Фазовые и химические равновесия

Вопросы

1. Обратимые процессы. Равновесные состояния. Определение условий химического равновесия термодинамическим и молекулярно-статистическим методами.

2. Химические потенциалы в одно– и многокомпонентных системах. Расчет химических потенциалов идеальных и реальных газов, конденсированных систем.

3. Уравнение изотермы химической реакции в стандартных и реальных условиях, ее практическое значение.

4. Термодинамический вывод закона действующих масс. Способы выражения констант равновесия химических процессов, их взаимосвязь.

5. Константа равновесия химического процесса, что она определяет и от каких факторов зависит? Дифференциальная и интегральная формы уравнений изобары и изохоры, их практическое значение.

6. Чем различаются уравнения, выражающие химическое равновесие для гомогенных и гетерогенных реакций? Причины этих различий. Из каких опытных данных рассчитывается константа равновесия при гетерогенных реакциях?

7. Принцип Ле Шателье-Брауна, его практическое значение, границы применимости. Как, исходя из принципа Ле Шателье-Брауна, предвидеть влияние температуры на константу равновесия? Почему синтез аммиака, несмотря на экзотермичность реакции, проводят при высоких температурах?

8. Как сместить химическое равновесие при постоянной температуре? Как влияет давление, содержание инертного газа и концентрации исходных веществ и продуктов реакции на равновесный выход?

9. Как на основе экспериментальных данных определить константу равновесия химической реакции при разных температурах? Как рассчитать тепловой эффект химической реакции на основании тех же экспериментальных данных?

10. Способы определения константы химического равновесия при заданной температуре. Первое приближение Улиха.

11. В каких координатах зависимость константы равновесия от температуры выражается прямой линией? Какой наклон эта прямая имеет в случае экзо- и эндотермической реакции?

12. Какой процесс называется смещением химического равновесия? На конкретных примерах покажите, как смещается равновесие системы под влиянием изменения: а) концентрации одного из реагирующих веществ; б) температуры; в) давления. Почему катализатор не влияет на тепловой эффект реакции и не смещает химического равновесия?

13. Для каких газовых реакций равновесие не зависит от давления? Приведите примеры. Докажите расчетом , что изменение давления не смещает равновесия.

14. Требуется графически рассчитать теплоту испарения жидкости при заданной температуре. Нарисуйте график, которым необходимо пользоваться, и напишите соответствующую расчетную формулу.

15. Термический анализ. Диаграммы плавкости бинарных смесей.

16. Характеристика диаграммы состояния воды.

17. Как зависит давление насыщенного пара над твердым телом от температуры? Объясните характер зависимости при помощи уравнения Клаузиуса-Клапейрона.

18. Характеристика процессов конденсации. Изоморфные и неизоморфные смеси, особенности их конденсации. Почему очки запотевают при входе с улицы в теплое помещение, а не наоборот – при выходе из теплого помещения на улицу?

19. Что называется температурой кипения, насыщенным паром жидкости? Что такое тройная точка на диаграмме состояния однокомпонентной системы? Какова связь между теплотой возгонки, испарения и плавления в тройной точке? Объясните, почему при нагревании на воздухе лед плавится, а кристаллический йод возгоняется?

20. Укажите, в каких случаях число независимых компонентов системы равно числу составных частей. Как определяется число компонентов и независимых компонентов системы в остальных случаях.

21. Представьте график температурной зависимости теплоты испарения жидкости вплоть до критической температуры. Объясните при помощи уравнения Клаузиуса-Клапейрона, почему давление насыщенного пара над жидкостью растет при увеличении температуры.

22. Какая зависимость между температурой плавления и давлением наиболее типична для большинства веществ? Почему у воды и некоторых других веществ эта закономерность имеет другой характер?

23. Уравнение Клаузиуса-Клапейрона, его применение к фазовым переходам 1 рода.

24. Дайте формулировку правила фаз Гиббса, укажите при каких условиях справедливо это уравнение. Что показывает число термодинамических степеней свободы системы? Чему равно максимальное число степеней свободы в одно-, двух- и трехкомпонентной системах?

25. Фазовые переходы I и II рода. Какими изменениями в системе сопровождаются фазовые переходы I рода?

26. Укажите условия равновесия между фазами. Критическое состояние и критические фазы. Фазовые равновесия в однокомпонентных системах.

Задачи

1. Константа равновесия реакции CO + H₂O = CO₂ + H₂ при 800 К равна 4,12. Смесь, содержащая 20% CO и 80% H₂O, нагрета до 800 К. Определите состав смеси (%) при достижении равновесия и выход водорода, если взят 1 кг водяного пара.

2. В водном растворе содержатся ионы лития, калия, бария, хлорид- и нитрат-ионы. Сколько составных частей и компонентов в системе. Определите вариантность системы.

3. Определите константу равновесия реакции SO₂ + ½ O₂ = SO₃ при 770 К, если при 500 К К_Р= 588,9, а тепловой эффект реакции в этом диапазоне температур равен (– 99,48) кДж.

4. По характерным точкам на кривых охлаждения вычертить диаграмму плавкости системы медь-никель:

Никель, %	0	20	40	60	80	100
Ткрист., К	1373	1467	1554	1627	1683	1728

На диаграмме плавкости обозначьте точками: а) чистую твердую медь в равновесии с расплавом меди; б) жидкий расплав, содержащий 45% никеля в равновесии с твердым раствором; в) твердый раствор, содержащий 65% никеля в равновесии с жидким раствором; г) жидкий расплав, содержащий 50% никеля при температуре 1670 К. Определите для системы, содержащей 30% никеля, температуру начала кристаллизации, состав первого кристалла твердого раствора, массу никеля в жидком и твердом состояниях при охлаждении 0,24 кг смеси, содержащей 30% никеля, до 1470 К; температуру кристаллизации последней капли жидкого расплава, состав последней капли жидкого расплава.

5. При синтезе аммиака в определенных условиях в равновесии находятся 1 моль водорода, 2 моль азота и 8 моль аммиака. Рассчитайте константу равновесия К_С. Во сколько раз исходные количества азота и водорода больше равновесных их количеств?

6. Чему равна теплота испарения ртути при 330С, если давление насыщенного пара ртути при этой температуре равно 61,3 кПа, а температура кипения ртути при 101,3 кПа равна 357С?

7. При нагревании смеси CO₂ и H₂ в закрытом сосуде устанавливается равновесие CO₂ + H₂ = CO + H₂O. Константа равновесия при 850С равна единице. Какая массовая доля (%) CO₂ подвергнется превращению в CO при 850С, если смешать 1 моль CO₂ и 5 моль H₂?

8. Теплота испарения воды при 100С равна 40585 Дж/моль. При какой температуре будет кипеть вода, если давление увеличить в 2 раза?

9. Найти изменение энергии Гиббса для реакции 4HCl + O₂ = 2H₂O + 2Cl₂ при 252С, если К_Р = 4,84 · 10^–3. Парциальные давления как начальных, так и конечных веществ равны 101325 Па.

10. Исходные концентрации оксида углерода (II) и паров воды соответственно равны 0,08 моль/л. Вычислите равновесные концентрации CO, H₂O и H₂ в системе CO + H₂O = CO₂ + H₂, если равновесная концентрация CO₂ оказалась равной 0,05 моль/л. Рассчитайте константу равновесия реакции.

11. Пользуясь правилом фаз найти число степеней свободы, которым обладает система, состоящая из растворов хлорида калия и хлорида натрия в присутствии кристаллов KCl и паров воды.

12. Определите равновесную концентрацию водорода в реакции:

2HI = H₂ + I₂, если исходная концентрация HI составляла 0,55 моль/л, а константа равновесия K_C = 0,12.

13. Закрытый водный раствор содержит в своем составе хлориды магния, кальция, стронция. Какое максимальное число фаз может иметь данная система?

14. При взаимодействии водорода и йодом устанавливается равновесие:

H₂ + I₂ = 2 HI. Константа равновесия выражается уравнением

K_C = C² (HI) / C(H₂) · С(I₂). Покажите, что это соотношение не противоречит правилу фаз.

15. Определите состав смеси к моменту равновесия для реакции CO + H₂O = CO₂ + H₂, если известно, что при температуре 930,5 K константа равновесия равна K_C = 1 и до реакции в смеси было по 1 моль CO и H₂O.

16. Какая зависимость между давлением и температурой плавления наиболее типична для большинства веществ? Почему у воды и некоторых других веществ эта зависимость носит другой характер?

17. При 823 K и 1 атм из 1 моль CO и 1 моль Cl₂ к моменту достижения равновесия образуется 0,2 моль COCl₂. Определить K_P и K_C реакции CO + Cl₂ = COCl₂.

18. Сформулируйте правило фаз Гиббса. Определите число степеней свободы для следующей неоднородной системы: раствор сульфата натрия, кристаллы сульфата натрия, кристаллы Na₂SO₄ · 10 H₂O, пары воды.

19. В состоянии равновесия системы CO₂ + H₂ = CO + H₂O реакционная смесь имела объемный состав: 22% CO₂, 41% H₂, 17% CO, 20% H₂O. Вычислите K_P и K_C для этой реакции при 1900 K и давлении 98501 Па.

20. Определите состав смеси в момент равновесия для реакции, проходящей в доменной печи FeO + CO = Fe + CO₂, если при T = 1273 K константа равновесия равна 2,5.

21. Рассчитайте K_P и K_C для реакции PCl₅ = Cl₂ + PCl₃ при 500 K, если к моменту равновесия продиссоциировало 54% PCl₅, а исходная концентрация PCl₅, была равна 1 моль/л.

22. Какое максимальное число степеней свободы может иметь система, состоящая из углеводородов пропана, бутана, этана?

23. Оксид серы (IV) количеством вещества 4 моль и кислород количеством вещества 2 моль смешены при давлении равном 3,039 · 10⁵ Па. К моменту наступления равновесия в смеси осталось 20% взятого SO₂. Определите равновесные концентрации реагирующих веществ и давление, при котором установилось равновесие.

24. Определите вариативность системы, состоящей из растворов сульфата калия и натрия в воде, в присутствии паров воды и кристаллов обеих солей.

25. При смешении 1 моль уксусной кислоты и 1 моль этилового спирта реакция протекает по уравнению:

CH₃COOH + C₂H₅OH = CH ₃COOC₂H₅ + H₂O. При достижении равновесия в реакционной смеси находится 1/3 моль кислоты, 1/3 моль спирта, 2/3 моль эфира и 2/3 моль воды. Вычислите количество молей эфира, которое будет в реакционной смеси при достижении равновесия, при следующих условиях:

1. 1 моль кислоты и 2 моль спирта;

2. 1 моль кислоты, 1 моль спирта и 1 моль воды;

3. 1 моль эфира и 3 моль воды;

4. 1 моль кислоты, 1 моль эфира, 1 моль спирта и 1 моль воды.