5.3.Химическое равновесие

Согласно закону действия масс, направление химической реакции зависит от концентрации реагирующих веществ и продуктов реакции. Химическая система считается равновесной, если скорости протекания прямой и обратной реакции равны.

Рассмотрим реакцию:

bB + cC = dD + eE

где B, C - реагирующие вещества;

D, E - продукты реакции;

b,c,d,e - число молей (стехиометрические коэффициенты).

Скорость прямой реакции, согласно закону действия масс:

V ₁ = k₁ *[B]^b * [C]^c 

обратной

V ₂ = k₂ *[D] ^d *[E] ^e

где [B],[C],[D],[E] - концентрации веществ;

k1,k 2 - соответственно коэффициенты скорости прямой и обратной реакции.

Отношение

называется  термодинимической константой равновесия (К).

Стандартная свободная энергия реакции связана с константой равновесия К равенством:

 G_{реакции}  = - RTlnK

При значении универсальной газовой постоянной R = 0,008314 Дж/моль К, Т = 298.15^оК :

 G_{реакции}  = - 5,7 lgK

Из этого соотношения понятно, что G_{реакции}   0 возможно лишь при К  0, т.е. когда равновесие реакции смещено в сторону образования продуктов реакции.

Для окислительно-востановительных реакций стандартная свободная энергия реакции определяется соотношением:

 G_{реакции}  = n E₀ F

где n - число участвующих в реакции электронов;

Е₀ - стандартный окислительный потенциал реакции (при концентрации реагирующих веществ 1 М);

F - число Фарадея, кДж/в г-экв (F = 96,39 кДж/в г-экв).

Для условий отличающихся от стандартных, окислительный потенциал реакции (Еh) определяется уравнением Нернста:

Eh = E₀ + RTlnK/nF

После подстановки значений постоянных величин R,T,F:

Данные соотношения позволяют по величине G_{реакции}  вычислить К и определить состояние системы в стадии равновесия.

Рассмотрим методику определения условий очистки сточных вод от ионов токсичных металлов при осаждении их в виде гидроксидов.

В качестве критерия при определении граничных условий рН примем значения ПДК для рыбохозяйственных и хозяйственно – питьевых водоемов.

Рассмотри в качестве примера определение условий осаждения гидроксида кадмияz Cd(OH)2. ПДК для ионов кадмия в водоемах рыбохозяйственной категории – 0,001 мг/л, в водоемах хозяйственно-питьевых – 0.005 мг/л.

Реакция растворения Cd(OH)2. описывается уравнением:

Cd(OH)2 +2H+  Cd2+ + 2H₂O

Константа скорости реакции:

Прологарифмируем данное уравнение и после преобразования получим:

Значение lgK определяется из соотношения:

F^o_{реакции}  = - 5,7 lgK

F^o_{реакции} =(F^o_обр.(Cd2+) +   2F^o_обр.(H2O)) - (2F^o_обр.(H+) + +F^o_обр.(Cd(OH)2)) =

= (-77,74- 2*-236,94) – (2*0 - 473,8) = -77,82 кДж/моль

Тогда lgK = 13,65

Для вычисления величины рН, при которой растворение Cd(OH)2 приведет к созданию концентраций иона Cd2+ на уровне ПДК пересчитаем мг/л в г-ион/л:

[Cd2+]=ПДК/(1000*112.4), где 112.4 – атомная масса Cd

[Fe2+]рх =0,001/(1000*112.4)= 8.910^-9 г-ион/л

[Fe2+]хп =0,005/(1000*112.4)= 4.4510^-8 г-ион/л

Тогда граничные условия по величине рН будут:

Для ПДКрх рН=10.85; для ПДКхп рН=10.5.

Таким образом, граничные условия по рН для гидроксида кадмия лежат в сильнощелочной области.