Состав (мольные доли компонентов XI) равновесной газовой смеси реакции

3H₂ + N₂  2NH₃ при Т=700 К при различных давлениях

, атм	H2	N2	NH3	Выход NH3, %
1	0,746	0,294	0,006	1,17
25	0,663	0,221	0,116	20,8
50	0,605	0,202	0,194	32,5
100	0,528	0,176	0,296	45,6

Данные таблицы показывают, что увеличение давления приводит к увеличению выхода аммиака.

2. Расчет степени термической диссоциации тетрооксида диазота (N₂О₄) по реакции N₂О₄  2 NО₂ при температуре Т и давлении р.

Решение.

А. Расчет константы равновесия K_X (Т, р).

Определяем изменение энергии Гиббса при протекании реакции

N₂О₄  2 NО₂

_fH⁰₂₉₈, кДж/моль 11,11 34,19

S⁰₂₉₈, Дж/мольK 304,35 240,06

Изменение энергии Гиббса при температуре Т _rG⁰(Т) можно вычислить по энтальпии и энтропии реакции при Т=298 К:

_rG⁰(Т)  _rН⁰₂₉₈ – Т_rS⁰₂₉₈,

_rН⁰₂₉₈ = ( _i_fН⁰_298i)_{продукты} – ( _i_fН⁰_298i)_{исх. вещества} ,

_rS ⁰₂₉₈ = (_iS⁰_298i)_{продукты} – (_iS⁰_298i) _{исх. вещества} ,

_rН⁰₂₉₈ = 2 (34,19) – (11,11) = 57,27 кДж,

_rS ⁰₂₉₈ = (2240,06) – 304,35 = 175,77 Дж/K,

_rG⁰₂₉₈ = 57,2710³–323175,77 = 496,29 Дж.

Рассчитываем величинуи.

Поскольку для данной реакции  =(2)–(1)= +1, то

K_X(T, р)= К⁰(T)(p/p⁰)^–1= К⁰(T)()^–1

Б. Расчет состава (мольные доли) газовой смеси в состоянии равновесия.

Пусть к моменту равновесия из каждого моля N₂О₄ распалось x молей. Тогда в равновесной газовой смеси будет приходиться на n_N2О4 = 1–x молей тетрооксида диазота n_NО2 = 2x молей диоксида азота:

N₂О₄  2 NО₂

1–x 2x

Суммарное число молей N₂О₄ и NО₂ в равновесной смеси:

n_i = (1–x) + (2x) = 1+x.

Тогда мольная доля веществ в равновесной смеси X_i=n_i/n_i будет равна:

X_N2О4=,X_NО2=.

Для константы равновесия K_X можно написать:

откуда x = .

В. Расчет степени диссоциации N₂О₄.

Степень диссоциации () – это доля молекул вещества от их начального количества, которая подверглась диссоциации. Поскольку к моменту равновесия из одного моля N₂О₄ распалось на NО₂ x молей, то x  :

(T, p) =.

Таким образом, степень диссоциации N₂О₄ зависит от температуры и давления. Например, при Т=100С и =1 атм

=14,50,  = 0,885, X_N2O4= 0,061, X_NO2= 0,939.

Результаты аналогичных расчетов для реакции диссоциации N₂О₄ в графическом виде представлены на рис.3.2.

Рис. 3.2. Зависимость степени диссоциации N₂О₄ () от давления р при постоянной температуре Т=100С (а) и от температуры Т при постоянном давлении р=1 атм (б)

Степень диссоциации N₂О₄ является количественной характеристикой смещения равновесия реакции N₂О₄  2 NО₂. При 1 равновесие в системе смещено в сторону образования продуктов диссоциации. Увеличение давления приводит к уменьшению , а увеличение температуры – к увеличению . Эти закономерности полностью соответствуют выводам анализа уравнений изобары и изотермы реакции.