Тема 4. Химическое равновесие. Влияние внешних условий на равновесное состояние

Задача №15

Запишите выражения для констант равновесия K_C, K_р и K_N и установите связь между ними для реакции, приведенной в табл. 2.

Решение:

Решение задачи рассмотрим на примере реакции , считая реагирующие вещества идеальными газами.

В условиях равновесия при р, T = const схематическая запись химической реакции имеет вид:

,

где a, b, c, d – стехиометрические коэффициенты веществ A, B, C, D. Для рассматриваемой реакции закон действующих масс устанавливает постоянство отношения произведения равновесных концентраций продуктов реакции к произведению равновесных концентраций исходных веществ, взятых в степенях, равных стехиометрическим коэффициентам, то есть

.

На основании закона действующих масс запишем выражение для константы равновесия K_C для реакции синтеза аммиака.

.

Аналогичным образом записываются формулы для констант равновесия, выраженных через равновесные парциальные давления:

и равновесные мольные доли:

.

Связь между K_р и K_C устанавливается на основании уравнения (9). Для i-го компонента газовой смеси , отсюда: . На основании данного выражения

.

Для реакции синтеза аммиака n = (2) – (1 + 3) = – 2. Следовательно,

.

Связь между K_р и K_N устанавливается на основании закона Дальтона: , где р – общее давление в системе. Оперируя данным выражением, получим

.

Необходимо отметить, что при расчете констант всегда используется безразмерное относительное давление, равное отношению давления к стандартному значению р^о = 1 атм = 1,01325∙10⁵ Па.

Задача №16

Для реакции, приведенной в табл. 2, рассчитайте константы равновесия K_р, K_C и K_N при 298 К и общем давлении р Па (табл.15). Выразите константу равновесия K_р через состав равновесной смеси, если для проведения реакции исходные вещества взяты в стехиометрическом соотношении.

Таблица 15

Вариант	р·10–6, Па	Вариант	р·10–6, Па
1	9,73	16	9,76
2	9,74	17	9,78
3	9,75	18	9,79
4	9,73	19	9,73
5	9,73	20	9,73
6	9,73	21	9,79
7	9,74	22	9,74
8	9,77	23	9,75
9	9,78	24	9,73
10	9,73	25	9,71
11	9,77	26	9,77
12	9,77	27	9,75
13	9,78	28	9,78
14	9,79	29	9,77
15	9,76	30	9,76

Решение:

Решение задачи рассмотрим на примере реакции . Рассчитаем константы равновесия K_N, K_C и K_р при Т = 298 К и общем давлении 9,73·10⁶ Па, если для проведения реакции исходные вещества взяты в стехиометрическом соотношении (1 моль N₂ и 3 моль H₂).

Значение константы равновесия при температуре 298 К найдем из соотношения

.

Отсюда

.

= –32953,5 Дж (см. задачу №13).

.

Соотношения между K_C, K_р и K_N выведены в задаче 15:

,

где р – относительное давление, т.е. давление, отнесенное к стандартному: р = 9,73·10⁶ / 1,01325∙10⁵ = 96.

,

.

Для расчета состава равновесной смеси определим количество молей в состоянии равновесия.

Обозначим через х число молей NH₃ в момент равновесия. На основании стехиометрии реакции, если образовалось две молекулы NH₃, то израсходована одна молекула азота и три молекулы водорода. Таким образом, если образовалось х молей NH₃, то израсходовано молей N₂ и молей H₂. По условию задачи для проведения реакции взяты 1 моль N₂ и 3 моль H₂. Следовательно, к моменту равновесия в реакционной смеси осталось молей N₂ и молей H₂ .

Рассчитаем общее число молей компонентов реакции в момент равновесия

.

Определим мольную долю каждого компонента реакции при равновесии по формуле (41). Определим также равновесное парциальное давление компонентов на основании закона Дальтона (табл.16).

Таблица 16

Вещество		N2	H2	NH3
Число молей	В начале реакции	y	3y	–
	В момент равновесия
Мольная доля компонента
Равновесное парциальное давление

Выражение для константы равновесия имеет вид: