' я з а н н я .	При підвищенні температури рівновага зміщу
ється в бік процесу,	що протікає з поглинанням теплоти. Отже, для

першої реакції підвищення температури зміщує рівновагу в бік утво рення оксиду вуглецю (II), а підвищення загального тиску зміщує рів новагу в бік утворення С 0 2 .

Для другої реакції підвищення температури зміщує рівновагу в бік протікання ендотермічного процесу, тобто в бік утворення почат кових речовин. Збільшення тиску не призведе до зміщення рівноваги реакції, бо числа молекул газоподібних речовин у вихідних і кінцевих продуктах однакові.

Задачі

13. В який бік зміститься рівновага при збільшенні тиску в таких реакціях:

2Н2 + 0 2 ^ 2 Н 2 0 ; N 2 + 3 H 2 ^ 2 N H 3 ; 2 С 0 3 ^ 2 С О + 0 2 ; N2 +±2N;

С0 + Н 2 0 ( п . ) ^ С 0 2 + Н2 ?

14. В який бік зміститься рівновага при збільшенні тиску в таких реакціях:

С + Н 2 0 ( п . ) ^ С О + Н2 ; Fe2 Os + CO 2FeO + С0 2 ;

Fe3 04 + 4Н2 =** 3Fe + 4 Н 2 0 (п.)?

15. В який бік зміститься			рівновага			при	підвищенні температури
для таких реакцій:
FeO +		CO	Fe +	С 0 2 +		16,5 МДж;
СН4 + 20	2	С 0 2	+ 2	Н 2 0 (п.) +			802,9 МДж;
Н 2 +	-L	0 2	Н 2 0	(рід.) + 286 МДж;
РЬО		РЬ +	- і - 0 2		— 219,4		МДж;
СаС03 =ї± СаО + С 0 2					— 178,6		МДж?

16. В який бік зміщується рівновага при збільшенні парціального тиску вуглекислого газу для таких реакцій:

СН4 + ЗС0 2 4С0 +	2Н 2 0;
СО + Н 2 0 (п.)«>С02	+ Н2 ;

С0 + 402 ^С02 ;

СаО +	С 0 2 +± СаС03 ;
Са (ОН)2 + С 0 2	СаС03 + Н 2 0 (п.)?

17. Оксид заліза (II) відновлюють коксом або оксидом вуглецю (II): FeO + СО ч± Fe + C02 + 16,5 МДж;

FeO + С ч* CO + Fe — 156,1 МДж.

В який бік зміститься рівновага при збільшенні тиску і підвищенні температури?

18. Як впливає зміна концентрації вихідних речовин і температури на збільшення виходу водню для реакції

CO + Н 2 0 (п.) ч* С 0 2 + Н 2 + 41,2 МДж? 19. При 1000 К протікає реакція

С + Н 2 0 (п.)=**СО + Н 2 — 131,4 МДж.

В який бік зміститься рівновага при зміні концентрації реагуючих речовин, температури і тиску?

РІВНЯННЯ ІЗОТЕРМИ ХІМІЧНОЇ РЕАКЦІЇ

Для реакції

аА + bB^cC + dD,

що протікає при сталій температурі і сталому тиску, залежність ізо барного потенціалу від складу реагуючих речовин визначається рів нянням ізотерми хімічної реакції:

AZ = RT (in - 4 ^ 4 - - In Кр) ,

(III, 13)

PA РВ

)

Де РА-> РВ' РС1 PD — парціальні		тиски початкових		і кінцевих газів
у нерівноважних умовах,	Па; a,	b, с, d — число кіломолів газів, що
реагують за рівнянням;	КР — константа		рівноваги,	визначена через
рівноважні парціальні тиски реагуючих газів (111,5).
Максимальна корисна робота реакції дорівнює:
Л т а х = AZ = RT[\nKp-\n			РІРІ	У	(111,14)
		V	РАРВ	і
Якщо реакція протікає при сталому			об'ємі і сталій		температурі,
то залежність ізохорного потенціалу від складу системи					визначається
рівнянням ізотерми реакції:
A F = R T (1п ~^?г_			1пК с )'		(ІП'15)

де СА, Св, Сс, CD — концентрація початкових і кінцевих речовин у нерівноважних умовах, кмоль • м3 ; Кс — константа рівноваги, ви значена через рівноважні концентрації реагуючих речовин (111,4).

Максимальна робота реакції в цих умовах дорівнюватиме:

	Л т а х	= -	AF = RT І In Кс -			In CJ?Jb ) .		(111,16)
Знак мінус перед AZ і AF показує можливість протікання хімічної
реакції в бік утворення			кінцевих речовин; знак				плюс — можливість
протікання	реакції в бік утворення початкових						речовин.	Якщо AZ
і AF дорівнюють		нулю, то система перебуває в рівновазі.
Значення AZ і AF визначають величину						хімічної спорідненості ре
агуючих речовин, тобто здатність їх вступати в хімічну								взаємодію
між собою.
Здатності різних хімічних				реакцій	до самодовільного			протікання
зіставляють при стандартних				умовах	вихідної суміші. Стандартними
вважають	умови,	коли	концентрація		кожного		компонента вихідної
суміші дорівнює		1 кмоль • м3 :
	СА = Св = С'с = CD =				1 кмоль • м - 3 ,			(Ш, 17)

або парціальний тиск кожного компонента дорівнює 1,01325 • 105 Па:

рА = Р в	= Р с = P D	= 1,01325 • 105 Па.	(111,18)
У цьому випадку	рівняння	ізотерми хімічної реакції	(111,13) і
(111,15) матимуть вигляд:
	AF°T= -RTlnKc,		(Ш, 19)
AZ% = AnRT In 1,01325 • 105 — RT In Kp,			(HI.20)
де An — зміна числа кіломолів газів системи в результаті			протікання
реакції.
Зміна числа кіломолів газової системи дорівнює
	An = c + d — а — Ь.		(Ш,21)

Підставивши числові значення р і In 1,01325 • 105 у рівняння (111,20), дістанемо

	AZ°T = 9,585 • 104 АпТ — RT In Кр.					(111,22)
Задача. Визначити		хімічну спорідненість			і напрям реакції
		СО + Н 2 0 = ^ С 0 2 + Н 2
при 1000 і 1200 К, якщо константи рівноваги КР					при цих температурах
відповідно дорівнюють 1,39 і 0,71.
Р о з в ' я з а н н я .		При 1000 К		хімічну	спорідненість	реакції
знайдемо за	рівнянням
AZ?0 0 0	= — RT In Кр		= 8,314 • 103 • 1000 • 2,303 lg 1,39 =
		=	— 2,738 МДж.
Реакція	протікає	самодовільно в		бік утворення кінцевих		газів,
С 0 2 і Н 2 , оскільки AZ?ooo — величина				від'ємна.
При 1200 К хімічнахпорідненість				реакції дорівнює

AZ?2 0 0 = — І?Г In/Ср = 8,314103 . 1200 • 2,303 lg 0,71 = 3,417 МДж.

Реакція протікає в бік утворення вихідних речовин CO і Н 2 0 ,

оскільки AZ?2oo — величина додатна.

Задача. Хімічна спорідненість заліза до кисню за реакцією

2Fe + 0 2		2FeO
при 1000 К дорівнює—393,295 МДж • кмоль - 1 .
Визначити тиск (пружність) дисоціації оксиду заліза			(II) при цій
температурі.
Р о з в ' я з а н н я . Константа	реакції окислення заліза дорівнює
К.		1
К.
Хімічна спорідненість заліза	до	кисню визначається	рівнянням

AZ°T = 9,585 • 10і АпТ — RT In Кр,

або

AZ°T = 9,585 • 104 АпТ + RT InР О г ,

звідки

	AZj- — 9,585 • 10іАпТ
g Р о * =	2,303#Г	•
Для цієї реакції
	An — п0г = — 1 •

Отже, рівноважний парціальний тиск кисню можна знайти, під ставивши значення величин An, AZ°, R і Т в рівняння

,	—393,295 • 10е —9,585 • 10* (— 1) • 1000	1 С с .	ТБ лс
]&Р°' =	2,303 • 8,317 • юз . юоо	= - 15,54 =	16,46,

звідки знаходимо, що

Рог = 2,88 • 1(П1 6 Па.

Рівноважний парціальний тиск кисню є тиском (пружністю) дисоці ації оксиду заліза (II). Отже, тиск дисоціації оксиду заліза (II) дорів нює 2,88 • 1(Г1 6 Па.

При 1000 К відбуватиметься окислення заліза на повітрі, оскільки

тиск дисоціації оксиду заліза (II) менший від парціального тиску

кис

ню повітря

(0,213 • 105

Па).

Задача.

Визначити, чи можливе при стандартній

температурі

(298

К) протікання такої

реакції:

РЬО + Н 2 +±РЬ + Н 2 0 (п.),

коли

відомо, що при цій температурі ізобарні

потенціали утворення

водяної пари і оксиду свинцю

(II) відповідно

дорівнюють —228,8 і

—189,7 МДж • кмоль-1 .

Р о з в ' я з а н н я .

Хімічна

спорідненість

реакції дорівнює

AZ°29S =

Д2&в.Н і о -

Д2298,РЬО = -

228,8 • 106 -

( -

189,7 • 10е) =

= — 39,1 МДж.

Реакція

може протікати в бік утворення

кінцевих

речовин

РЬ і

Н 2 0

(п.). Вихід продуктів реакції буде мізерно малий.

Задачі

20.

Константа

рівноваги реакції

Н 2

І 2 ^ 2 Н І

при

700 К

дорівнює

50.

Чи

утворюватиметься

йодоводень

газо

вій суміші, що складається з Н 2 , І 2

і НІ, коли парціальні тиски цих

газів матимуть такі значення:

1) р'н, =

2,0 • 105

Па;

ри

5,0 • 105 Па;

р ш

= 1,0 • 10е

Па?

р н , =

1,0 • 105 Па;

р,г

0,1 • 105 Па;

р ш

5,0 • 105

Па?

р Н г =

1,0 • 105

Па;

р{2

2,0 • 105 Па;

р ш

1,0 • 106

Па?

Відповідь: МІ

= —9,37 МДж; AZ2 = 9,37 МДж; AZ3

= 0.

21.

Константа

рівноваги реакції

СО + Н 2 О ^ С 0 2 + Н 2

при 800 К дорівнює 4,12. В який бік піде реакція в суміші, склад

якої

(у мол. %) СО — 10;

Н 2 0 — 20; С 0 2 — 40; Н 2 — ЗО?

Відповідь: 2,5 МДж.

22. Визначити хімічну спорідненість оксиду кальцію до вуглекис лого газу, який перебуває під тиском 1,01325 • 105 Па при 1130 К, якщо

тиск (пружність) дисоціації CaCOg при цій температурі дорівнює 0,56 • 105 Па.

Відповідь: —5,569 МДж.

23.Визначити хімічну спорідненість заліза до кисню повітря (ро, =

=0,212 • 105 Па) при 1000 К, якщо константа рівноваги реакції

2Fe + 02 =^2FeO

при цій температурі дорівнює 3,39 • 1018 П а - 1 .

Відповідь: — 380,2 МДж.

24. Визначити хімічну спорідненість водню до кисню при 1000 К, коли відомо, що ступінь дисоціації водяної пари за рівнянням

2 Н 2 0 * * 2 Н 2 4 - 0 2 при цій температурі і тиску 1,01325 • 106 Па дорівнює 2,44 • 10- 7 -

Відповідь: 385,6 МДж.

25. Визначити максимальну і максимально корисну роботу ре акції

2 Н 2 + 0 2 ^ 2 Н 2 0

при 1000 К, якщо при цій температурі константа рівноваги реакції Кр дорівнює 1,359 • 101 5 П а - 1 .

Відповідь: 422,2 і 385,6 МДж.

26. Визначити хімічну спорідненість міді до кисню при 773 К, як що константа рівноваги реакції при цій температурі дорівнює 1,01325 X

XЮ - 1 0 Па - 1 .

Відповідь: 73,87 МДж.

27. Визначити	тиск (пружність) дисоціації оксиду кремнію (IV)
при 1000 К, якщо	хімічна спорідненість кремнію до кисню при цій

температурі дорівнює —771,79 МДж. Відповідь: 5,01 • 10"3 6 Па.

28. Визначити хімічну спорідненість для реакції 2СО + 0 2 ^ 2 С 0 2

при 2000 К, якщо ступінь дисоціації вуглекислого газу при цій тем пературі і тиску 1,01325 • 106 Па дорівнює 7,0 • 10_ 3 .

Відповідь: —220,81 МДж.

29. Визначити хімічну спорідненість олова до кисню повітря (р = = 0,212 • 106 Па) для реакцій утворення оксиду олова SnO і діоксиду

олова Sn02		при 298 К, якщо тиски (пружності) дисоціації цих оксидів
при	такій	температурі відповідно дорівнюють 9,03 • 10 - 1 2 Па і
2,81	• 10-1 1	Па.

Відповідь: —87,71 МДж; —84,92 МДж.

30. Тиск (пружність) дисоціації оксиду нікелю (II) при 873 К до

рівнює 5,33 • 10~15 Па.

Визначити хімічну спорідненість нікелю до кисню і максимальну корисну роботу реакції

2№ + 0 2 ч ± 2 № 0 при 873 К, якщо кисень узято під тиском 1,01325 • 105 Па.

Відповідь: —322,2 МДж; 322,2 МДж.

31. Тиск (пружність) дисоціації оксиду заліза (II) при 2273 К до рівнює 1,19 • 10 - 2 Па.

Визначити хімічну спорідненість AZ2273 для реакції 2Fe + 0 2 ^ 2 F e O

і AZ 2 2 7 3 для цієї самої реакції при умові, що окислення заліза відбу вається на повітрі (рог = 0,212 • 105 Па).

Відповідь: —301,68 МДж;—272,1 МДж.

ЗАЛЕЖНІСТЬ КОНСТАНТИ ХІМІЧНОЇ РІВНОВАГИ ВІД ТЕМПЕРАТУРИ

Для реакцій, що протікають при сталому тиску, залежність кон станти рівноваги від температури визначається рівнянням ізобари:

din Кр _

АН

m r 9оч

RT2

Klll^°f

де

АЯ — зміна ентальпії

системи

в результаті

протікання

реакції;

— ізобарний тепловий ефект

реакції.

об'ємі, залежність кон

Для

реакцій, що протікають при сталому

станти

рівноваги

від температури

визначається

рівнянням

ізохори:

d In Кс

(ПІ.24)

RT2

RT* '

де At/ — зміна внутрішньої енергії

системи

в результаті протікання

реакції;

Qv — ізохорний

тепловий

ефект

реакції.

У невеликому температурному інтервалі

можна вважати, що АЯ,

Qp,

AU і Qv не залежать

від температури. Тоді

рівняння

(111,23) і

(111,24) в інтегральній формі матимуть вигляд:

1пК, =

— ^

+ В 1

-$r

+ Bv

(Ш.25)

\пКс = - ~ ^ + В 2

= ^

+ В2.

(111,26)

де

ВІЗ

В2

— сталі

інтегрування.

від 7\ до

Якщо

інтегрувати рівняння

(111,23) в межах температур

T s

і відповідно від КР г, до КР тг, то дістанемо рівняння:

де Kpjt	— константа		рівноваги при Tt; Кр,тг — константа				рівноваги
при Т2\	Qp — ізобарний тепловий ефект реакції,				який	вважають ста
лим в інтервалі температур від 7\ до Т2.
Якщо різниця між сумою теплоємностей кінцевих речовин і сумою
теплоємностей початкових речовин ДСр не змінюється в певному тем
пературному інтервалі, то залежність константи					рівноваги від темпе
ратури	в інтегральній		формі	визначається рівнянням:
		1пКр=	^ -	+ - ^ і - + ^-ІпТ	+ В,		(111,28)
де Д # ! — зміна ентальпії системи при Тг в результаті протікання ре
акції; АСр		— зміна теплоємності системи в результаті				реакції, що ви
значається		рівнянням	(1,41); В — стала інтегрування.
Якщо		різниця теплоємностей реагуючих речовин				ДСр	залежить

від температури,			то залежність константи рівноваги				від температури
в інтегральній формі визначається таким рівнянням:
ln/Cp =	^	-	^ l	n	- + ^f	+ ^	+	(111,29)
Де Qp.o— ізобарний тепловий ефект						реакції при ОК; Да0> А%> Да2 і
Да_2 — сталі		для певної			реакції (1,43) і (1,44).
Задача. Визначити середнє значення теплового							ефекту	розкладу
карбонату	кальцію,			що протікає за		реакцією
					С а С 0 3 ^ С а О + С 0 2
в інтервалі	температур				від 1073 до	1171 К, якщо тиски (пружності)

дисоціації його при таких температурах відповідно дорівнюють

0,24398 • 105 і 1,01325 • 105			Па.
Р о з в ' я з а н н я .	Константа рівноваги реакції розкладу					карбо
нату кальцію дорівнює тиску (пружності) дисоціації:
			Кр	= Рсо,-
Тому для реакції	розкладу			карбонату	кальцію рівняння	ізобари
матиме вигляд:
	і п	рТг	_	QP (Ті -	Т2)
		Р Т і	~	ятхтг

Розв'язавши рівняння відносно теплового ефекту дисоціації кар бонату кальцію, дістанемо:

RTiT2	• 2303 lg - ^ s -
Qp—	Ті — T2		^
8,314 • 10s • 1171 • 1073 • 2,303 lg		1,01325 • 106
8,314 • 10s • 1171 • 1073 • 2,303 lg		0,24398 • 106
		0,24398 • 106
1073— 1171			= — 151,9 МДж.
1073— 1171
Задача. Константа рівноваги	KP реакції
С +	С 0 2 ^ 2 С О

при 1000 К дорівнює 2,02 • 105 Па. Визначити склад газової суміші при 1200 К і загальному тиску 1,01325 • 105 Па, якщо в цьому інтер валі температур середнє значення теплового ефекту Qp = —170,97 МДж.

Р о з в ' я з а н н я . Оскільки в інтервалі температур від 1000 до 1200 К тепловий ефект не залежить від температури, то залежність константи рівноваги від температури визначається рівнянням

Розв'язавши рівняння відносно lg Кт„ дістанемо:

Підставивши числові			значення		Qp, Ктіг	Тг	і Г 2	в рівняння, діста
немо:
1 К	—	— 170,97 • 10е (1000 — 1200)				,	„ » 0	І Л Б _	с 7 Q C 4
' б ^ і г о о	— 2,303 • 8,314 • 108			• 1000 • 1200 +		§		• W	0 , / У Ь 4 ,
або
			Kp,mo	= 6,26 • 10е		Па.
Константа		рівноваги	реакції дорівнює:
			к.=		РІ°
					Рсог

Позначивши загальний тиск газової суміші через р, рівноважний парціальний тискС02 через р — рсо і підставивши в рівняння замість рсог його вираз, дістанемо:

к	—	Р с о
А р	_	Р-Рсо

або

Рсо + КрРсо — Крр = 0.

Звідси рівноважний парціальний тиск оксиду вуглецю (II) дорів нюватиме

-КР±	\ҐК2Р + 4КРР
Рсо =	2	=
		=

— 6,26• 10е ± /(6,26 • 106 )2 +		4-6,26-106 • 1,01325106
	2	—
_	— 6.2610а ±	6.46 - 10е
~	2

Рсо = 1,0 • Ю6 Па. Знаходимо парціальний тиск вуглекислого газу:

Рсо, = р — /»оо = 1,01325 - 108 — 1,0 • 105 = 0,01325 • 105 Па.

<<< < Предыдущая 1 2 3 4 56 / 196 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 > Следующая >>>

Соседние файлы в папке книги из ГПНТБ