Семинары по физхимии_2013 / Семинар 8

Семинар № 8

Расчет констант равновесия и равновесного выхода химической реакции из термодинамических данных.

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

Ответ: массовые доли CO – 0,851 %; H₂O – 67,68 %; CO₂ – 30,09 %; H₂ – 1,38 %.

2 При 1000⁰С и общем давлении 30 атм в равновесной смеси

СО_2(газ) + С _{( тв )} ↔ 2 СО_(газ)

молярная доля углекислого газа составляет 17% . Рассчитать константу равновесия К_р. Какая объемная доля СО₂ будет в равновесной смеси при общем давлении 20 атм? При каком давлении объемная доля СО₂ в смеси будет 25%?

Ответ: К_р =121,57; φ (СО₂) = 12,57% при 20 атм ; φ (СО₂) = 25% при 54,03 атм

3 Вычислите константы равновесия К_р и К_с реакции: 1/2N₂O₄(г) ↔NO₂(г), если степень диссоциации N₂O₄ равна 0,533, а давление Р = 5,49·10⁴ Па и температура Т = 298,15К.

Ответ: К_р = 0,574; К_с = 0,116 (моль/дм³)^1/2.

4 Сосуд объемом 1 дм³, содержащий 0,341 моль PCl₅ и 0,233 моль N₂, нагрели до 250 ⁰С. Общее давление при равновесии оказалось равным 29,33 атм. Считая все газы идеальными, рассчитайте константу равновесия при 250 ⁰С для протекающей в сосуде реакции PCl₅(г)↔PCl₃(г) + Cl₂(г)

Ответ: К_р = 2,24

5 Давление пара над системой CuSO₄·5H₂O–CuSO₄·3H₂O при 303,2 К равно1,453·10³ Па, а при 299,3 К равно 1,076·10³ Па. Вычислите средний тепловой эффект реакции:

CuSO₄·3H₂O(т) + 2H₂O(г)↔CuSO₄·5H₂O(т).

Ответ: Δ_rH⁰= – 116,2 кДж.

6 Константа равновесия реакции: H₂(г) + J₂(г) ↔ 2HJ(г) при 633 К равна 61,6, а при 718 К равна 41,7. Рассчитайте среднее значение теплового эффекта и химическое сродство реакции при 718 К. Вычислите изменение энтропии.

Ответ: Δ_rH⁰ = – 17,35 кДж; Δ_rG⁰ = – 22,27 кДж; Δ_rS⁰ = 6,86 Дж/К.

7 Рассчитайте константу равновесия К_р реакции: CH₄(г) + CO₂(г) ↔ 2CO(г) + 2 H₂(г), если известно, что равновесный выход данной реакции по водороду при температуре

900 К и давлении 100 атм составляет 5,69% от теоретически возможного. Исходная газовая смесь стехиометрическая.

Ответ: К_р = 0,423.

8 Некоторое количество медного колчедана CuFeS₂ прокалили в избытке кислорода и образовавшуюся газовую смесь нагрели в присутствии V₂O₅ до установления химического равновесия. Равновесную смесь быстро охладили и пропустили через 50 см³ раствора серной кислоты (ω = 96 % ,  = 1,8 г/мл ), в результате чего образовался олеум с

( SO₃) = 7.02 % и осталось 8,96 л газовой смеси с плотностью  = 1,786 г/дм³ (н.у.). Определите массу взятого медного колчедана и объем израсходованного кислорода. Растворимостью сернистого газа в олеуме пренебречь.

Ответ: m (CuFeS₂) = 36.8 г; V (О₂) = 17,92 дм³

9 При исследовании газофазной реакции 2А + В ↔ 3С + 2D обнаружили, что если смешать 1,00 моль А, 2,00 моль В и 1,00 моль D, то в равновесной смеси при 25 ⁰С и общем давлении 1 атм будет находиться 0,90 моль С. Рассчитайте мольную долю каждого компонента при равновесии, константу равновесия и Δ_rG⁰.

Ответ: К_р = 0,324

10 При 25 ⁰С значение Δ_fG⁰(NH₃) = –16,5 кДж/моль. Рассчитайте Δ_rG реакции образования аммиака при парциальных давлениях N₂, H₂, NH₃ равных соответственно 3 атм, 1 атм и

4 атм. В какую сторону реакция будет идти самопроизвольно в этих условиях?

Ответ:Δ_rG= – 14,43 кДж/моль

11 Нарушается ли принцип Ле Шателье?

(Республиканская химическая олимпиада, 11 класс)

Аммиак – самый многотоннажный продукт химической промышленности, ежегодно его получают более 100 млн. тонн. Реакция синтеза аммиака из простых веществ обратима: N₂ + 3H₂ ⇄ 2NH₃. При 200 °C и давлении 1 атм константа равновесия, выраженная через мольные доли, K_x = 1, а при 400 °C и том же давлении K_x = 0,01.

а) Напишите выражение для константы равновесия K_x. С выделением или поглощением теплоты происходит реакция синтеза аммиака? Дайте объяснение.

б) Сколько молей аммиака может образоваться при 200 °C из 1 моль N₂ и 3 моль H₂? 

в) В равновесной смеси при некоторых условиях находятся 0,65 моль N₂, 0,25 моль H₂ и 0,1 моль NH₃. В какую сторону сместится равновесие при добавлении к этой смеси 0,25 моль азота? Объясните ваш ответ.

12 Степень диссоциации фосгена COCl₂ ↔ CO + Cl₂ при 600 ⁰С и давлении 1,38∙10⁵ Па равна 0,9. Определить, в каком направлении будет протекать процесс при следующих значениях парциальных давлений компонентов:

Варианты	Р(COCl2)∙10–5, Па	Р(CO)∙10–5, Па	Р(Cl2)∙10–5, Па
1	1,013	1,013	1,013
2	1,048	2,026	3,039
3	1,048	3,039	3,039

13 Равновесия гидрирования и дегидрирования

(Всероссийская химическая олимпиада, 10 класс)

В закрытый вакуумированный реактор при температуре 200 ⁰С ввели водород и пары бензола в объемном отношении 4 : 1. Давление в реакторе составило 300 Торр. Затем в реактор ввели платиновый катализатор, и после установления химического равновесия давление составило 200 Торр при этой же температуре. Массовая доля углерода и водорода в продукте реакции такая же, как и в этилене.

а) Напишите уравнение реакции, протекающей в реакторе.

б) Найдите парциальные давления всех веществ в равновесной смеси и рассчитайте относительный равновесный выход реакции и константу равновесия К_р реакции гидрирования бензола при 200 ⁰С

(К_р = 199,93 ; равновесный выход 55,5 %; парциальные давления бензола, водорода и продукта реакции равны 26,67 ; 140 и 33,33 Торр соответственно)

в) Как изменятся константа равновесия и равновесный выход реакции, если в реактор ввести в два раза большие количества водорода и бензола? Сделать качественный прогноз и провести расчет (Равновесный выход 78,1 %)

г) Как изменятся константа равновесия и равновесный выход реакции, если при тех же условиях использовать не платиновый, а никелевый катализатор?

д) В тот же вакуумированный реактор при температуре 200 ⁰С ввели некоторое количество циклогексана и внесли катализатор. После установления равновесия давление в реакторе увеличилось на 150 Торр. Определите начальное давление циклогексана и равновесные парциальные давления бензола и водорода

(Начальное давление циклогексана 127 Торр; равновесные давления бензола и водорода 50 и 150 Торр соответственно)