Тема 5 Хімічна рівновага. Розрахунки рівноважних виходів

Виробництво найважливіших багатотоннажних продуктів хімічної технології: аміаку і водню для його синтезу; оксиду сірки (VI) – сировини для отримання сірчаної кислоти; етанолу, метанолу, ацетилену – найважливіших напівпродуктів органічного синтезу, а також багатьох продуктів тонкого органічного синтезу ведеться з використанням оборотних хімічних реакцій.

Для практичного розрахунку складу рівноважної суміші необхідні наступні вихідні дані: відомості про реакції, що проходять в системі; числові значення констант рівноваги реакцій К_р при заданій температурі; склад вихідної реакційної суміші, загальний тиск, під яким знаходиться система.

Визначення складу рівноважної суміші зводиться до розв'язання рівняння закону діючих мас в стані рівноваги, представленого через мольні частки учасників реакції і загальний тиск системи, і визначенню рівноважних мольних часток. Мольні частки речовин можна легко перерахувати в будь-які традиційно прийняті концентрації.

5.1. Розрахунок рівноважного складу суміші для хімічних процесів, які супроводжуються одною оборотною реакцією

5.1.1 Приклади розв’язку задач

Задача № 1

Скласти розрахункове рівняння для визначення складу рівноважної суміші для процесу, який супроводжується єдиною оборотною реакцією

Числові значення константи рівноваги К_р при заданій температурі і тиску Р – відомі. Склад вихідної суміші заданий, моль: А = 3; В = 2; R = 1; інертні домішки – 1 моль.

Розв'язок

Константа рівноваги реакції К_р, виражена через парціальні рівноважні тиски (рівняння закону діючих мас), представлена рівнянням

. (5.1)

Парціальний тиск будь-якого компоненту можна визначити за законом Дальтона через загальний тиск системи і мольну частку

. (5.2)

Після підстановки виражених парціальних тисків в рівняння закону діючих мас отримаємо

(5.3)

де - кількість молей сполук в стані рівноваги;

- сума молей сполук, в тому числі інертних домішок, в стані рівноваги;

- загальний тиск системи.

Для визначення складу рівноважної суміші складемо таблицю балансу молей в стані рівноваги, де Z стехіометрично зв'язані кількості молей сполук, які прореагували і утворилися.

Таблиця 5.1 - Вихідні дані для розрахунку складу рівноважної суміші

Стаття розрахунку	Компоненти, моль
				інерти
Склад вихідної суміші	3	2	1	1
Утворилось продуктів	-	-	Z	-
Витратилось вихідних речовин	-0,5Z	-3/2Z	-	-
Склад рівноважної суміші	3-0,5Z	2-1,5Z	1+Z	1
Сума молей в стані рівноваги	3-0,5Z +2-1,5Z +1+Z +1=7-Z

Підставивши рівноважні значення кількості молей в рівняння константи рівноваги

отримаємо алгебраїчне рівняння з одним невідомим Z, яке розв'язується за допомогою графічного або ітераційного методів обчислювальної математики.

Як видно із прикладу, метод придатний для розрахунку складу рівноважної суміші при будь-якому співвідношенні як вихідних речовин, так і продуктів, а також в стані розбавлення інертними домішками.