Tényezők, amelyektől az egyensúlyi állandó függ. Kémiai egyensúly
SEI VPO "Urali Állami Műszaki Egyetem - UPI"
Kémiai egyensúlyi állandók meghatározása
reakciók és számítások Kémiai egyensúly
a fizikai kémia során
nappali tagozatos hallgatók számára
Jekatyerinburg 2007
UDC 544(076)С79
Fordítóprogram
Tudományos szerkesztő, Ph.D., egyetemi docens
A kémiai reakciók egyensúlyi állandóinak meghatározása és a kémiai egyensúly kiszámítása: 4. sz. laboratóriumi munka útmutató a fizikai kémia tantárgynál / ösz. - Jekatyerinburg: GOU VPO USTU-UPI, 20-as évek.
Az útmutató a számítási és analitikai laboratóriumi munka részeként a kémiai egyensúlyra vonatkozó anyag további mélyreható tanulmányozására szolgál. 15 lehetőséget tartalmaznak az egyéni feladatokra, ami hozzájárul a cél eléréséhez.
Irodalomjegyzék: 5 cím. Rizs. Tab.
© GOU VPO "Ural állam
Műszaki Egyetem - UPI", 2007
Bevezetés
Ez a munka, bár egy laboratóriumi műhely keretein belül történik, a számítási és elemzési munkához tartozik, és az elméleti anyag elsajátításából és számos probléma megoldásából áll a „Kémiai egyensúly” fizikai kémia kurzus témájában.
Megvalósításának szükségességét egyrészt a téma komplexitása, másrészt a tanulmányozására szánt tanulási idő elégtelensége okozza.
A "Kémiai egyensúly" témakör fő része: a kémiai egyensúly törvényének levezetése, az izobár és izoterma egyenlet figyelembevétele kémiai reakció stb. előadásokon mutatják be és tanulmányozzák gyakorlati gyakorlatok(Ezért ezt az anyagot ebben a cikkben nem mutatjuk be). Ez a kézikönyv részletesen tárgyalja a témának az egyensúlyi állandók kísérleti meghatározására és a benne lejátszódó kémiai reakciót mutató rendszer egyensúlyi összetételének meghatározására vonatkozó részét.
Tehát ennek a munkának a diákok általi végrehajtása a következő feladatokat oldja meg:
1) ismerkedjen meg a kémiai reakciók egyensúlyi állandóinak meghatározásának és kiszámításának módszereivel;
2) megtanulják, hogyan kell kiszámítani a keverék egyensúlyi összetételét különféle kísérleti adatok alapján.
1. ELMÉLETI INFORMÁCIÓK A MÓDSZEREKRŐL
AZ EGYENSÚLYI ÁLLANDÓK MEGHATÁROZÁSAI A KÉMIAI REAKCIÓKHOZ
Tartsunk röviden az alábbiakban használt főbb fogalmakon. A kémiai reakció egyensúlyi állandója a mennyiség
https://pandia.ru/text/78/005/images/image002_169.gif" width="51" height="29">- a reakció szabványos Gibbs moláris energiája r.
Az (1) egyenlet egy kémiai reakció egyensúlyi állandójának meghatározó egyenlete. Meg kell jegyezni, hogy a kémiai reakció egyensúlyi állandója dimenzió nélküli mennyiség.
A kémiai egyensúly törvénye a következőképpen van felírva
, (2)
ahol https://pandia.ru/text/78/005/images/image005_99.gif" width="23" height="25">- tevékenység k- reakció résztvevője; - tevékenység dimenziója; sztöchiometrikus együttható k- reakció résztvevője r.
Az egyensúlyi állandók kísérleti meghatározása meglehetősen nehéz feladat. Mindenekelőtt meg kell bizonyosodni arról, hogy adott hőmérsékleten az egyensúly létrejön, azaz a reakcióelegy összetétele megfelel az egyensúlyi állapotnak - egy olyan állapotnak, amelynek minimális Gibbs-energiája, nulla reakcióaffinitása és egyenlő sebességű előrehaladása és fordított reakciók. Egyensúlyi állapotban a reakcióelegy nyomása, hőmérséklete és összetétele állandó.
Első pillantásra úgy tűnik, hogy egy egyensúlyi keverék összetétele kvantitatív elemzési módszerekkel, jellegzetes kémiai reakciókkal meghatározható. A kémiai folyamat egyik komponensét megkötő idegen reagens bevezetése azonban eltolja (vagyis megváltoztatja) a rendszer egyensúlyi állapotát. Ez a módszer csak akkor alkalmazható, ha a reakciósebesség kellően alacsony. Éppen ezért az egyensúly tanulmányozása során nagyon gyakran különféle fizikai módszereket is alkalmaznak a rendszer összetételének meghatározására.
1.1 Kémiai módszerek
Vannak statikusak kémiai módszerekés dinamikus kémiai módszerek. Tekintsük az alábbi konkrét példákat.
1.1.1 Statikus módszerek.
A statikus módszerek abból állnak, hogy a reakcióelegyet állandó hőmérsékletű reaktorba helyezik, majd az egyensúly elérésekor meghatározzák a rendszer összetételét. A vizsgált reakciónak elég lassúnak kell lennie ahhoz, hogy idegen reagens bevezetése gyakorlatilag ne zavarja meg az egyensúlyi állapotot. A folyamat lelassításához a reakciólombikot kellően gyorsan le lehet hűteni. Egy ilyen tanulmány klasszikus példája a jód és a hidrogén reakciója
H2(g) + I2(g) = 2HI(g) (3)
Lemoyne vagy jód és hidrogén keverékét, vagy hidrogén-jodidot helyezett üveghengerekbe. 200 °C-on a reakció gyakorlatilag nem megy végbe; 265 °C-on az egyensúlyi állapot több hónapig tart; 350 °C-on az egyensúly néhány napon belül beáll; 440 °C-on - több órán keresztül. E tekintetben ennek a folyamatnak a tanulmányozására 300-400 °C hőmérséklet-tartományt választottak. A rendszer elemzése a következőképpen történt. A reakcióedényt vízbe engedve gyorsan lehűtjük, majd a csapot kinyitjuk, és a hidrogén-jodidot vízben feloldjuk. A hidrogén-jodid mennyiségét titrálással határoztuk meg. Minden hőmérsékleten addig végeztük a kísérletet, amíg a koncentráció állandó értéket nem ért el, ami a rendszerben a kémiai egyensúly létrejöttét jelzi.
1.1.2 Dinamikus módszerek.
A dinamikus módszerek abból állnak, hogy a gázkeveréket folyamatosan keringetik, majd gyorsan lehűtik a későbbi elemzéshez. Ezek a módszerek leginkább a meglehetősen gyors reakciókra alkalmazhatók. A reakciókat általában úgy gyorsítják fel, hogy magasabb hőmérsékleten hajtják végre, vagy katalizátort vezetnek be a rendszerbe. A dinamikus módszert különösen a következő gázreakciók elemzésére használták:
2H2 + O2 ⇄ 2H2O. (4)
2CO + O2 ⇄ 2CO2. (5)
2SO2 + O2 ⇄ 2SO
3H2 + N2 ⇄ 2NH
1.2 Fizikai módszerek
Ezek a módszerek elsősorban a reakcióelegy nyomásának vagy tömegsűrűségének mérésén alapulnak, bár a rendszer egyéb tulajdonságai is alkalmazhatók.
1.2.1 Nyomásmérés
Minden reakció, amely a gáznemű reagensek mólszámának változásával jár együtt, állandó térfogat mellett nyomásváltozással jár. Ha a gázok közel vannak az ideálishoz, akkor a nyomás egyenesen arányos a gáznemű reagensek móljainak teljes számával.
Szemléltetésként tekintsük a következő gázreakciót, amelyet a kiindulási anyag egy molekulája alapján írunk le
Anyajegyek száma
a kezdeti pillanatban 0 0
egyensúlyban
ahol https://pandia.ru/text/78/005/images/image016_35.gif" width="245" height="25 src=">, (9)
ahol https://pandia.ru/text/78/005/images/image018_30.gif" width="20" height="21 src=">.gif" width="91" height="31">.
Ezek a nyomások között összefüggések vannak:
https://pandia.ru/text/78/005/images/image022_24.gif" width="132" height="52 src=">. (11)
https://pandia.ru/text/78/005/images/image024_21.gif" width="108" height="52 src="> . (13)
A p-skálában kifejezett egyensúlyi állandó alakja lesz
. (14)
Ezért az egyensúlyi nyomás mérésével a (13) képlet segítségével meghatározható a disszociáció mértéke, majd a (14) képlet segítségével az egyensúlyi állandó is kiszámítható.
1.2.2 A tömegsűrűség mérése
Minden reakciót, amelyet a folyamatban résztvevő gáznemű résztvevők mólszámának változása kísér, a tömegsűrűség változása jellemez állandó nyomáson.
Például a (8) reakcióra igaz
, (15)
ahol https://pandia.ru/text/78/005/images/image028_20.gif" width="16" height="19">- a rendszer térfogata egyensúlyban. Általános szabály, hogy valós kísérletekben nem a térfogatot mérjük, de a sűrűséget a rendszer tömegét, ami fordítottan arányos a térfogattal..gif" width="37 height=21" height="21"> - a rendszer tömegsűrűsége a kezdeti pillanatban és az egyensúly pillanatában, ill. A rendszer tömegsűrűségének mérésével a (16) képlet segítségével kiszámíthatjuk a disszociáció mértékét, majd az egyensúlyi állandót.
1.2.3 Közvetlen parciális nyomásmérés
A kémiai reakció egyensúlyi állandójának meghatározásának legközvetlenebb módja a folyamat minden résztvevőjének parciális nyomásának mérése. Általános esetben ez a módszer nagyon nehezen alkalmazható a gyakorlatban, leggyakrabban csak hidrogént tartalmazó gázkeverékek elemzésénél alkalmazzák. Ebben az esetben a platinacsoport fémeinek azt a tulajdonságát használják ki, hogy magas hőmérsékleten hidrogénáteresztőek. Az előmelegített gázkeveréket állandó hőmérsékleten egy 1 hengeren vezetik át, amely egy üres 2 irídiumtartályt tartalmaz, amely a 3 nyomásmérőhöz kapcsolódik (1. ábra). A hidrogén az egyetlen gáz, amely képes áthaladni az irídiumtartály falain.
Így hátra van a mérés össznyomás gázelegyet és a hidrogén parciális nyomását a reakció egyensúlyi állandójának kiszámításához. Ez a módszer lehetővé tette Lowenstein és Wartenberg (1906) számára, hogy tanulmányozza a víz, a HCl, a HBr, a HI és a H2S disszociációját, valamint az olyan reakciókat, mint:
https://pandia.ru/text/78/005/images/image033_14.gif" width="89 height=23" height="23">. (17)
1.2.4 Optikai módszerek
Vannak adszorpciós méréseken alapuló egyensúlyi módszerek, amelyek különösen hatásosak a színes gázok esetében. A kettős gázkeverék összetételének meghatározása a törésmutató (refraktometriás) mérésével is lehetséges. Például Chadron (1921) a fém-oxidok szén-monoxiddal történő redukcióját vizsgálta oxid-szén-dioxid gázelegy összetételének refraktometriás mérésével.
1.2.5 A hővezető képesség mérése
Ezt a módszert alkalmazták például a gázfázisban zajló disszociációs reakciók vizsgálatára
Tegyük fel, hogy N2O4 és NO2 keverékét helyezzük egy edénybe, amelynek jobb falának hőmérséklete T2, a balé pedig T1, ahol T2>T1 (2. ábra). Az N2O4 disszociációja nagyobb mértékű lesz az ér azon részében, ahol több van magas hőmérsékletű. Következésképpen a NO2 koncentrációja az edény jobb oldalán nagyobb lesz, mint a bal oldalon, és megfigyelhető a NO2 molekulák jobbról balra és az N2O4 balról jobbra történő diffúziója. A reakcióedény jobb oldalához érve azonban az N2O4 molekulák újra disszociálnak az energia felvételével hő formájában, a NO2 molekulák pedig az edény bal oldalát érve dimerizálódnak az energia felszabadulásával, hő formájában. hőség. Ez azt jelenti, hogy a disszociációs reakció lefolyásához a közönséges hővezető képesség és a hővezetőképesség szuperpozíciója kapcsolódik. Ez a probléma mennyiségileg megoldott, és lehetővé teszi az egyensúlyi keverék összetételének meghatározását.
1.2.6 Galvanikus cella elektromotoros erejének (EMF) mérése
A galvánelemek EMF-jének mérése egyszerű és pontos módszer a kémiai reakciók termodinamikai függvényeinek kiszámítására. Csak 1) olyan galvánelemet kell összeállítani, hogy a benne végbemenő reakció egybeessen a vizsgálttal, amelynek egyensúlyi állandóját meg kell határozni; 2) mérje meg egy galvánelem EMF-jét termodinamikai egyensúlyi folyamatban. Ehhez az szükséges, hogy a megfelelő áramfejlesztő folyamat végtelenül lassan történjen, vagyis az elem végtelenül kis áramerősséggel működjön, ezért a kompenzációs módszerrel mérik a galvánelem EMF-jét, amely azon alapul, hogy a vizsgált galvánelem külső potenciálkülönbség ellenében sorba van kapcsolva, és az utóbbit úgy választottuk meg, hogy az áramkörben ne legyen áram. A kompenzációs módszerrel mért EMF érték megfelel az elemben végbemenő termodinamikai egyensúlyi folyamatnak és a folyamat hasznos munkája maximális és egyenlő a Gibbs-energia veszteséggel.
https://pandia.ru/text/78/005/images/image035_12.gif" width="181" height="29 src="> (20)
p esetén T=const, ahol F– Faraday-szám = 96500 C/mol, n az elektródreakciókban részt vevő elektronok számának legkisebb közös többszöröse, Eo- szabványos EMF, V.
Az egyensúlyi állandó értéke a (21) összefüggésből kereshető.
(21)
2. PÉLDA AZ EGYENSÚLYI ÁLLANDÓ ÉRTÉKÉNEK MEGHATÁROZÁSÁRA VONATKOZÓ LABORATÓRIUMI MUNKÁRA
A fizikai kémiai műhelyekben gyakran találkozhatunk fém-karbonátok disszociációs reakciójának vizsgálatával kapcsolatos laboratóriumi munkákkal. hozzuk összefoglaló hasonló munka.
A munka célja – az egyensúlyi állandó meghatározása és a karbonátbomlási reakció fő termodinamikai mennyiségeinek kiszámítása.
Kalcium-karbonát https://pandia.ru/text/78/005/images/image038_12.gif" width="192" height="29"> , (22)
ebben az esetben gáznemű szén-monoxid (IV), szilárd kalcium-oxid képződik és a disszociálatlan kalcium-karbonát egy része visszamarad.
A (22) reakció egyensúlyi állandóját a következőképpen írjuk fel:
, (23)
ahol https://pandia.ru/text/78/005/images/image041_11.gif" width="68" height="51"> általában vagy ; a tiszta szilárd vagy folyékony fázisok aktivitása megegyezik a https:// pandia. ru/text/78/005/images/image044_10.gif" width="76" height="28 src=">.
Ha a nyomást atmoszférában mérik, akkor = https://pandia.ru/text/78/005/images/image046_9.gif" width="87" height="53"> . (24)
A szén-dioxid kalcium-karbonát feletti egyensúlyi nyomását a CaCO3 disszociációs rugalmasságának nevezzük.
Azaz a kalcium-karbonát disszociációs reakciójának egyensúlyi állandója lesz számszerűen egyenlő a karbonát disszociáció rugalmasságával, ha ez utóbbit atmoszférában fejezzük ki. Így a kalcium-karbonát disszociációs rugalmasságának kísérleti meghatározása után meg lehet határozni ennek a reakciónak az egyensúlyi állandójának értékét.
kísérleti rész
A kalcium-karbonát disszociációjának rugalmasságának meghatározására szolgál statikus módszer. Lényege a szén-dioxid nyomásának közvetlen mérése adott hőmérsékleten a berendezésben.
Felszerelés. A berendezés fő elemei: hőálló anyagból készült reakcióedény (1), amely elektromos kemencében van elhelyezve (2); egy higany manométer (3), amely hermetikusan kapcsolódik a reakcióedényhez és egy csapon (4) keresztül egy kézi vákuumszivattyúhoz (5). A kemencében a hőmérsékletet egy szabályozó (6), a hőmérsékletet egy hőelem (7) és egy voltmérő (8) szabályozza. A vizsgált porszerű anyagot (9) (fém-karbonátokat) bizonyos mennyiségben a reakcióedénybe helyezzük.
Munkarend. A rendszer tömítettségének ellenőrzése után kapcsolja be a sütőt, és egy szabályozó segítségével állítsa be a reakcióedény kívánt kezdeti hőmérsékletét. Jegyezze fel a hőelem és a nyomásmérő első leolvasását. Ezt követően a szabályozó (6) segítségével 10-20 fokkal megemeljük a kemencében a hőmérsékletet, megvárják az új állandó hőmérsékleti érték felállítását és rögzítik az ennek megfelelő nyomásértéket. Így fokozatosan növelve a hőmérsékletet, legalább 4-5 mérést végzünk. A kísérlet befejezése után a kemencét lehűtjük, és a rendszert egy szelepen (4) keresztül csatlakoztatjuk a légkörhöz. Ezután kapcsolja ki a sütőt és a voltmérőt. A kapott kísérleti adatok feldolgozása után kiszámolható a disszociációs reakció egyensúlyi állandója.
3. ábra. Telepítés a disszociáció rugalmasságának meghatározására
fém-karbonátok.
3. AZ EGYENSÚLYI ÁLLANDÓK MEGHATÁROZÁSA
KÍSÉRLET NÉLKÜL
3.1 Kémiai reakció egyensúlyi állandójának kiszámítása a
a reakció standard Gibbs-mólfüggvényének értéke
Ez a módszer egyáltalán nem jár kísérletezéssel. Ha ismert a reakció standard moláris entalpiája és entrópiája adott hőmérsékleten, akkor a megfelelő egyenletek segítségével kiszámítható a vizsgált reakció standard Gibbs-mólfüggvénye a kívánt hőmérsékleten, és ezen keresztül a reakció értéke. egyensúlyi állandó.
Ha egy adott hőmérsékleten a standard moláris entrópia és entalpia értéke ismeretlen, akkor használhatja a Temkin és Schwartzman módszert, azaz a standard moláris entalpia és entrópia értékét 298 K hőmérsékleten és a a reakció moláris hőkapacitásának hőmérsékletfüggési együtthatóinak értékeit, számítsa ki a reakció standard moláris Gibbs-energiáját bármely hőmérsékletre.
https://pandia.ru/text/78/005/images/image051_7.gif" width="137" height="25 src="> - referencia együtthatók, amelyek nem függenek a reakció természetétől, és csak meghatározhatók hőmérsékleti értékek szerint.
3.2 Az egyensúlyok kombinálásának módja
Ezt a módszert a gyakorlati kémiai termodinamikában alkalmazzák. Például kísérletileg azonos hőmérsékleten két reakció egyensúlyi állandóját találták meg
1. CH3OH(g) + CO ⇄ HCOOCH3(g) 
. (26)
2. H2 + 0,5 HCOOCH3 (g) ⇄ CH3OH (g) 
. (27)
A metanol szintézis reakciójának egyensúlyi állandója
3..gif" width="31" height="32"> és :
. (29)
3.3 Egy kémiai reakció egyensúlyi állandójának kiszámítása egy adott hőmérsékleten ugyanazon reakció egyensúlyi állandóinak ismert értékeiből két másik hőmérsékleten
Ez a számítási módszer egy kémiai reakció izobárja (van't Hoff izobár) egyenletének megoldásán alapul.
, (30)
ahol https://pandia.ru/text/78/005/images/image060_3.gif" width="64" height="32"> és így néz ki:
. (31)
Ezzel az egyenlettel, ismerve az egyensúlyi állandókat két különböző hőmérsékleten, kiszámítható a reakció standard moláris entalpiája, ennek és az egy hőmérsékleten fennálló egyensúlyi állandó ismeretében pedig bármely más hőmérsékleten kiszámítható az egyensúlyi állandó.
4. PÉLDÁK PROBLÉMAMEGOLDÁSRA
Határozzuk meg az y N2 + H2 ⇄ NH3 ammóniaszintézis egyensúlyi állandóját, ha az ammónia egyensúlyi mólhányada 1 atm és 600 K mellett 0,4. A kezdeti keverék sztöchiometrikus, a kezdeti keverékben nincs termék.
Adott: y reakció N2 + H2 ⇄ NH3, 1 atm, 600 K = 1,5 mol; = 0,5 mol; = 0 mol = 0,4 Keresse meg: - ?
Megoldás
A probléma feltételéből ismerjük a sztöchiometrikus egyenletet, valamint azt a tényt, hogy a kezdeti pillanatban a nitrogén móljainak száma megegyezik a sztöchiometrikus értékkel, azaz 0,5 mol (https://pandia.ru /text/78/005/images/image069_3.gif " width="247" height="57 src=">
Felírjuk a reakciót, az elemek szimbóluma alatt feltüntetjük az anyagok kezdeti és egyensúlyi mólszámát
y N2 + H2 ⇄ NH3
0,5 - 0,5ξ 1,5 - 1,5 ξ ξ
A reakcióban résztvevő összes mólszáma a rendszerben az egyensúly pillanatában
https://pandia.ru/text/78/005/images/image073_4.gif" width="197" height="56 src=">.gif" width="76" height="48 src=">
https://pandia.ru/text/78/005/images/image077_0.gif" width="120" height="47">
= 3,42
A kémiai egyensúly közvetlen problémájának megoldása annak a rendszernek az egyensúlyi összetételének kiszámítása, amelyben egy adott reakció (több reakció) végbemegy. Nyilvánvalóan a megoldás alapja a kémiai egyensúly törvénye. A törvényben szereplő összes változót csak bármelyiken kell kifejezni: például a kémiai reakció mélységén, a disszociáció fokán vagy valamilyen egyensúlyi móltörten keresztül. Jobb kiválasztani, hogy melyik változót kényelmes használni a probléma adott körülményei alapján.
2. feladat
A gázreakció egyensúlyi állandója a hidrogén-jodid szintéziséhez
H2 + I2 ⇄ 2HI 600 K hőmérsékleten és atmoszférában kifejezett nyomáson van kr= 45,7. Határozza meg ennek a reakciónak az egyensúlyi mélységét és a termék egyensúlyi hozamát adott 1 atm hőmérsékleten és nyomáson, ha a kezdeti időpontban a kiindulási anyagok mennyisége sztöchiometrikusnak felel meg, és nincs reakciótermék. kezdeti pillanat.
Adott kr= 45.7. = 1 mol; https://pandia.ru/text/78/005/images/image081_1.gif" width="68" height="27 src="> mol. Keresse meg: - ? - ?
Megoldás
Írjuk fel magát a reakciót, és az egyes résztvevők mólszámának elemeinek szimbólumai alá a kezdeti pillanatban és a (4) képlettel felállított egyensúlyi pillanatban!
1 - ξ 1 - ξ 2ξ
1 - ξ + 1 - ξ +2ξ = 2
A reakció összes résztvevőjének egyensúlyi móltörtjeit és parciális nyomását egyetlen változón keresztül fejezzük ki - a kémiai reakció mélységét
https://pandia.ru/text/78/005/images/image085_1.gif" width="144" height="47 src=">.
A tömeghatás törvénye vagy a kémiai egyensúly törvénye
https://pandia.ru/text/78/005/images/image082_1.gif" width="13" height="23 src=">= 0,772.
3. feladat
Feltétele csak annyiban tér el a 2. feladattól, hogy a hidrogén és jód kezdeti mennyisége 3, illetve 2 mol. Számítsa ki az egyensúlyi keverék moláris összetételét!
Adott: Lehetséges reakció: H2+I2= 2HI. 600 K, 1 atm. kr = 45,7 .
3 mol; anyajegy; mol. Keresse meg: - ?.gif" width="32" height="27"> 1 1 0
3 - ξ 2 - ξ 2ξ
A reakcióban résztvevő összes mólszáma az egyensúlyi pillanatban:
3 - ξ + 2 - ξ +2ξ = 5
A reakcióban résztvevő összes résztvevő egyensúlyi mólfrakciói és parciális nyomásai, egyetlen változóban kifejezve - a kémiai reakció mélysége
A parciális nyomások behelyettesítése a kémiai egyensúly törvényébe a következőket adja:
https://pandia.ru/text/78/005/images/image090_1.gif" width="13" height="21"> és számítsa ki az egyensúlyi állandót, majd készítsen egy grafikont, és határozza meg belőle a megfelelő reakciómélységet a találthoz az egyensúlyi állandó értéke.
= 1,5 =
12
https://pandia.ru/text/78/005/images/image067_4.gif" width="29" height="29 src="> =29,7
https://pandia.ru/text/78/005/images/image067_4.gif" width="29" height="29 src="> = 54
https://pandia.ru/text/78/005/images/image083_1.gif" width="35 height=25" height="25">= 0,712
A munka elvégzéséhez a következő feladatokat kell elvégeznie
1. Feladat
1. Ismertessen egy módszert a szén-dioxid rugalmasságának kísérleti meghatározására a СaCO3⇄CaO+CO2 disszociációs reakció vizsgálata során
(1-15. lehetőség, 3. táblázat);
2. Írja fel a vizsgált reakcióra vonatkozó kémiai egyensúly törvényét! meghatározza a kalcium-karbonát disszociációs reakciójának egyensúlyi állandóinak értékét kísérleti adatok alapján (3. táblázat) különböző hőmérsékleteken; feladatok a B szakaszból (a jelzett lehetőség szerint) és az 1-3, p feladatok;
3. Írja fel az egyensúlyi állandó definiáló kifejezését, és elméletileg számítsa ki a vizsgált reakció egyensúlyi állandóját a táblázatban feltüntetett utolsó hőmérsékleten!
2. feladat
1. Készítsen választ az 1. kérdésre (1-15. lehetőség, 4. táblázat)
2. Oldja meg a 2. és 3. feladatot.
A munka elvégzéséhez szükséges referenciaadatok
Mennyiség a Gibbs-energia standard moláris változásának kiszámításához Temkin és Schwartzman módszerével
Asztal 1
Termodinamikai adatok a Gibbs standard moláris energia kiszámításához
2. táblázat
Kísérleti adatok az 1. feladathoz
3. táblázat
választási lehetőség | Kísérleti adatok |
|||
t, oC | ||||
p, Hgmm | ||||
p, Hgmm | ||||
p, Hgmm | ||||
p, Hgmm | ||||
p, Hgmm | ||||
p, Hgmm | ||||
p, Hgmm | ||||
p, Hgmm | ||||
p, Hgmm | ||||
p, Hgmm | ||||
p, Hgmm | ||||
p, Hgmm | ||||
p, Hgmm | ||||
p, Hgmm | ||||
p, Hgmm |
Feladatkörülmények a 2. feladat teljesítéséhez
4. táblázat
1 lehetőség | 1. Meséljen nekünk a kémiai egyensúlyi állandók értékeinek meghatározására szolgáló kémiai módszerekről. 2. Létezik az A és B gáznemű anyagok keveréke, amely a 0,5 A + 2B = C sztöchiometrikus egyenlet szerint C reakciótermék keletkezésével kémiai reakcióba léphet. A kezdeti időpontban nincs reakció. terméket a rendszerben, és a kiindulási anyagokat sztöchiometrikus mennyiségben veszik. Az egyensúly létrejötte után az egyensúlyi keverékben a C termék móljainak száma 0,4, a teljes nyomás pedig 2 atm. Keresse meg az egyensúlyi állandót a p-skálában! 3 . 1273 K-en és 30 atm össznyomáson a CO2(g) + C(s) = 2CO(g) feltételezett reakciójú egyensúlyi keverék 17 térfogat% CO2-t tartalmaz. Hány százalékos CO2 lesz a gázban 20 atm össznyomásnál?. Milyen nyomáson lesz a gáz 25% CO2-t tartalmaz? |
2. lehetőség | 1 . Mondja el a kémiai egyensúlyi állandó értékének nyomásméréssel történő meghatározásának fizikai módszerét! 2. Létezik A és B gáznemű keverék, amely a 2A + B = C sztöchiometrikus egyenlet szerint C reakciótermék keletkezésével kémiai reakcióba léphet. Kezdetben nincs reakciótermék a rendszerben, és a kiindulási anyagokat sztöchiometrikus mennyiségben veszik fel. Az egyensúly létrejötte után az egyensúlyi keverék 0,5 mólszámot tartalmaz a C termékből, és a teljes nyomás 2 atm. Keresse meg az egyensúlyi állandót a p-skálában! 3 . 2000 °C-on és 1 atm össznyomáson a víz 2%-a hidrogénné és oxigénné disszociál a H2O(g)= H2(g) + 0,5 O2(g) reakció szerint. Számítsa ki a reakció egyensúlyi állandóját ilyen körülmények között! |
3 lehetőség | 1 . Ismertesse az egyensúlyi állandó értékének sűrűségméréssel történő meghatározásának módszerét! Milyen módszerekre vonatkozik ez a módszer? 2. Létezik A és B gáznemű keverék, amely az A + 2B = C sztöchiometrikus egyenlet szerint C reakciótermék keletkezésével kémiai reakcióba léphet. Kezdetben nincs reakciótermék a rendszerben, és a kiindulási anyagokat sztöchiometrikus mennyiségben veszik fel. Az egyensúly létrejötte után az egyensúlyi keverék 0,6 mólszámot tartalmaz a C termékből, és a teljes nyomás 2 atm. Keresse meg az egyensúlyi állandót a p-skálában! 3 . A CO(g) + H2O(g) = H2(g) + CO2(g) reakció egyensúlyi állandója 500 °C-on 5,5 ([p]=1 atm). 1 mol CO-ból és 5 mol vízből álló keveréket erre a hőmérsékletre melegítettük. Számítsd ki a víz mólhányadát az egyensúlyi keverékben! |
4 lehetőség | 1 . Ismertessen egy módszert az egyensúlyi állandó értékének a parciális nyomás közvetlen mérésével történő meghatározására! 2. Létezik olyan A és B gáznemű keverék, amely a 0,5 A + B \u003d C sztöchiometrikus egyenlet szerint C reakciótermék keletkezésével kémiai reakcióba léphet. A kezdeti időpontban nincs reakcióterméket a rendszerben, és a kiindulási anyagokat sztöchiometrikus mennyiségben veszik fel. Az egyensúly létrejötte után az egyensúlyi keverék 0,3 mólszámot tartalmaz a C termékből, és a teljes nyomás 1,5 atm. Keresse meg az egyensúlyi állandót a p-skálában! 3 .Az N2O4 (g) \u003d 2NO2 (g) reakció egyensúlyi állandója 25 °C-on 0,143 ([p] \u003d 1 atm). Számítsa ki azt a nyomást, amely ezen a hőmérsékleten 1 literes edényben 1 g N2O4-et tartalmaz. |
5 lehetőség | 1 . Hogyan határozhatja meg egy reakció egyensúlyi állandójának értékét kísérletezés nélkül? 2. Létezik A és B gáznemű keverék, amely a 0,5 A + 3B = C sztöchiometrikus egyenlet szerint C reakciótermék keletkezésével kémiai reakcióba léphet. A kezdeti időpontban nincs reakció. terméket a rendszerben, és a kiindulási anyagokat sztöchiometrikus mennyiségben veszik. Az egyensúly létrejötte után az egyensúlyi keverékben a C termék móljainak száma 0,3, a teljes nyomás pedig 2 atm. Keresse meg az egyensúlyi állandót a p-skálában! 3 . Egy 3 literes, 1,79·10-2 mol I2-t tartalmazó edényt 973 K-re melegítettünk. A nyomás az edényben egyensúlyi állapotban 0,49 atm. Ideális gázokat feltételezve számítsa ki a reakció egyensúlyi állandóját 973 K-en I2(r) = 2I(r). |
6 lehetőség | 1. A reakció izobár egyenlet segítségével meghatározzuk a kémiai egyensúlyi állandó értékét korábban feltáratlan hőmérsékleten. 2. Létezik A és B gáznemű keverék, amely a 3A + B = C sztöchiometrikus egyenlet szerint C reakciótermék keletkezésével kémiai reakcióba léphet. Kezdetben nincs reakciótermék a rendszerben, és a kiindulási anyagokat sztöchiometrikus mennyiségben veszik fel. Az egyensúly létrejötte után az egyensúlyi keverékben a C termék móljainak száma 0,4, a teljes nyomás pedig 2 atm. Keresse meg az egyensúlyi állandót a p-skálában! 3 . A PCl5(g) =PCl3(g) +Cl2(g) reakciónál 250 °C-on a Gibbs-energia standard moláris változása -2508 J/mol. Milyen össznyomáson lesz a PCl5 PCl3-má és Cl2-vé való átalakulásának mértéke 30% 250 °C-on? |
7 lehetőség | 1. Az a rendszer, amelyben az A + 3B = 2C endoterm gázfázisú reakció végbemegy, 400 K-en és 5 atm-en egyensúlyban van. Ha a gázok ideálisak, hogyan befolyásolja a termék hozamát inert gáz állandó térfogatú hozzáadása? 2. Létezik olyan A és B gáznemű keverék, amely a 2A + B = 2C sztöchiometrikus egyenlet szerint a C reakciótermék képződésével kémiai reakcióba léphet. A kezdeti pillanatban nincs reakciótermék a rendszerben, a kiindulási anyagokat sztöchiometrikus mennyiségben veszik fel. Az egyensúly létrejötte után az egyensúlyi keverékben a C termék móljainak száma 0,3, a teljes nyomás pedig 2 atm. Keresse meg az egyensúlyi állandót a p-skálában! 3 . A 2HI(g) = H2 + I2(g) reakciónál az egyensúlyi állandó az Kp\u003d 0,0183 ([p] \u003d 1 atm) 698,6 K-en. Hány gramm HI keletkezik, ha 10 g I2-t és 0,2 g H2-t erre a hőmérsékletre melegítünk egy háromliteres edényben? Mekkora a H2, I2 és HI parciális nyomása? |
8 lehetőség | 1. Az a rendszer, amelyben az A + 3B = 2C endoterm gázfázisú reakció végbemegy, 400 K-en és 5 atm-en egyensúlyban van. Ha a gázok ideálisak, hogyan befolyásolja a termék hozamát a hőmérséklet emelése? 2. Létezik olyan A és B gáznemű keverék, amely a 0,5A + 2B = 2C sztöchiometrikus egyenlet szerint a C reakciótermék képződésével kémiai reakcióba léphet. A kezdeti pillanatban nincs reakciótermék a rendszerben, a kiindulási anyagokat sztöchiometrikus mennyiségben veszik fel. Az egyensúly létrejötte után az egyensúlyi keverékben a C termék móljainak száma 0,3, a teljes nyomás pedig 2 atm. Keresse meg az egyensúlyi állandót a p-skálában! 3 . Egy 0,341 mol PCl5-öt és 0,233 mol nitrogént tartalmazó 1 literes edényt 250 °C-ra melegítettünk. A teljes nyomás az edényben egyensúlyi állapotban 29,33 atm. Minden gázt ideálisnak tekintve számítsuk ki az edényben végbemenő PCl5(g) = PCl3(g) + Cl2(g) reakció egyensúlyi állandóját 250 °C-on. |
9 lehetőség | 1 . A rendszer, amelyben az endoterm gázfázisú reakció A+3B=2C megy végbe, 400 K-en és 5 atm-en egyensúlyban van. Ha a gázok ideálisak, hogyan befolyásolja a nyomásnövekedés a termék hozamát? 2. Létezik olyan A és B gáznemű keverék, amely a 0,5A + B = 2C sztöchiometrikus egyenlet szerint a C reakciótermék képződésével kémiai reakcióba léphet. A kezdeti pillanatban nincs reakciótermék a rendszerben, a kiindulási anyagokat sztöchiometrikus mennyiségben veszik fel. Az egyensúly létrejötte után az egyensúlyi keverék 0,5 mólszámot tartalmaz a C termékből, és a teljes nyomás 2 atm. Keresse meg az egyensúlyi állandót a p-skálában! 3 . A CO(g) + 2H2 = CH3OH(g) reakció egyensúlyi állandója 500 K hőmérsékleten kr= 0,00609 ([p] = 1 atm). Számítsa ki a metanol 90%-os termeléséhez szükséges össznyomást, ha a CO-t és a H2-t 1:2 arányban vesszük. |
10 lehetőség | 1. Ismertesse az egyensúlyi állandók parciális nyomás méréssel történő meghatározásának módszerét! 2. Létezik olyan A és B gáznemű keverék, amely a C reakciótermék képződésével kémiai reakcióba léphet a 0,5A + 1,5B = 2C sztöchiometrikus egyenlet szerint. A kezdeti pillanatban nincs reakciótermék a rendszerben, a kiindulási anyagokat sztöchiometrikus mennyiségben veszik fel. Az egyensúly létrejötte után az egyensúlyi keverékben a C termék móljainak száma 0,4, a teljes nyomás pedig 2 atm. Keresse meg az egyensúlyi állandót a p-skálában! 3 . A 2NOCl(g)=2NO(g)+Cl2(g) reakcióban az egyensúly 227°C-on és 1,0 bar össznyomáson jön létre, amikor a NOCl parciális nyomása 0,64 bar (kezdetben csak NOCl volt jelen). Számítsa ki ezt a reakciót az adott hőmérsékleten! |
11 lehetőség | 1 . Ismertesse az egyensúlyi állandók meghatározásának kémiai módszereit! 2. Létezik olyan A és B gáznemű keverék, amely a 2A + 0,5B = 2C sztöchiometrikus egyenlet szerint a C reakciótermék képződésével kémiai reakcióba léphet. A kezdeti pillanatban nincs reakciótermék a rendszerben, a kiindulási anyagokat sztöchiometrikus mennyiségben veszik fel. Az egyensúly létrejötte után az egyensúlyi keverékben a C termék móljainak száma 0,2, a teljes nyomás pedig 2 atm. Keresse meg az egyensúlyi állandót a p-skálában! 3 . Számítsa ki azt a teljes nyomást, amelyet 3 rész H2-ből és 1 rész N2-ből álló keverékre kell alkalmazni, hogy 10 térfogat% NH3-t tartalmazó egyensúlyi keveréket kapjunk 400 °C-on. Az N2(g) + 3 H2(g)=2NH3(g) reakció egyensúlyi állandója 400 °C-on és a nyomás kifejezése atm-ben 1,6 10-4. |
12 lehetőség | 1 . A rendszer, amelyben az endoterm gázfázisú reakció A+3B=2C megy végbe, 400 K-en és 5 atm-en egyensúlyban van. Ha a gázok ideálisak, hogyan befolyásolja a termék hozamát a nyomáscsökkenés? 2. Létezik olyan A és B gáznemű keverék, amely kémiai reakcióba léphet a C reakciótermék képződésével, a 2A + B = 0,5C sztöchiometrikus egyenlet szerint. A kezdeti pillanatban nincs reakciótermék a rendszerben, a kiindulási anyagokat sztöchiometrikus mennyiségben veszik fel. Az egyensúly létrejötte után az egyensúlyi keverékben a C termék móljainak száma 0,4, a teljes nyomás pedig 2 atm. Keresse meg az egyensúlyi állandót a p-skálában! 3 . 250 °C-on és 1 atm össznyomáson a PCl5 80%-ban disszociál a PCl5(g) = PCl3(g) + Cl2(g) reakció szerint. Mekkora lesz a PCl5 disszociációja, ha nitrogént adunk a rendszerhez úgy, hogy a nitrogén parciális nyomása 0,9 atm? A teljes nyomást 1 atm értéken tartják. |
13 lehetőség | 1 . Rendszer, amelyben exoterm reakció megy végbe CO(g) + 2H2 = CH3OH(g) egyensúlyban van 500 K hőmérsékleten és 10 bar nyomáson. Ha a gázok ideálisak, hogyan befolyásolja a metanol hozamát a nyomáscsökkenés? 2. Létezik olyan A és B gáznemű keverék, amely kémiai reakcióba léphet a C reakciótermék képződésével, az 1.5A + 3B = 2C sztöchiometrikus egyenlet szerint. A kezdeti pillanatban nincs reakciótermék a rendszerben, a kiindulási anyagokat sztöchiometrikus mennyiségben veszik fel. Az egyensúly létrejötte után az egyensúlyi keverék 0,5 mólszámot tartalmaz a C termékből, és a teljes nyomás 2 atm. Keresse meg az egyensúlyi állandót a p-skálában! 3 . A CO(g) + 2H2 = CH3OH(g) reakció egyensúlyi állandója 500 K-en 6,09 × 10 5 ([p] = 1 atm). Az 1 mol CO-t tartalmazó reakcióelegy, 2 mol H2-t és 1 mol inert gázt (nitrogént) 500 K hőmérsékletre és 100 atm össznyomásra melegítenek. Számítsa ki a reakcióelegy összetételét! |
14 lehetőség | 1 . Ismertessen egy módszert az egyensúlyi állandók elektrokémiai adatokból történő meghatározására! 2. Létezik A és B gázhalmazállapotú anyagok keveréke, amely a 2A + 0,5B = C sztöchiometrikus egyenlet szerint C reakciótermék keletkezésével kémiai reakcióba léphet. A kezdeti időpontban nincs reakció. terméket a rendszerben, és a kiindulási anyagokat sztöchiometrikus mennyiségben veszik fel. Az egyensúly létrejötte után az egyensúlyi keverékben a C termék móljainak száma 0,4, a teljes nyomás pedig 2 atm. Keresse meg az egyensúlyi állandót a p-skálában! 3. Az N2 (g) + 3 H2 (g) \u003d 2NH3 (g) reakciónál 298 K hőmérsékleten az egyensúlyi állandó atm nyomásban kifejezve 6,0 × 10 5, és az ammóniaképződés standard moláris entalpiája = -46,1 kJ / mol . Keresse meg az egyensúlyi állandó értékét 500 K-en. |
15 lehetőség | 1 . A CO(g) + 2H2 = СH3OH(g) exoterm reakciójú rendszer 500 K hőmérsékleten és 10 bar nyomáson egyensúlyban van. Ha a gázok ideálisak, hogyan befolyásolja a metanol hozamát a hőmérséklet csökkentése. 2. Létezik olyan A és B gáznemű keverék, amely a C reakciótermék képződésével kémiai reakcióba léphet, a 2A + B = 1,5C sztöchiometrikus egyenlet szerint. A kezdeti pillanatban nincs reakciótermék a rendszerben, a kiindulási anyagokat sztöchiometrikus mennyiségben veszik fel. Az egyensúly létrejötte után az egyensúlyi keverék 0,5 mólszámot tartalmaz a C termékből, és a teljes nyomás 2 atm. Keresse meg az egyensúlyi állandót a p-skálában! 3. Az N2(g) + 3 H2(g)= 2NH3(g) reakció egyensúlyi állandója 400 °C-on és atm-ben kifejezve 1,6 10-4. Milyen össznyomást kell kifejteni nitrogén és hidrogén ekvimoláris keverékére, hogy a nitrogén 10%-a ammóniává alakuljon? Feltételezzük, hogy a gázok ideálisak. |
Helyénvalónak tűnik a következő részeket beépíteni a laboratóriumi munkajelentésbe: bevezetés, 1. rész, 2. rész, következtetések.
1. Bemutatkozás röviden elméleti információkat tud bemutatni az alábbi kérdések valamelyikéről: akár a tömeghatás törvényéről, akár a felfedezés történetéről és szerzőiről; vagy a „Kémiai egyensúly” fejezet alapfogalmairól és meghatározó összefüggéseiről; vagy levezetni a kémiai egyensúly törvényét annak modern megfogalmazásában; vagy beszéljünk az egyensúlyi állandó értékét befolyásoló tényezőkről stb.
A „Bevezetés” részt a munka célkitűzéseinek megfogalmazásával kell zárni.
1. rész szükséges
2.1. Mutassa be a fém-karbonátok disszociációs rugalmasságának meghatározására szolgáló berendezést, és írja le a kísérlet menetét!
2.2 . Adja meg az egyensúlyi állandó számításának eredményeit a kísérleti adatok szerint!
2.3. Adja meg az egyensúlyi állandó számítását a termodinamikai adatok alapján!
2. rész szükséges
3.1 . Teljes indokolással válaszoljon a 2. feladat 1. kérdésére!
3.2 . Adja meg a 2. feladat 2. és 3. feladatának megoldását! A feladatok feltételét szimbolikus jelöléssel kell felírni!
A következtetésekben célszerű a munkában kitűzött célok teljesülését tükrözni, valamint a 2.2 és 2.3 pontokban számított egyensúlyi állandó értékeit összevetni.
Bibliográfiai lista
1. Karjakin a kémiai termodinamikáról: Proc. juttatás az egyetemek számára. M.: Akadémia., 20-as évek.
2. Prigogine I., Kondepudi D. Modern termodinamika. A hőmotoroktól a disszipatív szerkezetekig. M.: Mir, 20-as évek.
3., Cserepanov a fizikai kémiáról. Eszközkészlet. Jekatyerinburg: az Uráli Állami Egyetem kiadója, 2003.
4. A fizikai és kémiai mennyiségek rövid referenciakönyve / Szerk. És. L .: Kémia, 20-as évek.
5. Fizikai kémia feladatok: tankönyv. egyetemi pótlék / stb. M .: Vizsga, 20-as.
Számítógépes elrendezés
Bizonyos esetekben nemcsak a redoxreakció irányát kell ismerni, hanem azt is, hogy az milyen mértékben megy végbe. Így például a kvantitatív elemzésben csak azokra a reakciókra lehet támaszkodni, amelyek gyakorlatilag 100%-ban lezajlanak (vagy megközelítik azt).
A reakció balról jobbra haladásának mértékét az egyensúlyi állandó határozza meg. A reakcióhoz
A tömeghatás törvénye szerint ezt írhatjuk:
ahol K az egyensúlyi állandó, megmutatja, hogy mekkora az arány az ionok koncentrációja és az egyensúlyi állapot között.
Az egyensúlyi állandót a következőképpen határozzuk meg. A (3) egyenletben (152. o.) helyettesítse be a párok normálpotenciáljának értékeit, és keresse meg:
Egyensúlynál = vagy
Az egyensúlyi állandó azt mutatja, hogy a cink kiszorítja a rézionokat az oldatból, amíg az ionok koncentrációja az oldatban többszöröse nem lesz az ionok koncentrációjának. Ez azt jelenti, hogy a vizsgált reakció gyakorlatilag a végére ér.
Ha például a koncentráció a reakció elején 0,1 m, akkor egyensúlyi állapotban 0,1 - x, míg a koncentráció x.
Az egyenletet megoldva az egyensúlyi koncentráció nagyon közel van 0,1 m-hez.
Ha azonban meg tudnánk változtatni a kölcsönható komponensek arányát úgy, hogy az , azaz. vagy akkor a reakció jobbról balra (azaz ellenkező irányba) menne.
Bármely redox folyamat egyensúlyi állandója kiszámítható, ha az adott reakciók redox potenciálja ismert.
Az egyensúlyi állandó a redoxpotenciálokhoz kapcsolódik a következő általános képlettel:
ahol K a reakció egyensúlyi állandója; és normál potenciálok (oxidálószer és redukálószer); n az ion töltése (a redukálószer által adományozott és az oxidálószer által befogadott elektronok száma).
A (4) képletből megtaláljuk az egyensúlyi állandót:
Az egyensúlyi állandó ismeretében kísérleti adatok igénybevétele nélkül ki lehet számítani, hogy a reakció mennyire megy végbe.
Így például a reakcióban
egy párnál = -0,126 V, egy párnál = -0,136 V.
Ezeket az adatokat a (4) egyenletbe behelyettesítve azt kapjuk, hogy:
A 2,21-es szám azt jelenti, hogy a vizsgált reakcióban az egyensúly akkor áll be, ha az ionok koncentrációja 2,21-szer kisebb lesz, mint az ionok koncentrációja.
Az ionok koncentrációja egyensúlyban 2,21-szer nagyobb, mint az ionok koncentrációja. Ezért minden 2,21 gramm ionhoz 1 gramm ion tartozik. Az oldat összesen 3,21 gramm iont tartalmaz (2,21 + 1). Így az oldatban 2,21 gramm ion van 3,21 gramm iononként, és 100 részenként x rész lesz.
Ezért ez a reakció visszafordítható. Számítsa ki a reakció egyensúlyi állandóját:
Egy pár potenciál = 1,51 V, egy pár potenciál = 0,77 V. Ezeket a potenciálértékeket a (4) egyenletbe behelyettesítve azt kapjuk, hogy:
Ez az állandó azt mutatja, hogy az egyensúly akkor áll be, ha a számlálóban lévő (a reakció során kialakuló) ionkoncentráció szorzata a nevező ionok koncentrációjának szorzata (reagál) lesz.
Nyilvánvaló, hogy ez a reakció szinte visszafordíthatatlanul megy végbe (azaz 100%-ban balról jobbra).
A reakcióhoz
A számítás (hasonlóan a fentihez) azt mutatja, hogy ez a reakció .
Az egyensúly a reakció körülményeitől függően változik.
A közeg reakciója rendkívüli hatással van az állandó értékére. Így például az arzénsav redukciós reakciója jódionnal savas közegben a következő egyenlet szerint megy végbe:
Az arzénsav redukciós potenciálja lúgos közegben sokkal kisebb. Ezért lúgos közegben a fordított folyamat megy végbe:
Semleges környezetben mindkét folyamat a következőképpen ábrázolható:
ezt azonban nem teszik meg.
Az első egyenlet szerinti folyamat nem fog működni, mert az ionok felhalmozódásával jár, amelyek az ellenkező irányba irányítják a folyamatot; csak a hidroxidionokat semlegesítő savas környezet létrehozásakor fog balról jobbra haladni.
A második egyenlet szerint a folyamat nem fog működni, mert az ionok felhalmozódásával jár, amelyeket lúggal kell semlegesíteni, ha szükséges, hogy a reakció balról jobbra haladjon.
A folyamat optimális áramlásához szükséges reakcióközeg létrehozására a következő szabály vonatkozik:
Ha egy redox reakció eredményeként hidrogén- vagy hidroxidionok halmozódnak fel, akkor a folyamat kívánt lefolyásához olyan környezetet kell létrehozni, amely ellentétes tulajdonságokkal rendelkezik: ionok felhalmozódása esetén a környezetnek lúgosnak kell lennie, ionok felhalmozódása esetén a környezetnek savasnak kell lennie.
A reakcióhoz olyan komponenseket kell bevenni, amelyek ugyanolyan környezetet igényelnek (savas vagy lúgos). Ha a reakcióban az egyik anyag savas környezetben redukálószer, a másik pedig lúgos környezetben oxidálószer, akkor a folyamat gátolható; Ebben az esetben a folyamat csak akkor ér véget nagy különbség potenciálok, azaz nagy reakcióállandónál.
Az egyensúlyi állandó lehetővé teszi az oxidáció lehetőségének előrejelzését, például salétromsavval.
Határozzuk meg az oldódási reakció egyensúlyi állandóját! hígban jól oldódik. A reakció egyensúlyi állandója:
egyenletből számítható ki:
Az állandó ilyen kis értéke azt jelzi, hogy ennek a reakciónak az egyensúlya jobbról balra szinte teljesen eltolódott, vagyis a higany-szulfid a réz-szulfiddal ellentétben gyakorlatilag nem oldódik hígítva.
KÖZÉPISKOLAI TANÁROK, PEDAGÓGIAI EGYETEMI DIÁKOK ÉS 9–10. ÉVFOLYAMOS ISKOLÁSOK SZÁMÁRA, AKIK ÚGY DÖNTÉSÜK, HOGY A KÉMIA ÉS A TERMÉSZETTUDOMÁNY IRÁNYUL KÖTELEZIK EL MAGUKAT
TANKÖNYV · PROBLÉMA · LABORATÓRIUMI MŰHELY · OLVASHATÓ TUDOMÁNYOS TÖRTÉNETEK
§ 3.2. Egyensúlyi állandó
és a reakció izobár potenciálja
Az egyensúlyi állandó könnyen megtalálható az izobár potenciál értékéből, amelyet a kiindulási anyagok és reakciótermékek képződési entalpiájának és entrópiájának táblázatos adataiból számítanak ki.
Erre a képletre akkor lesz szüksége, ha ki kell számítania a vizsgált reakció egyensúlyi állandóját.
Ebben az oktatóanyagban igyekszünk nem kész képleteket megadni, hanem a matematikai logika legegyszerűbb módszereivel levezetni őket, ezért ennek a képletnek a származtatását az alábbiakban közöljük. Az anyag elolvasása után megismerkedhet a valószínűségszámítás legegyszerűbb ábrázolásaival, az aktiválás entrópiájával stb.
Nemcsak az aktiválási energia határozza meg a kémiai reakció sebességét. Óriási szerepe van a reagáló molekulák méretének és alakjának, valamint a reaktív atomok vagy csoportjaik elrendezésének bennük. Ebből a szempontból, amikor két részecske ütközik, fontos a sajátos orientációjuk, vagyis pontosan azon központok érintkezése, amelyek reaktívak.
Jelöljük az ütközés során a kölcsönhatáshoz szükséges molekulák orientációjának valószínűségét W-vel:
W természetes logaritmusát szorozva az R gázállandóval S a aktiválási entrópiának nevezzük:
Ebből a kifejezésből következik:
Ahonnan a logaritmus definíciójával megkapjuk a kívánt orientáció valószínűségét:
Minél nagyobb a valószínűsége a reakció lezajlásához szükséges orientációnak, annál nagyobb a sebessége és ennek megfelelően a sebességi állandója, amely felírható:
Korábban megtudtuk, hogy a sebességi állandó az aktiválási energiától és a hőmérséklettől függ:
Így a sebességi állandó az aktiválási energiától, a hőmérséklettől és az aktiválási entrópiától függ:
Bevezetjük a Z arányossági együtthatót és az egyenlőségjelet:
Az így kapott kifejezést ún a kémiai kinetika alapegyenlete.
Ez az egyenlet megmagyarázza a katalízis egyes aspektusait: a katalizátor csökkenti a reakció aktiválási energiáját és növeli az aktivációs entrópiát, azaz növeli a reagáló részecskék kölcsönhatásnak megfelelő orientációjának valószínűségét.
Érdekes megjegyezni, hogy az aktiválás entrópiája nem csak a részecskék bizonyos orientációját veszi figyelembe, hanem az ütközés pillanatában fennálló érintkezés időtartamát is. Ha a részecskék érintkezésének időtartama nagyon rövid, akkor az elektronsűrűségüknek nincs idejük újra elosztani új kémiai kötések kialakulásához, és a részecskék taszítják, és különböző irányokba térnek el. A katalizátor jelentősen megnöveli a reagáló részecskék érintkezési idejét is.
A katalitikus hatás másik jellemzője, hogy a katalizátor az újonnan képződött részecskéből vesz fel többletenergiát, és az nagy energiaaktivitása miatt nem bomlik le az eredeti részecskékre.
Tudja, hogy az egyensúlyi állandó az előre és a fordított reakció sebességi állandóinak aránya:
Helyettesítsük az előre és fordított reakciók sebességi állandóit a kémiai kinetika alapegyenletének kifejezéseivel:
A két arányossági együttható Z pr / Z arr aránya egy állandó érték, amelyet bevezetünk az egyensúlyi állandó értékébe, ezért a korábbiakhoz hasonlóan állandó marad.
Ha emlékszik az exponenciális függvények működési szabályaira, megérti a képlet átalakítását:
A Hess-törvénynek megfelelően a fordított és a közvetlen reakciók aktiválási energiái közötti különbség az entalpia változása (ezt ellenőrizheti a hőkibocsátással lezajló reakció entalpiadiagramjának megrajzolásával, és nem szabad elfelejteni, hogy ebben az esetben D N< 0 ):
Hasonlóképpen a különbség 
jelöli D S:
Magyarázza meg, miért van mínusz jel a zárójelek előtt!
Kapjuk az egyenletet:
Vegyük ennek az egyenletnek mindkét oldalának logaritmusát:
Hol kapjuk:
Ez az egyenlet annyira fontos a kémia és más tudományok számára, hogy sok külföldi kémiahallgató ilyen képlettel ellátott inget visel.
Ha D G J / mol-ban kifejezve, akkor a képlet a következőképpen alakul:
Ennek a képletnek van egy sajátossága: ha az egyensúlyi állandót gáz-halmazállapotú anyagok nyomásán keresztül határozzuk meg, akkor ezeknek az anyagoknak a légköri nyomásait (1 atm = 101325 Pa = 760 Hgmm) behelyettesítjük az egyensúlyi állandó kifejezésébe.
Ez a képlet ismert értéket tesz lehetővé D G reakciót, számítsa ki az egyensúlyi állandót és így derítse ki az egyensúlyi rendszer összetételét adott hőmérsékleten. A képlet azt mutatja, hogy minél nagyobb az egyensúlyi állandó, és minél több az egyensúlyi reakcióelegy reakcióterméket (a reakcióegyenlet jobb oldalán lévő anyagokat), annál több negatív jelentése megváltozik a reakció izobár potenciálja. És fordítva, minél kisebb az egyensúlyi állandó értéke, és minél kevesebb reakcióterméket tartalmaz az egyensúlyi keverék, és minél több kiindulási anyag, annál kisebb a negatív érték D G.
Ha az egyensúlyi állandó nagyobb, mint 1, és az izobár potenciál negatív, akkor azt szokás mondani, hogy az egyensúly a reakciótermékek felé tolódik el, vagy jobbra. Ha az egyensúlyi állandó kisebb, mint 1, és az izobár potenciál pozitív, akkor azt szokás mondani, hogy az egyensúly a kiindulási anyagok felé tolódik el, vagy balra.
Ha az egyensúlyi állandó egyenlő 1-gyel, az izobár potenciál 0. A rendszernek ezt az állapotát tekintjük az egyensúly jobbra vagy balra történő eltolódása közötti határnak. Ha egy adott reakciónál az izobár potenciál változása negatív ( D G<0 ), azt szokás mondani, hogy a reakció előrefelé haladhat; Ha DG>0, mondjuk, hogy a reakció nem múlik el.
És így,
D G<0 – a reakció megtörténhet (termodinamikailag lehetséges);
D G<0 , Azt K>1- az egyensúly a termékek felé tolódik el, jobbra;
DG>0, Azt NAK NEK<1 - az egyensúly a kiindulási anyagok felé tolódik el, balra.
Ha ki kell derítenie, hogy lehetséges-e az Önt érdeklő reakció (például, hogy lehetséges-e a kívánt színezék szintézise, az adott ásványi összetétel szinterezve lesz-e, a légköri oxigén hatása a színre stb. .), ehhez a reakcióhoz elég kiszámítani D G. Ha kiderül, hogy az izobár potenciál változása negatív, akkor a reakció lehetséges, és különböző kiindulási anyagokat keverhet a kívánt termék előállításához.
Olvassa el, mit kell tenni az izobár potenciál és az egyensúlyi állandó változásának kiszámításához különböző hőmérsékleteken (számítási algoritmus).
1. Írja ki a referenciatáblázatokból az egyszerű anyagokból származó képződés entalpiáinak értékeit (298 K hőmérsékletre). D H arrés entrópia S a kémiai reakció egyenletébe írt összes anyag. Ha D H arr kJ/mol-ban kifejezve J/mol-ra kell konvertálni (miért?).
2. Számítsa ki a reakció entalpiaváltozását (298 K) a termékek képződési entalpiáinak összege és a kiindulási anyagok képződési entalpiáinak összege közötti különbségként, szem előtt tartva a sztöchiometrikus együtthatókat!
3. Számítsa ki a reakció entrópiaváltozását (298 K) a termékek entrópiáinak összege és a kiindulási anyagok entrópiáinak összege közötti különbségként, szem előtt tartva a sztöchiometrikus együtthatókat!
4. Készítsen egyenletet az izobár potenciál változásának a reakcióentalpiában, az entrópiában és a hőmérsékletben bekövetkező változásoktól való függésére, az éppen kapott számértékeket behelyettesítve az Ön által ismert egyenletbe D Н r-cióÉs D S:
5. Számítsa ki az izobár potenciál változását 298 K szabványos hőmérsékleten:
6. Jelöléssel D G, 298 vonjon le következtetést a reakció normál hőmérsékleten való áthaladásának lehetőségéről: ha a jel "mínusz", akkor a reakció termodinamikailag lehetséges; ha a jel "plusz", akkor a reakció lehetetlen.
7. Számolj D G az Önt érdeklő T hőmérsékleten:
és arra következtet, hogy a hőmérséklet változása hogyan befolyásolja a reakció áthaladásának lehetőségét. Ha kiderül, hogy ezen a hőmérsékleten az izobár potenciál változása kevésbé pozitív vagy negatívabb lett ahhoz képest D G 298, akkor ezért ezen a hőmérsékleten a reakció valószínűbbé válik.
8. Számítsa ki az Ön által ismert egyenletből a K egyensúlyi állandót az Önt érdeklő T hőmérsékleten:
9. Vond le következtetést az egyensúly eltolódásáról a kiindulási anyagok felé (K<1) или в сторону продуктов (К>1).
Arra a következtetésre jutva, hogy a reakció az izobár potenciál változásának negatív értékével mehet végbe ( D G<0 ) önmagában a termodinamikai adatok gyakran nem elegendőek. Egy termodinamikailag lehetséges reakció kinetikailag késleltetettnek és megvalósíthatónak bizonyulhat változó körülmények között (anyagkoncentráció, nyomás, hőmérséklet), más reakcióutakon, vagy megfelelően kiválasztott katalizátor jelenlétében.
Tekintsük a kristályos vas és a gáznemű vízzel (vízgőz) reakciójának példáját:
hogyan lehet tájékozódni a reakció termodinamikai lehetőségéről.
Ez a reakció abból a szempontból érdekes, hogy bemutatja a fémtermékek fényének csökkenésének és a korróziótól való tönkremenetelének okait.
Először is kiválasztjuk a reakcióegyenlet sztöchiometrikus együtthatóit:
Írjuk ki a referenciatáblázatokból a reakcióban résztvevő összes termodinamikai adatot (hőmérséklet 298 K):
Számítsa ki az entalpia változását ebben a reakcióban, ne feledje, hogy az egyszerű anyagok entalpiája nulla:
Az entalpia változását J-ben fejezzük ki:
A reakciót hőfelszabadulás kíséri, Q>0, Q=+50 300 J/mol, és ez lehetővé teszi, hogy feltételezzük, hogy spontán megy végbe. Azt azonban magabiztosan állíthatjuk, hogy a reakció spontán csak az izobár potenciál változásának előjele alapján.
Számítsuk ki az entrópia változását ebben a reakcióban, nem feledkezve meg a sztöchiometrikus együtthatókról:
A reakció hatására a rendszer entrópiája csökken, így megjegyezhető, hogy a rendszerben rendnövekedés következik be.
Most megalkotjuk az izobár potenciál változásának az entalpia, entrópia és hőmérséklet változásától való függésének egyenletét:
Számítsuk ki az izobár potenciál változását a reakcióban 298 K szabványos hőmérsékleten:
Az izobár potenciál változásának nagy negatív értéke azt jelzi, hogy a vas szobahőmérsékleten oxigénnel oxidálható. Ha megkaphatná a legfinomabb vasport, láthatná, hogyan ég ki a vas a levegőben. Miért nem égnek a levegőben vastermékek, figurák, szögek stb? A számítási eredmények azt mutatják, hogy a vas a levegőben korrodálódik, azaz megsemmisül, vas-oxidokká alakul.
Most nézzük meg, hogyan befolyásolja a hőmérséklet emelkedése a reakció áthaladásának lehetőségét. Számítsuk ki az izobár potenciál változását 500 K hőmérsékleten:
Eredményt kaptunk, amely azt mutatja, hogy a hőmérséklet emelkedésével a reakció izobár potenciáljának változása kevésbé lesz negatív. Ez azt jelenti, hogy a hőmérséklet emelkedésével a reakció termodinamikailag kevésbé valószínű, azaz a reakció egyensúlya egyre inkább a kiindulási anyagok felé tolódik el.
Érdekes tudni, hogy az egyensúly milyen hőmérsékleten tolódik el egyformán a reakciótermékek és a kiindulási anyagok felé. Ez akkor történik, amikor D G r-ció \u003d 0(az egyensúlyi állandó 1):
Hol kapjuk:
T=150300/168,2=894K, vagy 621 °C.
Ezen a hőmérsékleten a reakció egyforma valószínűséggel megy végbe mind előre, mind hátrafelé. 621 °C feletti hőmérsékleten a Fe 3 O 4 hidrogénnel történő redukciójának fordított reakciója kezd uralkodni. Ez a reakció a tiszta vas előállításának egyik módja (a kohászatban a vas-oxidokat szénnel redukálják).
298 K hőmérsékleten:
Így a hőmérséklet emelkedésével az egyensúlyi állandó csökken.
A Fe 3 O 4 vas-oxidot magnetitnek (mágneses vasércnek) nevezik. Ezt a vas-oxidot, ellentétben a FeO (wustit) és Fe 2 O 3 (hematit) oxidokkal, mágnes vonzza. Egy legenda szerint az ókorban egy Magnus nevű pásztor talált egy nagyon kicsi, hosszúkás kavicsot, amit kövér (miért fontos ez?) kezével egy tálban a víz felszínére helyezett. A kavics nem fulladt meg, úszni kezdett a vízen, és akárhogyan is forgatta a pásztor a tálat, a kavics mindig csak egy irányba mutatott. Mintha az iránytűt így találták volna fel, és ennek a pásztornak a nevéről kapta a nevét az ásvány. Bár talán a magnetitot Kis-Ázsia ősi városáról - Magnéziáról - nevezték el. A magnetit a fő érc, amelyből vasat bányásznak.
Néha a magnetit képletet a következőképpen ábrázolják: FeO Fe 2 O 3, ami arra utal, hogy a magnetit két vas-oxidból áll. Ez téves: a magnetit egyedi anyag.
Egy másik Fe 2 O 3 oxid (hematit) - vörös vasérc - a vörös színe miatt kapta a nevét (a görög fordításban - vér). A vasat hematitból nyerik.
A FeO-oxid szinte soha nem található meg a természetben, és nincs ipari értéke.
A legtöbb kémiai reakció reverzibilis, pl. egyszerre áramlik ellentétes irányba. Azokban az esetekben, amikor az előre és a fordított reakció azonos sebességgel megy végbe, kémiai egyensúly áll be. Például egy reverzibilis homogén reakcióban: H 2 (g) + I 2 (g) ↔ 2HI (g) a direkt és fordított reakciók sebességének aránya a tömeghatás törvénye szerint a koncentrációk arányától függ. a reaktánsok közül, nevezetesen: a közvetlen reakció sebessége: υ 1 = k 1 [Н 2 ]. A fordított reakció sebessége: υ 2 \u003d k 2 2.
Ha H 2 és I 2 a kiindulási anyagok, akkor az első pillanatban az előrehaladó reakció sebességét ezek kezdeti koncentrációja határozza meg, a fordított reakció sebessége pedig nulla. Ahogy a H 2 és I 2 elfogy, és HI képződik, az előrehaladó reakció sebessége csökken, a fordított reakció sebessége pedig nő. Egy idő után mindkét sebesség kiegyenlítődik, és a rendszerben létrejön a kémiai egyensúly, azaz. az egységnyi idő alatt kialakuló és elfogyasztott HI-molekulák száma azonos lesz.
Mivel kémiai egyensúly esetén a közvetlen és fordított reakciók sebessége egyenlő V 1 \u003d V 2, akkor k 1 \u003d k 2 2.
Mivel k 1 és k 2 egy adott hőmérsékleten állandó, arányuk állandó lesz. Ha K-vel jelöljük, a következőt kapjuk:
K - a kémiai egyensúly állandójának, a fenti egyenletet pedig a tömeghatás törvényének (Guldberg - Vaale) nevezik.
Általános esetben az aA+bB+…↔dD+eE+… formájú reakciónál az egyensúlyi állandó egyenlő 
. A gáznemű anyagok közötti kölcsönhatásra gyakran használják azt a kifejezést, amelyben a reaktánsokat p egyensúlyi parciális nyomással jelölik. Az említett reakcióhoz 
.
Az egyensúlyi állapot azt a határt jellemzi, amelyig adott körülmények között a reakció spontán lezajlik (∆G<0). Если в системе наступило химическое равновесие, то дальнейшее изменение изобарного потенциала происходить не будет, т.е. ∆G=0.
Az egyensúlyi koncentrációk közötti arány nem függ attól, hogy mely anyagokat vegyük kiindulási anyagnak (például H 2 és I 2 vagy HI), azaz. az egyensúly mindkét oldalról megközelíthető.
A kémiai egyensúlyi állandó a reaktánsok természetétől és a hőmérséklettől függ; az egyensúlyi állandó nem függ a nyomástól (ha túl magas) és a reagensek koncentrációjától.
A hőmérséklet, az entalpia és az entrópia tényezők egyensúlyi állandójára gyakorolt hatás. Az egyensúlyi állandó egy ∆G o kémiai reakció standard izobár-izoterm potenciáljának változásához kapcsolódik egy egyszerű ∆G o =-RT ln K egyenlettel.
Ez azt mutatja, hogy a ∆G o nagy negatív értékei (∆G o<<0) отвечают большие значения К, т.е. в равновесной смеси преобладают продукты взаимодействия. Если же ∆G o характеризуется большими положительными значениями (∆G o >>0), akkor az egyensúlyi keverékben a kiindulási anyagok vannak túlsúlyban. Ez az egyenlet lehetővé teszi, hogy a ∆G o értékéből, majd a reagensek egyensúlyi koncentrációiból (parciális nyomásaiból) számítsuk ki a K-t. Ha figyelembe vesszük, hogy ∆G o =∆Н o -Т∆S o, akkor némi transzformáció után azt kapjuk, hogy 
. Ebből az egyenletből látható, hogy az egyensúlyi állandó nagyon érzékeny a hőmérséklet változásaira. A reagensek természetének az egyensúlyi állandóra gyakorolt hatása meghatározza annak entalpia- és entrópiatényezőktől való függését.
Le Chatelier elve
A kémiai egyensúly állapota ilyen állandó körülmények között bármikor fennmarad. A feltételek megváltozásakor az egyensúlyi állapot felborul, mivel ebben az esetben az ellentétes folyamatok sebessége eltérő mértékben változik. Egy idő után azonban a rendszer ismét egyensúlyi állapotba kerül, de már az új megváltozott feltételeknek megfelelően.
Az egyensúlynak a körülmények változásától függő eltolódását általában a Le Chatelier-elv (vagy a mozgó egyensúly elve) határozza meg: ha egy egyensúlyban lévő rendszert kívülről befolyásolnak az egyensúlyi helyzetet meghatározó feltételek bármelyikének megváltoztatásával, akkor az a folyamat irányába tolódik el, amelynek áramlása gyengíti a kiváltott hatás hatását.
Így a hőmérséklet emelkedése egyensúlyi eltolódást okoz a folyamatok irányába, aminek lefolyása hőfelvétellel jár, a hőmérséklet csökkenése pedig ezzel ellentétes irányba hat. Hasonlóképpen a nyomásnövekedés egy olyan folyamat irányába tolja el az egyensúlyt, amelyet térfogatcsökkenés kísér, a nyomáscsökkenés pedig az ellenkező irányba hat. Például a 3H 2 + N 2 2H 3 N egyensúlyi rendszerben, ∆H o = -46,2 kJ, a hőmérséklet emelkedése fokozza a H 3 N bomlását hidrogénre és nitrogénre, mivel ez a folyamat endoterm. A nyomás növekedése az egyensúlyt a H 3 N képződése felé tolja el, mert a térfogat csökken.
Ha a reakcióban részt vevő anyagok közül egy bizonyos mennyiséget egyensúlyban adunk a rendszerhez (vagy fordítva, eltávolítjuk a rendszerből), akkor az előre és fordított reakciók sebessége megváltozik, de fokozatosan ismét egyenlővé válik. Más szavakkal, a rendszer ismét kémiai egyensúlyi állapotba kerül. Ebben az új állapotban a rendszerben lévő összes anyag egyensúlyi koncentrációja el fog térni a kezdeti egyensúlyi koncentrációktól, de a köztük lévő arány változatlan marad. Így egy egyensúlyi rendszerben lehetetlen az egyik anyag koncentrációját megváltoztatni anélkül, hogy az összes többi koncentrációja megváltozna.
A Le Chatelier-elvnek megfelelően a reagens további mennyiségének bejuttatása az egyensúlyi rendszerbe az egyensúly eltolódását okozza abban az irányban, amelyben ennek az anyagnak a koncentrációja csökken, és ennek megfelelően a kölcsönhatás termékeinek koncentrációja nő. .
A kémiai egyensúly vizsgálata nagy jelentőséggel bír mind az elméleti kutatás, mind a gyakorlati problémák megoldása szempontjából. A különböző hőmérsékletek és nyomások egyensúlyi helyzetének meghatározásával kiválasztható a legkedvezőbb feltételek egy kémiai folyamat lefolytatásához. A folyamat körülményeinek végső megválasztásakor figyelembe kell venni a folyamat sebességére gyakorolt hatásukat is.
1. példa A reakció egyensúlyi állandójának kiszámítása a reaktánsok egyensúlyi koncentrációiból.
Számítsa ki az A + B 2C reakció egyensúlyi állandóját, ha az egyensúlyi koncentrációk [A] = 0,3 mol ∙ l -1; [B]=1,1 mol∙l-1; [C] \u003d 2,1 mol ∙ l -1.
Megoldás. Ennek a reakciónak az egyensúlyi állandójának kifejezése: . Helyettesítsük itt a feladat feltételében jelzett egyensúlyi koncentrációkat: =5,79.
2. példa. A reaktánsok egyensúlyi koncentrációinak számítása. A reakció az A + 2B C egyenlet szerint megy végbe.
Határozza meg a reaktánsok egyensúlyi koncentrációját, ha az A és B anyagok kezdeti koncentrációja rendre 0,5 és 0,7 mol∙l -1, és a reakció egyensúlyi állandója K p =50.
Megoldás. Minden mol A és B anyaghoz 2 mol C anyag képződik. Ha az A és B anyagok koncentrációjának csökkenését X mol-lal jelöljük, akkor az anyag koncentrációjának növekedése 2X mol. A reaktánsok egyensúlyi koncentrációi a következők:
C A \u003d (o,5-x) mol ∙ l -1; C B \u003d (0,7-x) mol ∙ l -1; C C \u003d 2x mol ∙ l -1
x 1 = 0,86; x 2 \u003d 0,44
A feladat feltételének megfelelően x 2 érték érvényes. Ezért a reaktánsok egyensúlyi koncentrációi a következők:
C A = 0,5-0,44 \u003d 0,06 mol ∙ l -1; C B = 0,7-0,44 \u003d 0,26 mol ∙ l -1; C C = 0,44 ∙ 2 \u003d 0,88 mol ∙ l -1.
3. példa A reakció Gibbs-energia ∆G o változásának meghatározása a K p egyensúlyi állandó értékével. Számítsa ki a Gibbs-energiát, és határozza meg a CO+Cl 2 =COCl 2 reakció lehetőségét 700K-on, ha az egyensúlyi állandó Kp=1,0685∙10 -4. Az összes reagáló anyag parciális nyomása azonos és 101325 Pa.
Megoldás.∆G 700 =2,303∙RT 
.
Ehhez a folyamathoz:
Mivel ∆Go<0, то реакция СО+Cl 2 COCl 2 при 700К возможна.
4. példa. Változás a kémiai egyensúlyban. Milyen irányba tolódik el az egyensúly az N 2 + 3H 2 2NH 3 -22 kcal rendszerben:
a) az N 2 koncentrációjának növekedésével;
b) a H 2 koncentrációjának növekedésével;
c) amikor a hőmérséklet emelkedik;
d) amikor a nyomás csökken?
Megoldás. A reakcióegyenlet bal oldalán lévő anyagok koncentrációjának növekedése a Le Chatelier-szabály szerint olyan folyamatot kell, hogy okozzon, amely hajlamos gyengíteni a hatást, a koncentráció csökkenéséhez vezet, pl. az egyensúly jobbra tolódik el (a és b eset).
Az ammónia szintézis reakciója exoterm. A hőmérséklet emelkedése egyensúlyi eltolódást okoz balra - egy endoterm reakció felé, amely gyengíti az ütést (c eset).
A nyomás csökkenése (d eset) kedvez a reakciónak, ami a rendszer térfogatának növekedéséhez vezet, pl. N 2 és H 2 képződése felé.
5. példa Hányszorosára változik az előre és fordított reakciók sebessége a 2SO 2 (g) + O 2 (g) 2SO 3 (r) rendszerben, ha a gázelegy térfogata háromszorosára csökken? Milyen irányba tolódik el a rendszer egyensúlya?
Megoldás. Jelöljük a reagáló anyagok koncentrációit: = A, =b,=Val vel. A tömeghatás törvénye szerint a térfogatváltozás előtti előre és fordított reakció sebessége:
v pr \u003d Ka 2 b, v arr \u003d K 1 s 2
Miután a homogén rendszer térfogatát háromszorosára csökkentettük, az egyes reagensek koncentrációja háromszorosára nő: 3a,[O 2] = 3b; = 3s. A közvetlen és fordított reakciók v "np sebességének új koncentrációinál:
v" np = K(3a) 2 (3b) = 27 Ka 2 b; v o 6 p = K 1 (3c) 2 = 9K 1 c 2 .
; 
Következésképpen az előrefelé irányuló reakció sebessége 27-szeresére, a fordított reakció sebessége pedig csak kilencszeresére nőtt. A rendszer egyensúlya a SO 3 képződése felé tolódott el.
6. példa Számítsa ki, hogy a gázfázisban lezajló reakció sebessége hányszorosára nő a hőmérséklet 30-ról 70 0 C-ra való emelésével, ha a reakció hőmérsékleti együtthatója 2!
Megoldás. A kémiai reakció sebességének hőmérséklettől való függését a Van't Hoff empirikus szabály határozza meg a képlet szerint
Ezért a reakciósebesség 70 °C-on 16-szor nagyobb, mint a 30 °C-on.
7. példa Egy homogén rendszer egyensúlyi állandója
CO (g) + H 2 O (g) CO 2 (g) + H 2 (g) 850 °C-on 1. Számítsa ki az összes anyag koncentrációját egyensúlyban, ha a kezdeti koncentrációk: [CO] ISC = 3 mol / l, [H 2 O] ISH \u003d 2 mol / l.
Megoldás. Egyensúlyi állapotban az előre- és a visszirányú reakció sebessége egyenlő, ezen sebességek állandóinak aránya állandó, és az adott rendszer egyensúlyi állandójának nevezzük:
V np= K 1[CO][H20]; V o b p = NAK NEK 2 [CO2][H2];
A feladat feltételében a kezdeti koncentrációk adottak, míg a kifejezésben K r csak a rendszer összes anyagának egyensúlyi koncentrációját tartalmazza. Tegyük fel, hogy az egyensúlyi pillanatra a koncentráció [СО 2 ] Р = x mol/l. A rendszer egyenlete szerint ebben az esetben a keletkező hidrogén móljainak száma is lesz x mol/l. Ugyanannyi imát (X mol / l) CO és H 2 O keletkezik x mol CO 2 és H 2. Ezért mind a négy anyag egyensúlyi koncentrációja (mol / l):
[CO 2] P \u003d [H 2] p \u003d X;[CO] P = (3 – x); P =(2-x).
Az egyensúlyi állandó ismeretében megtaláljuk az értéket X, majd az összes anyag kezdeti koncentrációja:
; x 2 \u003d 6-2x-3x + x 2; 5x \u003d 6, l \u003d 1,2 mol / l.
135. feladat.
Számítsa ki a homogén rendszer egyensúlyi állandóját
ha a reaktánsok egyensúlyi koncentrációja (mol/l):
[CO] P = 0,004; [H20] P = 0,064; [CO 2] P = 0,016; [H 2] p \u003d 0,016,
Mekkora a víz és a CO kezdeti koncentrációja? Válasz: K = 1; ref = 0,08 mol/l; [CO]ref = 0,02 mol/l.
Megoldás:
A reakcióegyenlet a következő:
CO (g) + H 2 O (g) CO 2 (g) + H2 (g)
Ennek a reakciónak az egyenletállandója a következő:
A H 2 O és CO anyagok kezdeti koncentrációinak meghatározásához figyelembe vesszük, hogy a reakcióegyenlet szerint 1 mol CO-ból és 1 mol H 2 O-ból 1 mol CO 2 és 1 mol H 2 keletkezik. alakított. Mivel a probléma feltételének megfelelően a rendszer minden literében 0,016 mol CO 2 és 0,016 mol H 2 keletkezett, így 0,016 mol CO és H 2 O fogyott el, így a kívánt kezdeti koncentrációk:
Ref = [H 2 O] P + 0,016 = 0,004 + 0,016 = 0,02 mol/l;
[CO] ref \u003d [CO] P + 0,016 = 0,064 + 0,016 = 0,08 mol/l.
Válasz: Kp = 1; ref = 0,08 mol/l; [CO] ref = 0,02 mol/l.
136. feladat.
Egy homogén rendszer egyensúlyi állandója
egy bizonyos hőmérsékleten egyenlő 1-gyel. Számítsa ki az összes reaktáns egyensúlyi koncentrációját, ha a kezdeti koncentrációk egyenlőek (mol/l): [CO] ref = 0,10; [H20] ref = 0,40.
Válasz: [CO 2] P \u003d [H 2] P = 0,08; [CO]P = 0,02; [H20] P = 0,32.
Megoldás:
A reakcióegyenlet a következő:
CO (g) + H 2 O (g) CO 2 (g) + H 2 (g)
Egyensúlyi állapotban az előre- és a visszirányú reakció sebessége egyenlő, ezen sebességek állandóinak aránya állandó, és az adott rendszer egyensúlyi állandójának nevezzük:
Jelöljük x mol/l-rel az egyik reakciótermék egyensúlyi koncentrációját, akkor a másiké is x mol/l lesz, mivel mindkettő azonos mennyiségben keletkezik. A kiindulási anyagok egyensúlyi koncentrációi a következők:
[CO] ref = 0,10 – x mol/l; [H20] ref = 0,40 - x mol/l. (mivel x mol / l reakciótermék képződése x mol / l CO-t és H 2 O-t fogyaszt. Az egyensúlyi pillanatban az összes anyag koncentrációja (mol / l): [CO 2 ] P \u003d [H 2] P \u003d x [CO] P = 0,10 - x [H 2 O] P = 0,4 - x.
Ezeket az értékeket behelyettesítjük az egyensúlyi állandó kifejezésébe:
Az egyenletet megoldva x = 0,08-at kapunk. Ezért a koncentráció egyensúly (mol/l):
[CO 2] P = [H2] P = x = 0,08 mol/l;
[H2O] P = 0,4 - x = 0,4 - 0,08 = 0,32 mol/l;
[CO] P = 0,10 - x \u003d 0,10 - 0,08 = 0,02 mol/l.
137. feladat.
Egy homogén rendszer N 2 + 3H 2 \u003d 2NH 3 egyensúlyi állandója egy bizonyos hőmérsékleten 0,1. A hidrogén és az ammónia egyensúlyi koncentrációja 0,2, illetve 0,08 mol/l. Számítsa ki a nitrogén egyensúlyi és kezdeti koncentrációját! Válasz: P = 8 mol/l; ref = 8,04 mol/l.
Megoldás:
A reakcióegyenlet a következő:
N 2 + ZN 2 \u003d 2NH 3
Jelöljük az N2 egyensúlyi koncentrációját x mol/L-ben. Ennek a reakciónak az egyensúlyi állandójának kifejezése:
Helyettesítsük be a feladat adatait az egyensúlyi állandó kifejezésébe és keressük meg az N 2 koncentrációt
Az N 2 kezdeti koncentrációjának meghatározásához figyelembe vesszük, hogy az 1 mol NH 3 képződésére vonatkozó reakcióegyenlet szerint ½ mol N 2 fogy. Mivel a probléma feltétele szerint a rendszer minden literében 0,08 mol NH 3 keletkezett, ezért 0,08 . 1/2 \u003d 0,04 mol N 2. Így az N 2 kívánt kezdeti koncentrációja egyenlő:
Ref \u003d P + 0,04 \u003d 8 + 0,04 = 8,04 mol / l.
Válasz: P = 8 mol/l; ref = 8,04 mol/l.
138. feladat
Bizonyos hőmérsékleten a homogén rendszer egyensúlya
2NO + O 2 ↔ 2NO 2 a következő reagenskoncentrációknál (mol/l): p = 0,2; [O 2] p = 0,1; p = 0,1. Számítsa ki az egyensúlyi állandót és a NO és az O 2 kezdeti koncentrációját! Válasz: K = 2,5; ref = 0,3 mol/l; [O 2 ] ex x = 0,15 mol/l.
Megoldás:
Reakció egyenlet:
2NO + O 2 ↔ 2NO 2
Az NO és O 2 kezdeti koncentrációinak meghatározásához figyelembe vesszük, hogy a reakcióegyenlet szerint 2 mol NO és 1 mol O2-ból 2 mol NO 2 keletkezik, majd 0,1 mol NO és 0,05 mol O 2 fogyott el. Így az NO és az O 2 kezdeti koncentrációja egyenlő:
Ref = NO] p + 0,1 = 0,2 + 0,1 = 0,3 mol/l;
[O 2] ref \u003d [O 2] p + 0,05 \u003d 0,1 + 0,05 = 0,15 mol / l.
Válasz: Kp = 2,5; ref = 0,3 mol/l; [O 2] ref = 0,15 mol/l.
139. feladat.
Miért tolódik el a rendszer egyensúlya a nyomás változásával?
N 2 + 3Н 2 ↔ 2NH 3 és, az N 2 + O 2 2NO rendszer egyensúlya nem tolódik el? Indokolja válaszát ezekben a rendszerekben a nyomásváltozás előtti és utáni előre- és visszirányú reakciók sebességének számítása alapján! Írjon kifejezéseket az egyes rendszerek egyensúlyi állandóira!
Megoldás:
a) Reakcióegyenlet:
N 2 + 3H 2 ↔ 2NH 3.
A reakcióegyenletből következik, hogy a reakció a rendszer térfogatának csökkenésével megy végbe (4 mol gáz halmazállapotú anyagból 2 mol gáz halmazállapotú anyag keletkezik). Ezért a rendszer nyomásának változásával az egyensúly eltolódása figyelhető meg. Ha ebben a rendszerben megnövekszik a nyomás, akkor Le Chatelier elve szerint az egyensúly jobbra tolódik, a térfogat csökkenése felé. Amikor a rendszerben az egyensúly jobbra tolódik, az előrehaladó reakció sebessége nagyobb lesz, mint a fordított reakció sebessége:
pr>arr vagy pr \u003d k 3\u003e o br \u003d k 2.
Ha a rendszerben csökkentjük a nyomást, akkor a rendszer egyensúlya balra tolódik el, a térfogat növekedése felé, majd amikor az egyensúly balra tolódik el, a közvetlen reakció sebessége kisebb lesz, mint a rendszer egyensúlya. közvetlen:
stb< обр или (пр = k 3 )< (обр = k 2).
b) Reakcióegyenlet:
N2 + O2) ↔ 2NO. .
A reakcióegyenletből az következik, hogy ha a reakciót nem kíséri térfogatváltozás, akkor a reakció a gáznemű anyagok mólszámának változása nélkül megy végbe. Ezért a nyomás változása a rendszerben nem vezet az egyensúly eltolódásához, így az előre és a fordított reakció sebessége egyenlő lesz:
pr \u003d arr \u003d vagy (pr k [O 2]) \u003d (arr \u003d k 2) .
140. feladat.
A kezdeti koncentrációk ref és [C1 2 ]ref homogén rendszerben
2NO + Cl 2 ↔ 2NOС1 0,5 és 0,2 mol/l. Számítsa ki az egyensúlyi állandót, ha 20% NO reagált az egyensúly eléréséig. Válasz: 0,417.
Megoldás:
A reakcióegyenlet: 2NO + Cl 2 ↔ 2NOС1
A probléma feltételének megfelelően 20% NO lépett be a reakcióba, ami 0,5 .
0,2 = 0,1 mol, de 0,5 - 0,1 = 0,4 mol NO nem reagált. A reakcióegyenletből az következik, hogy minden 2 mol NO-ra 1 mol Cl2 fogy, és 2 mol NOCl keletkezik. Ezért 0,05 mol Cl 2 reagált 0,1 mol NO-val, és 0,1 mol NOCl keletkezett. 0,15 mól Cl2 maradt felhasználatlanul (0,2-0,05 = 0,15). Így az érintett anyagok egyensúlyi koncentrációja egyenlő (mol / l):
P = 0,4; p=0,15; p = 0,1.
Ennek a reakciónak az egyensúlyi állandóját a következő egyenlet fejezi ki:
Ha ebben a kifejezésben helyettesítjük az anyagok egyensúlyi koncentrációit, azt kapjuk.
