Denge sabitinin bağlı olduğu faktörler. Kimyasal Denge
Yüksek Mesleki Eğitim Devlet Eğitim Kurumu "Ural Devlet Teknik Üniversitesi - UPI"
Kimyasal denge sabitlerinin belirlenmesi
reaksiyonlar ve hesaplama kimyasal Denge
fiziksel kimya dersinde
tam zamanlı öğrenciler için
Ekaterinburg 2007
UDC 544(076)S79
Tarafından düzenlendi
Bilimsel editör, kimya bilimleri adayı, doçent
Kimyasal reaksiyonların denge sabitlerinin belirlenmesi ve kimyasal dengenin hesaplanması: fizikokimya / comp dersinde 4 numaralı laboratuvar çalışması için metodolojik talimatlar. - Ekaterinburg: Yüksek Mesleki Eğitim Devlet Eğitim Kurumu USTU-UPI, 20 s.
Kılavuzlar, hesaplama ve analitik laboratuvar çalışmaları çerçevesinde kimyasal denge üzerine malzemenin daha derinlemesine incelenmesi için tasarlanmıştır. Hedefe ulaşılmasına katkıda bulunan bireysel görevler için 15 seçenek içerir.
Kaynakça: 5 başlık. Pirinç. Masa
© Yüksek Mesleki Eğitim Devlet Eğitim Kurumu "Ural Devleti
Teknik Üniversite - UPI", 2007
giriiş
Bu çalışma, bir laboratuvar çalıştayı çerçevesinde gerçekleştirilmesine rağmen, hesaplama ve analitik çalışma ile ilgilidir ve teorik materyalde uzmanlaşmayı ve fiziksel kimya dersi "Kimyasal Denge" konusundaki bir dizi problemin çözülmesini içerir.
Buna olan ihtiyaç, bir yandan bu konunun karmaşıklığından, diğer yandan da bu çalışmaya ayrılan eğitim süresinin yetersiz olmasından kaynaklanmaktadır.
“Kimyasal denge” konusunun ana kısmı: kimyasal denge yasasının türetilmesi, izobar ve izoterm denklemlerinin dikkate alınması Kimyasal reaksiyon vb. derslerde sunulur ve üzerinde çalışılır. pratik egzersizler(bu nedenle bu materyal bu çalışmada sunulmamıştır). Bu kılavuz, konunun denge sabitlerinin deneysel olarak belirlenmesi ve içinde kimyasal reaksiyon meydana gelen bir sistemin denge bileşiminin belirlenmesi ile ilgili bölümünü ayrıntılı olarak incelemektedir.
Dolayısıyla öğrencilerin bu çalışmayı tamamlamaları aşağıdaki görevleri çözmelerine olanak sağlayacaktır:
1) kimyasal reaksiyonların denge sabitlerini belirleme ve hesaplama yöntemleri hakkında bilgi sahibi olmak;
2) çok çeşitli deneysel verilere dayanarak bir karışımın denge bileşimini hesaplamayı öğrenir.
1. YÖNTEMLERLE İLGİLİ TEORİK BİLGİLER
KİMYASAL REAKSİYONLARIN DENGE SABİTLERİNİN BELİRLENMESİ
Aşağıda kullanılan temel kavramlar üzerinde kısaca duralım. Bir kimyasal reaksiyonun denge sabiti miktardır
https://pandia.ru/text/78/005/images/image002_169.gif" width="51" height="29"> - standart molar Gibbs reaksiyon enerjisi R.
Denklem (1), bir kimyasal reaksiyonun denge sabiti için tanımlayıcı denklemdir. Bir kimyasal reaksiyonun denge sabitinin boyutsuz bir miktar olduğuna dikkat edilmelidir.
Kimyasal denge kanunu şu şekilde yazılmıştır:
, (2)
burada https://pandia.ru/text/78/005/images/image005_99.gif" width="23" height="25">- etkinlik k- reaksiyona katılan; - aktivite boyutu; stokiyometrik katsayı k- reaksiyon katılımcısı R.
Denge sabitlerinin deneysel olarak belirlenmesi oldukça zor bir iştir. Her şeyden önce, belirli bir sıcaklıkta dengeye ulaşıldığından, yani reaksiyon karışımının bileşiminin denge durumuna - minimum Gibbs enerjisine, sıfır reaksiyon afinitesine ve oranların eşitliğine sahip bir duruma - karşılık geldiğinden emin olmanız gerekir. ileri ve geri reaksiyonlar. Dengede reaksiyon karışımının basıncı, sıcaklığı ve bileşimi sabit olacaktır.
İlk bakışta, bir denge karışımının bileşiminin, karakteristik kimyasal reaksiyonlara sahip niceliksel analiz yöntemleri kullanılarak belirlenebileceği görülmektedir. Bununla birlikte, kimyasal prosesin bileşenlerinden birine bağlanan yabancı bir reaktifin eklenmesi sistemin denge durumunu değiştirir (yani değiştirir). Bu yöntem yalnızca reaksiyon hızı yeterince yavaşsa kullanılabilir. Bu nedenle denge incelenirken sıklıkla sistemin bileşimini belirlemek için çeşitli fiziksel yöntemler de kullanılır.
1.1 Kimyasal yöntemler
Statik var kimyasal yöntemler ve dinamik kimyasal yöntemler. Verilen spesifik örneklere bakalım.
1.1.1 Statik yöntemler.
Statik yöntemler, reaksiyon karışımının sabit sıcaklıkta bir reaktöre yerleştirilmesini ve daha sonra dengeye ulaşıldığında sistemin bileşiminin belirlenmesini içerir. İncelenmekte olan reaksiyon, yabancı bir reaktifin eklenmesinin pratikte denge durumunu bozmaması için yeterince yavaş olmalıdır. Süreci yavaşlatmak için reaksiyon şişesini oldukça hızlı bir şekilde soğutabilirsiniz. Bu tür araştırmaların klasik bir örneği, iyot ve hidrojen arasındaki reaksiyondur.
H2(g) + I2(g) = 2HI (g) (3)
Lemoyne, cam silindirlere ya iyot ve hidrojen ya da hidrojen iyodür karışımı yerleştirdi. 200 oC'de reaksiyon pratikte gerçekleşmez; 265 °C'de denge süresi birkaç aydır; 350 °C'de denge birkaç gün içinde kurulur; 440 °C'de - birkaç saat. Bu bağlamda bu süreci incelemek için 300 – 400 oC sıcaklık aralığı seçilmiştir. Sistem şu şekilde analiz edildi. Reaksiyon balonu suya indirilerek hızla soğutuldu, ardından musluk açıldı ve hidrojen iyodür suda çözüldü. Hidroiyodik asit miktarı titrasyonla belirlendi. Her sıcaklıkta deney, konsantrasyon sistemdeki kimyasal dengenin kurulduğunu gösteren sabit bir değere ulaşana kadar gerçekleştirildi.
1.1.2 Dinamik yöntemler.
Dinamik yöntemler, bir gaz karışımının sürekli olarak dolaşmasını ve daha sonra sonraki analiz için hızla soğutulmasını içerir. Bu yöntemler en çok oldukça hızlı reaksiyonlara uygulanabilir. Reaksiyonlar, kural olarak, ya yüksek sıcaklıklarda gerçekleştirilerek ya da sisteme bir katalizör eklenerek hızlandırılır. Dinamik yöntem özellikle aşağıdaki gaz reaksiyonlarının analizinde kullanıldı:
2H2 + O2 ⇄ 2H2O. (4)
2CO + O2 ⇄ 2CO2. (5)
2SO2 + O2 ⇄ 2SO
3H2 + N2 ⇄ 2NH
1.2 Fiziksel yöntemler
Bu yöntemler öncelikle reaksiyon karışımının basıncının veya kütle yoğunluğunun ölçülmesine dayanmaktadır, ancak sistemin diğer özellikleri de kullanılabilir.
1.2.1 Basınç ölçümü
Gaz halindeki reaktanların mol sayısında bir değişikliğin eşlik ettiği her reaksiyona, sabit bir hacimde basınçta bir değişiklik eşlik eder. Gazlar ideale yakınsa, basınç gaz halindeki reaktanların toplam mol sayısıyla doğru orantılıdır.
Örnek olarak, başlangıç maddesinin molekülü başına yazılan aşağıdaki gaz reaksiyonunu düşünün.
Mol sayısı
ilk anda 0 0
dengede
burada https://pandia.ru/text/78/005/images/image016_35.gif" width="245" height="25 src=">, (9)
burada https://pandia.ru/text/78/005/images/image018_30.gif" width = "20" height = "21 src = ">.gif" width = "91" height = "31">.
Bu baskılar arasında ilişkiler vardır:
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)
P ölçeğinde ifade edilen denge sabiti,
. (14)
Sonuç olarak, denge basıncı ölçülerek ayrışma derecesi formül (13) kullanılarak belirlenebilir ve ardından denge sabiti formül (14) kullanılarak hesaplanabilir.
1.2.2 Kütle yoğunluğu ölçümü
Prosesteki gaz halindeki katılımcıların mol sayısındaki bir değişikliğin eşlik ettiği her reaksiyon, sabit basınçta kütle yoğunluğundaki bir değişiklik ile karakterize edilir.
Örneğin reaksiyon (8) için bu doğrudur
, (15)
burada https://pandia.ru/text/78/005/images/image028_20.gif" width="16" height="19"> sistemin denge durumundaki hacmidir. Kural olarak, gerçekte deneylerde ölçülen hacim değil, hacimle ters orantılı olan sistemin yoğunluk kütlesidir..gif" width=37 height=21" height=21"> - sistemin kütle yoğunluğu sırasıyla başlangıç anında ve denge anında. Sistemin kütle yoğunluğunu ölçerek, ayrışma derecesini ve ardından denge sabitini hesaplamak için formül (16)'yı kullanabiliriz.
1.2.3 Doğrudan kısmi basınç ölçümü
Bir kimyasal reaksiyonun denge sabitini belirlemenin en doğrudan yolu, süreçteki her bir katılımcının kısmi basınçlarını ölçmektir. Genel olarak bu yöntemin pratikte uygulanması çok zordur, çoğunlukla yalnızca hidrojen içeren gaz karışımlarının analizinde kullanılır. Bu durumda platin grubu metallerin yüksek sıcaklıklarda hidrojeni geçirgen olma özelliğinden yararlanılır. Önceden ısıtılmış gaz karışımı, basınç göstergesine (3) bağlı boş bir iridyum tankı (2) içeren silindir 1'den sabit bir sıcaklıkta geçirilir (Şekil 1). Hidrojen, iridyum tankının duvarlarından geçebilen tek gazdır.
Böylece geriye ölçmek kalıyor toplam basınç Reaksiyonun denge sabitini hesaplamak için gaz karışımı ve hidrojenin kısmi basıncı. Bu yöntem Lowenstein ve Wartenberg'in (1906) su, HCl, HBr, HI ve H2S'nin ayrışmasının yanı sıra aşağıdaki gibi reaksiyonları incelemesine olanak sağladı:
https://pandia.ru/text/78/005/images/image033_14.gif" width="89 height=23" height="23">. (17)
1.2.4 Optik yöntemler
Renkli gazlar durumunda özellikle etkili olan adsorpsiyon ölçümlerine dayanan denge test yöntemleri vardır. Kırılma indeksini ölçerek (refraktometrik olarak) ikili bir gaz karışımının bileşimini belirlemek de mümkündür. Örneğin Chadron (1921), karbon oksit ve karbon dioksitten oluşan gaz karışımının bileşimini refraktometrik olarak ölçerek metal oksitlerin karbon monoksit ile indirgenmesini inceledi.
1.2.5 Isıl iletkenlik ölçümü
Bu yöntem, gaz fazındaki ayrışma reaksiyonlarını incelemek için kullanılmıştır;
Sağ duvarı T2, sol duvarı T1 ve T2>T1 sıcaklığına sahip bir kaba N2O4 ve NO2 karışımı yerleştirildiğini varsayalım (Şekil 2). N2O4'ün ayrışması kabın daha fazla olan kısmında daha fazla olacaktır. Yüksek sıcaklık. Sonuç olarak, damarın sağ tarafındaki NO2 konsantrasyonu sola göre daha fazla olacak ve NO2 moleküllerinin sağdan sola, N2O4'ün ise soldan sağa difüzyonu gözlenecektir. Bununla birlikte, reaksiyon kabının sağ tarafına ulaştıklarında, N2O4 molekülleri tekrar ayrışır ve ısı formundaki enerjiyi emer ve kabın sol tarafına ulaşan NO2 molekülleri dimerleşerek enerjiyi ısı formunda serbest bırakır. Yani, ayrışma reaksiyonunun ortaya çıkmasıyla ilişkili sıradan termal iletkenlik ve termal iletkenliğin bir üst üste binmesi meydana gelir. Bu problem niceliksel olarak çözülür ve denge karışımının bileşiminin belirlenmesini mümkün kılar.
1.2.6 Galvanik hücrenin elektromotor kuvvetinin (EMF) ölçülmesi
Galvanik hücrelerin emk'sinin ölçülmesi, kimyasal reaksiyonların termodinamik fonksiyonlarını hesaplamak için basit ve doğru bir yöntemdir. Yalnızca 1) içindeki son reaksiyonun, denge sabitinin belirlenmesi gereken, incelenen reaksiyonla çakışacağı şekilde bir galvanik hücre inşa etmek gereklidir; 2) termodinamik denge sürecinde galvanik hücrenin EMF'sini ölçün. Bunu yapmak için, karşılık gelen akım üretme sürecinin sonsuz yavaşlıkta gerçekleşmesi, yani elemanın sonsuz küçük bir akım gücünde çalışması gerekir, bu nedenle galvanik hücrenin EMF'sini ölçmek için bir dengeleme yöntemi kullanılır, Bu, incelenen galvanik hücrenin harici bir potansiyel farkına karşı seri olarak bağlanması ve ikincisinin devrede akım olmayacak şekilde seçilmesi gerçeğine dayanmaktadır. Kompanzasyon yöntemiyle ölçülen EMF'nin büyüklüğü, elemanda meydana gelen termodinamik olarak denge sürecine karşılık gelir ve sürecin faydalı işi maksimumdur ve Gibbs enerjisinin kaybına eşittir.
https://pandia.ru/text/78/005/images/image035_12.gif" width = "181" height = "29 src = "> (20)
p'de, T=sabit, burada F–Faraday sayısı = 96500 C/mol, N– elektrot reaksiyonlarına katılan elektron sayısının en küçük ortak katı, Eo– standart EMF, V.
Denge sabitinin değeri ilişkiden bulunabilir (21)
(21)
2. DENGE SABİTİNİN DEĞERİNİN BELİRLENMESİNE İLİŞKİN LABORATUVAR ÇALIŞMASI ÖRNEĞİ
Metal karbonatların ayrışma reaksiyonunun incelenmesine yönelik laboratuvar çalışmalarına fiziksel kimya atölyelerinde sıklıkla rastlanır. Hadi verelim özet benzer çalışma.
İşin amacı – denge sabitinin belirlenmesi ve karbonat ayrışma reaksiyonunun ana termodinamik miktarlarının hesaplanması.
Kalsiyum karbonat https://pandia.ru/text/78/005/images/image038_12.gif" width="192" height="29"> , (22)
bu, gaz halinde karbon monoksit (IV), katı kalsiyum oksit ve ayrışmamış kalsiyum karbonatın bir kısmının kalıntılarını üretir.
Reaksiyonun denge sabiti (22) şu şekilde yazılacaktır:
, (23)
burada https://pandia.ru/text/78/005/images/image041_11.gif" width="68" height="51"> genel olarak veya; saf katı veya sıvı fazların aktiviteleri https:/'ye eşittir /pandia.ru/text/78/005/images/image044_10.gif" width = "76" height = "28 src = ">.
Basınç atmosferlerde ölçülüyorsa = https://pandia.ru/text/78/005/images/image046_9.gif" width="87" height="53">. (24)
Karbon dioksitin kalsiyum karbonat üzerindeki denge basıncına CaCO3'ün ayrışma basıncı denir.
Yani kalsiyum karbonat ayrışma reaksiyonunun denge sabiti şu şekilde olacaktır: sayısal olarak ikincisi atmosferlerde ifade edilirse, karbonat ayrışmasının esnekliğine eşittir. Böylece kalsiyum karbonatın ayrışma esnekliğinin deneysel olarak belirlenmesiyle bu reaksiyonun denge sabitinin değerini belirlemek mümkündür.
deneysel kısım
Kalsiyum karbonatın ayrışmasının esnekliğini belirlemek için kullanılır. statik yöntem. Özü, belirli bir sıcaklıkta kurulumdaki karbondioksit basıncını doğrudan ölçmektir.
Teçhizat. Tesisatın ana bileşenleri şunlardır: ısıya dayanıklı malzemeden yapılmış ve bir elektrikli fırına (2) yerleştirilmiş bir reaksiyon kabı (1); cıva manometresi (3), reaksiyon kabına hermetik olarak ve bir manüel vakum pompası (5) ile bir musluk (4) aracılığıyla bağlanmıştır. Fırın içindeki sıcaklık bir regülatör (6) kullanılarak muhafaza edilmekte olup, sıcaklık bir termokupl (7) ve bir voltmetre (8) kullanılarak kontrol edilmektedir. Çalışma (9) kapsamındaki toz halindeki maddenin belirli bir miktarı (metal karbonatlar) reaksiyon kabına yerleştirilir.
İş emri. Sistemin sıkılığını kontrol ettikten sonra fırını açın ve regülatörü kullanarak reaksiyon kabının gerekli başlangıç sıcaklığını ayarlayın. Termokupl ve basınç göstergesinin ilk okumalarını kaydedin. Daha sonra regülatör (6) yardımıyla fırın içindeki sıcaklığı 10-20 derece arttırıp yeni bir sabit sıcaklık değeri oluşana kadar bekleyin ve bu sıcaklığa karşılık gelen basınç değerini kaydedin. Böylece sıcaklığı kademeli olarak artırarak en az 4-5 ölçüm yapın. Deney bitiminden sonra fırın soğutulur ve sistem bir vana (4) vasıtasıyla atmosfere bağlanır. Daha sonra fırını ve voltmetreyi kapatın. Elde edilen deneysel verilerin işlenmesinden sonra ayrışma reaksiyonunun denge sabitini hesaplamak mümkündür.
Şek. 3. Ayrışmanın esnekliğini belirlemek için kurulum
metal karbonatlar.
3. DENGE SABİTLERİNİN BELİRLENMESİ
DENEY YAPMADAN
3.1 Bir kimyasal reaksiyonun denge sabitinin hesaplanması
reaksiyonun standart molar Gibbs fonksiyonunun değeri
Bu yöntem kesinlikle deney gerektirmez. Belirli bir sıcaklıkta bir reaksiyonun standart molar entalpisi ve entropisi biliniyorsa, ilgili denklemler kullanılarak, istenen sıcaklıkta incelenen reaksiyonun standart molar Gibbs fonksiyonu ve bunun aracılığıyla denge sabitinin değeri hesaplanabilir.
Belirli bir sıcaklıkta standart molar entropi ve entalpi değerleri bilinmiyorsa, Temkin ve Shvartsman yöntemini, yani 298 K sıcaklıkta standart molar entalpi ve entropi değerinden ve değerlerden kullanabilirsiniz. Reaksiyonun molar ısı kapasitesinin sıcaklığa bağımlılık katsayılarından herhangi bir sıcaklıkta reaksiyonun standart molar Gibbs enerjisini hesaplayın.
https://pandia.ru/text/78/005/images/image051_7.gif" width = "137" height = "25 src = "> - reaksiyonun niteliğine bağlı olmayan ve yalnızca belirlenen referans katsayıları sıcaklık değerlerine göre.
3.2 Dengeleri birleştirme yöntemi
Bu yöntem pratik kimyasal termodinamikte kullanılır. Örneğin, aynı sıcaklıkta iki reaksiyonun denge sabitleri deneysel olarak bulundu.
1. СH3OH(g) + CO ⇄ HCOOCH3(g) 
. (26)
2. H2 + 0,5 HCOOCH3(g) ⇄ CH3OH(g) 
. (27)
Metanol sentezi reaksiyonu için denge sabiti
3..gif" genişlik = "31" yükseklik = "32"> ve :
. (29)
3.3 Belirli bir sıcaklıkta bir kimyasal reaksiyonun denge sabitinin, diğer iki sıcaklıkta aynı reaksiyonun denge sabitlerinin bilinen değerlerinden hesaplanması
Bu hesaplama yöntemi, kimyasal reaksiyon izobar denkleminin (van't Hoff izobar) çözülmesine dayanmaktadır.
, (30)
burada https://pandia.ru/text/78/005/images/image060_3.gif" width="64" height="32">ve şöyle görünür:
. (31)
Bu denklemi kullanarak, iki farklı sıcaklıktaki denge sabitlerini bilerek reaksiyonun standart molar entalpisini hesaplayabilir ve bunu ve bir sıcaklıktaki denge sabitini bilerek, herhangi bir başka sıcaklıktaki denge sabitini hesaplayabilirsiniz.
4. SORUN ÇÖZME ÖRNEKLERİ
Amonyağın denge mol fraksiyonu 1 atm'de ve 600K'de 0,4 ise, amonyak sentezi için denge sabitini y N2 + H2 ⇄ NH3 bulun. Başlangıç karışımı stokiyometriktir; başlangıç karışımında ürün yoktur.
Verilen: Reaksiyon y N2 + H2 ⇄ NH3, 1 atm, 600 K. = 1,5 mol; = 0,5 mol; = 0 mol = 0,4 Bulunan: - ?
Çözüm
Sorunun koşullarından stokiyometrik denklemi biliyoruz ve ayrıca zamanın ilk anında nitrojenin mol sayısının stokiyometrik olana eşit olduğunu, yani 0,5 mol olduğunu biliyoruz (https://pandia.ru/text) /78/005/images/image069_3.gif" width = "247" height = "57 src = ">
Reaksiyonu yazalım, elementlerin sembollerinin altına maddelerin başlangıç ve denge mol miktarlarını belirtiyoruz
y N2 + H2 ⇄ NH3
0,5 - 0,5ξ 1,5 – 1,5 ξ ξ
Denge anında sistemdeki tüm reaksiyon katılımcılarının toplam mol sayısı
https://pandia.ru/text/78/005/images/image073_4.gif" genişlik = "197" yükseklik = "56 src = ">.gif" genişlik = "76" yükseklik = "48 src = ">
https://pandia.ru/text/78/005/images/image077_0.gif" width = "120" yükseklik = "47">
= 3,42
Doğrudan kimyasal denge sorununu çözmek, belirli bir reaksiyonun (birkaç reaksiyonun) meydana geldiği sistemin denge bileşimini hesaplamaktır. Açıkçası çözümün temeli kimyasal denge yasasıdır. Bu yasanın içerdiği tüm değişkenleri yalnızca bunlardan biri aracılığıyla ifade etmek gerekir: örneğin, bir kimyasal reaksiyonun derinliği, ayrışma derecesi veya bir miktar denge mol fraksiyonu aracılığıyla. Sorunun özel koşullarına göre hangi değişkenin kullanımının uygun olduğunu seçmek daha iyidir.
Sorun 2
Hidrojen iyodür sentezinin gaz reaksiyonunun denge sabiti
600 K sıcaklıkta H2 + I2 ⇄ 2HI ve atmosfer cinsinden ifade edilen basınç şuna eşittir: Kr.= 45,7. Başlangıçtaki başlangıç maddelerinin miktarları stokiyometrik miktarlara karşılık geliyorsa ve başlangıçta reaksiyon ürünleri yoksa, bu reaksiyonun denge derinliğini ve 1 atm'lik belirli bir sıcaklık ve basınçta ürünün denge verimini bulun. an.
Verilen Kr.= 45.7. =1 mol; https://pandia.ru/text/78/005/images/image081_1.gif" width = "68" height = "27 src = "> köstebek. Bul: - ? - ?
Çözüm
Reaksiyonun kendisini ve elementlerin sembollerinin altına, her katılımcının ilk andaki ve formül (4)'e göre kurulan denge anında mol sayısını yazalım.
1 - ξ 1 - ξ 2ξ
1 - ξ + 1 - ξ +2ξ = 2
Reaksiyondaki tüm katılımcıların denge mol kesirlerini ve kısmi basınçlarını tek bir değişkenle (kimyasal reaksiyonun derinliği) ifade edelim.
https://pandia.ru/text/78/005/images/image085_1.gif" width = "144" height = "47 src = ">.
Kütle etkisi yasası veya kimyasal denge yasası
https://pandia.ru/text/78/005/images/image082_1.gif" width = "13" height = "23 src = ">= 0.772.
Sorun 3
Durumu problem 2'den farklıdır çünkü hidrojen ve iyotun başlangıç mol miktarları sırasıyla 3 ve 2 mol'e eşittir. Denge karışımının molar bileşimini hesaplayın.
Verilen: Olası reaksiyon: H2+I2= 2HI. 600 K, 1 atm. Kr. = 45,7 .
3 mol; köstebek; köstebek. Bul: - ?.gif" width="32" height="27"> 1 1 0
3 - ξ 2 - ξ 2ξ
Denge anında reaksiyondaki tüm katılımcıların toplam mol sayısı eşittir
3 - ξ + 2 - ξ +2ξ = 5
Tüm reaksiyon katılımcılarının denge mol fraksiyonları ve kısmi basınçları, tek bir değişkenle (kimyasal reaksiyonun derinliği) ifade edilir
Kısmi basınçları kimyasal denge yasasına koymak şunu verir:
https://pandia.ru/text/78/005/images/image090_1.gif" width="13" height="21"> ve denge sabitini hesaplayın, ardından bir grafik oluşturun ve reaksiyonun derinliğini belirleyin Bu, denge sabitinin bulunan değerine karşılık gelir.
= 1,5 =
12
https://pandia.ru/text/78/005/images/image067_4.gif" genişlik = "29" yükseklik = "29 src = "> =29,7
https://pandia.ru/text/78/005/images/image067_4.gif" genişlik = "29" yükseklik = "29 src = "> = 54
https://pandia.ru/text/78/005/images/image083_1.gif" width="35 height=25" height="25">= 0.712
Çalışmayı gerçekleştirmek için aşağıdaki görevleri tamamlamanız gerekir
1. Egzersiz
1. CaCO3⇄CaO+CO2 ayrışma reaksiyonunu incelerken karbondioksitin esnekliğini deneysel olarak belirlemek için bir yöntem tanımlayın.
(seçenek 1 – 15, tablo 3);
2. İncelenen reaksiyon için kimyasal denge yasasını yazın; farklı sıcaklıklarda deneysel verilere (Tablo 3) göre kalsiyum karbonat ayrışma reaksiyonunun denge sabitlerinin değerlerini belirleyin; B bölümündeki görevleri tamamlayın (belirtilen seçeneğe göre) görevleri 1-3, s'yi tamamlayın;
3. Denge sabiti için tanımlayıcı bir ifade yazın ve incelenen reaksiyonun denge sabitini tabloda belirtilen son sıcaklıkta teorik olarak hesaplayın.
Görev 2
1. 1. soruya bir cevap hazırlayın (seçenek 1-15, tablo 4)
2. 2. ve 3. problemleri çözün.
Çalışmayı tamamlamak için gereken referans verileri
Temkin ve Shvartsman yöntemini kullanarak Gibbs enerjisindeki standart molar değişimi hesaplama değeri
tablo 1
Standart molar Gibbs enerjisinin hesaplanması için termodinamik veriler
Tablo 2
Görev 1 için deneysel veriler
Tablo 3
Seçenek | Deneysel veri |
|||
T, ÖC | ||||
P, mmHg | ||||
P, mmHg | ||||
P, mmHg | ||||
P, mmHg | ||||
P, mmHg | ||||
P, mmHg | ||||
P, mmHg | ||||
P, mmHg | ||||
P, mmHg | ||||
P, mmHg | ||||
P, mmHg | ||||
P, mmHg | ||||
P, mmHg | ||||
P, mmHg | ||||
P, mmHg |
Görev 2'yi tamamlamak için görev koşulları
Tablo 4
1 seçenek | 1. Bize kimyasal denge sabitlerinin değerlerini belirlemek için kimyasal yöntemlerden bahsedin. 2. Stokiyometrik denklem 0,5 A + 2B = C'ye göre reaksiyon ürünü C'yi oluşturmak için kimyasal reaksiyona girebilen gaz halindeki A ve B maddelerinin bir karışımı vardır. Zamanın ilk anında reaksiyon ürünü yoktur. sistemde ve başlangıç maddeleri stokiyometrik miktarlarda alınır. Denge kurulduktan sonra denge karışımı 0,4'e eşit C ürününün mol sayısını içerir ve toplam basınç 2 atm'dir. P ölçeğinde denge sabitini bulun. 3 . 1273 K'de ve toplam 30 atm basınçta, varsayılan CO2 (g) + C(s) = 2CO (g) reaksiyonuna sahip denge karışımı %17 (hacimce) CO2 içerir. Toplam 20 atm basınçta gazın içinde yüzde kaç CO2 bulunacaktır? Gaz hangi basınçta %25 CO2 içerecektir? |
seçenek 2 | 1 . Basıncı ölçerek kimyasal denge sabitinin değerini belirlemek için kullanılan fiziksel yöntemi açıklayın. 2. Stokiyometrik denklem 2A + B = C'ye göre reaksiyon ürünü C'yi oluşturmak için kimyasal reaksiyona girebilen gaz halindeki A ve B maddelerinin bir karışımı vardır. Zamanın ilk anında reaksiyon ürünü yoktur. sistem ve başlangıç maddeleri stokiyometrik miktarlarda alınır. Denge kurulduktan sonra denge karışımı 0,5'e eşit C ürününün mol sayısını içerir ve toplam basınç 2 atm'dir. P ölçeğinde denge sabitini bulun. 3 . 2000 °C'de ve toplam 1 atm basınçta, H2O(g) = H2(g) + 0,5 O2(g) reaksiyonuna göre suyun %2'si hidrojen ve oksijene ayrışır. Bu koşullar altında reaksiyonun denge sabitini hesaplayın. |
Seçenek 3 | 1 . Yoğunluk ölçümlerinden denge sabitinin değerini belirlemek için bir yöntem tanımlayın. Bu yöntem hangi yöntemlere aittir? 2. A + 2B = C stokiyometrik denklemine göre bir reaksiyon ürünü C oluşturmak için kimyasal reaksiyona girebilen gaz halindeki A ve B maddelerinin bir karışımı vardır. Zamanın ilk anında reaksiyon ürünü yoktur. sistem ve başlangıç maddeleri stokiyometrik miktarlarda alınır. Denge kurulduktan sonra denge karışımı 0,6'ya eşit C ürününün mol sayısını içerir ve toplam basınç 2 atm'dir. P ölçeğinde denge sabitini bulun. 3 . CO(g) + H2O(g) = H2(g) + CO2(g) reaksiyonunun 500 oC'deki denge sabiti 5,5'tir ([p]=1 atm). 1 mol CO ve 5 mol H2O'dan oluşan bir karışım bu sıcaklığa kadar ısıtıldı. Denge karışımındaki suyun mol kesrini hesaplayın. |
Seçenek 4 | 1 . Kısmi basıncın doğrudan ölçümüyle denge sabitinin değerini belirlemek için bir yöntem açıklayın. 2. Stokiyometrik denklem 0,5 A + B = C'ye göre reaksiyon ürünü C'yi oluşturmak için kimyasal reaksiyona girebilen gaz halindeki A ve B maddelerinin bir karışımı vardır. Zamanın ilk anında reaksiyon ürünü yoktur. sistemde ve başlangıç maddeleri stokiyometrik miktarlarda alınır. Denge kurulduktan sonra denge karışımı, 0,3'e eşit C ürününün mol sayısını içerir ve toplam basınç 1,5 atm'ye eşittir. P ölçeğinde denge sabitini bulun. 3 N2O4(g) = 2NO2(g) reaksiyonunun 25 o C'deki denge sabiti 0,143'e eşittir ([p]=1 atm). Bu sıcaklıkta 1 g N2O4 içeren 1 litrelik kapta oluşacak basıncı hesaplayınız. |
Seçenek 5 | 1 . Bir reaksiyonun denge sabitinin değerini deneye başvurmadan nasıl belirleyebilirsiniz? 2. Stokiyometrik denklem 0,5 A + 3B = C'ye göre reaksiyon ürünü C oluşturmak için kimyasal reaksiyona girebilen gaz halindeki A ve B maddelerinin bir karışımı vardır. Zamanın ilk anında reaksiyon ürünü yoktur. sistem ve başlangıç maddeleri stokiyometrik miktarlarda alınır. Denge kurulduktan sonra denge karışımı 0,3'e eşit C ürününün mol sayısını içerir ve toplam basınç 2 atm'dir. P ölçeğinde denge sabitini bulun. 3 . 1,79·10-2 mol I2 içeren 3 litrelik bir kap 973 K'ye ısıtıldı. Denge durumunda kaptaki basıncın 0,49 atm olduğu ortaya çıktı. Gazların ideal olduğunu varsayarak reaksiyon için 973 K'deki denge sabitini hesaplayın. I2(g) = 2I(g). |
Seçenek 6 | 1. Daha önce incelenmemiş bir sıcaklıkta kimyasal denge sabitinin değerini belirlemek için reaksiyon izobar denklemini kullanmak. 2. Stokiyometrik denklem 3A + B = C'ye göre reaksiyon ürünü C'yi oluşturmak için kimyasal reaksiyona girebilen gaz halindeki A ve B maddelerinin bir karışımı vardır. Zamanın ilk anında reaksiyon ürünü yoktur. sistem ve başlangıç maddeleri stokiyometrik miktarlarda alınır. Denge kurulduktan sonra denge karışımı 0,4'e eşit C ürününün mol sayısını içerir ve toplam basınç 2 atm'dir. P ölçeğinde denge sabitini bulun. 3 . 250 °C'de PCl5(g) = PCl3(g) + Cl2(g) reaksiyonu için Gibbs enerjisindeki standart molar değişim = - 2508 J/mol. Hangi toplam basınçta PCl5'in PCl3 ve Cl2'ye dönüşüm derecesi 250 °C'de %30 olacaktır? |
Seçenek 7 | 1. Endotermik gaz fazı reaksiyonunun meydana geldiği A+3B=2C reaksiyonu 400 K ve 5 atm'de dengededir. Gazlar ideal ise sabit hacimde inert gazın eklenmesi ürünün verimini nasıl etkileyecektir? 2. Stokiyometrik denklem 2A + B = 2C'ye göre reaksiyon ürünü C'yi oluşturmak üzere kimyasal olarak reaksiyona girebilen gaz halindeki A ve B maddelerinin bir karışımı vardır. Başlangıçta sistemde reaksiyon ürünü yoktur ve başlangıç maddeleri stokiyometrik miktarlarda alınır. Denge kurulduktan sonra denge karışımı 0,3'e eşit C ürününün mol sayısını içerir ve toplam basınç 2 atm'dir. P ölçeğinde denge sabitini bulun. 3 . 2HI(g) = H2 +I2(g) reaksiyonu için denge sabiti Kp= 0,0183 ([p]=1 atm), 698,6 K'de. Üç litrelik bir kapta 10 g I2 ve 0,2 g H2 bu sıcaklığa ısıtıldığında kaç gram HI oluşur? H2, I2 ve HI'nın kısmi basınçları nelerdir? |
Seçenek 8 | 1. Endotermik gaz fazı reaksiyonunun meydana geldiği A+3B=2C reaksiyonu 400 K ve 5 atm'de dengededir. Gazlar ideal ise sıcaklıktaki artış ürünün verimini nasıl etkileyecektir? 2. Stokiyometrik denklem 0,5A + 2B = 2C'ye göre reaksiyon ürünü C'yi oluşturmak üzere kimyasal olarak reaksiyona girebilen gaz halindeki A ve B maddelerinin bir karışımı vardır. Başlangıçta sistemde reaksiyon ürünü yoktur ve başlangıç maddeleri stokiyometrik miktarlarda alınır. Denge kurulduktan sonra denge karışımı 0,3'e eşit C ürününün mol sayısını içerir ve toplam basınç 2 atm'dir. P ölçeğinde denge sabitini bulun. 3 . 0,341 mol PCl5 ve 0,233 mol N2 içeren 1 litrelik bir kap 250 °C'ye ısıtıldı. Denge durumunda kaptaki toplam basıncın 29,33 atm olduğu ortaya çıktı. Tüm gazların ideal olduğunu varsayarak, kapta meydana gelen PCl5(g) = PCl3(g) + Cl2(g) reaksiyonu için 250 °C'deki denge sabitini hesaplayın. |
Seçenek 9 | 1 . Endotermik gaz fazı reaksiyonunun meydana geldiği sistem olan A+3B=2C reaksiyonu 400 K ve 5 atm'de dengededir. Gazlar ideal ise basıncın arttırılması ürünün verimini nasıl etkileyecektir? 2. Stokiyometrik denklem 0,5A + B = 2C'ye göre, reaksiyon ürünü C'yi oluşturmak üzere kimyasal olarak reaksiyona girebilen, gaz halindeki A ve B maddelerinin bir karışımı vardır. Başlangıçta sistemde reaksiyon ürünü yoktur ve başlangıç maddeleri stokiyometrik miktarlarda alınır. Denge kurulduktan sonra denge karışımı 0,5'e eşit C ürününün mol sayısını içerir ve toplam basınç 2 atm'dir. P ölçeğinde denge sabitini bulun. 3 . CO(g) + 2H2 = CH3OH(g) reaksiyonunun 500 K'deki denge sabiti şuna eşittir: Kr.= 0,00609 ([p]=1 atm). CO ve H2 1:2 oranında alındığında %90 verimle metanol üretmek için gereken toplam basıncı hesaplayın. |
Seçenek 10 | 1. Kısmi basıncı ölçerek denge sabitlerini belirlemek için bir yöntem tanımlayın. 2. Stokiyometrik denklem 0,5A + 1,5B = 2C'ye göre reaksiyon ürünü C'yi oluşturmak üzere kimyasal olarak reaksiyona girebilen gaz halindeki A ve B maddelerinin bir karışımı vardır. Başlangıçta sistemde reaksiyon ürünü yoktur ve başlangıç maddeleri stokiyometrik miktarlarda alınır. Denge kurulduktan sonra denge karışımı 0,4'e eşit C ürününün mol sayısını içerir ve toplam basınç 2 atm'dir. P ölçeğinde denge sabitini bulun. 3 . 2NOCl (g) = 2NO(g) + Cl2 (g) reaksiyonundaki denge, NOCl'nin kısmi basıncı 0,64 bar olduğunda (başlangıçta yalnızca NOCl mevcuttu), 227 °C'de ve toplam 1,0 bar basınçta kurulur. Bu reaksiyonu belirli bir sıcaklıkta hesaplayın. |
Seçenek 11 | 1 . Denge sabitlerinin belirlenmesine yönelik kimyasal yöntemleri açıklar. 2. Stokiyometrik denklem 2A + 0,5B = 2C'ye göre reaksiyon ürünü C'yi oluşturmak üzere kimyasal olarak reaksiyona girebilen gaz halindeki A ve B maddelerinin bir karışımı vardır. Başlangıçta sistemde reaksiyon ürünü yoktur ve başlangıç maddeleri stokiyometrik miktarlarda alınır. Denge kurulduktan sonra denge karışımı 0,2'ye eşit C ürününün mol sayısını içerir ve toplam basınç 2 atm'dir. P ölçeğinde denge sabitini bulun. 3 . 400°C'de hacimce %10 NH3 içeren bir denge karışımı elde etmek için 3 kısım H2 ve 1 kısım N2'den oluşan bir karışıma uygulanması gereken toplam basıncı hesaplayın. 400 oC'de N2(g) + 3 H2(g)= 2NH3(g) reaksiyonu için denge sabiti ve basıncı atm cinsinden ifade etmek 1,6·10-4'e eşittir. |
Seçenek 12 | 1 . Endotermik gaz fazı reaksiyonunun meydana geldiği sistem olan A+3B=2C reaksiyonu 400 K ve 5 atm'de dengededir. Gazlar ideal ise basınçtaki azalma ürünün verimini nasıl etkileyecektir? 2. Stokiyometrik denklem 2A + B = 0,5C'ye göre reaksiyon ürünü C'yi oluşturmak üzere kimyasal olarak reaksiyona girebilen gaz halindeki A ve B maddelerinin bir karışımı vardır. Başlangıçta sistemde reaksiyon ürünü yoktur ve başlangıç maddeleri stokiyometrik miktarlarda alınır. Denge kurulduktan sonra denge karışımı 0,4'e eşit C ürününün mol sayısını içerir ve toplam basınç 2 atm'dir. P ölçeğinde denge sabitini bulun. 3 . 250 °C'de ve toplam 1 atm basınçta PCl5, PCl5(g) = PCl3(g) + Cl2(g) reaksiyonuna göre %80 oranında ayrışır. Azotun kısmi basıncı 0,9 atm'ye eşit olacak şekilde sisteme nitrojen eklenirse PCl5'in ayrışma derecesi ne olacaktır? Toplam basınç 1 atm'de tutulur. |
Seçenek 13 | 1 . Ekzotermik bir reaksiyonun meydana geldiği bir sistem CO(g) + 2H2 = CH3OH(g) 500 K ve 10 bar'da dengededir. Gazlar ideal ise basınçtaki azalma metanol verimini nasıl etkileyecektir? 2. Stokiyometrik denklem 1.5A + 3B = 2C'ye göre reaksiyon ürünü C'yi oluşturmak üzere kimyasal olarak reaksiyona girebilen gaz halindeki A ve B maddelerinin bir karışımı vardır. Başlangıçta sistemde reaksiyon ürünü yoktur ve başlangıç maddeleri stokiyometrik miktarlarda alınır. Denge kurulduktan sonra denge karışımı 0,5'e eşit C ürününün mol sayısını içerir ve toplam basınç 2 atm'dir. P ölçeğinde denge sabitini bulun. 3 . CO(g) + 2H2 = CH3OH(g) reaksiyonunun 500 K'deki denge sabiti 6,09 × 105'tir ([p] = 1 atm). 1 mol CO2'den oluşan bir reaksiyon karışımı, 2 mol H2 ve 1 mol soy gaz (azot) 500 K'ye ve toplam 100 atm basınca ısıtılıyor. Reaksiyon karışımının bileşimini hesaplayın. |
Seçenek 14 | 1 . Elektrokimyasal verilerden denge sabitlerini belirlemek için bir yöntem tanımlayın. 2. Stokiyometrik denklem 2A + 0.5B = C'ye göre reaksiyon ürünü C'yi oluşturmak için kimyasal reaksiyona girebilen gaz halindeki A ve B maddelerinin bir karışımı vardır. Zamanın ilk anında reaksiyon ürünü yoktur. Sistemde ve başlangıç maddeleri stokiyometrik miktarlarda alınır. Denge kurulduktan sonra denge karışımı 0,4'e eşit C ürününün mol sayısını içerir ve toplam basınç 2 atm'dir. P ölçeğinde denge sabitini bulun. 3. 298 K'de N2(g) + 3 H2(g) = 2NH3(g) reaksiyonu için, atmosferdeki basıncı ifade ederken denge sabiti 6,0 × 10 5'tir ve amonyak oluşumunun standart molar entalpisi = - 46,1 kJ'dir. / mol . 500 K'deki denge sabitinin değerini bulun. |
Seçenek 15 | 1 . Ekzotermik reaksiyon CO(g) + 2H2 = CH3OH(g) olan sistem 500 K ve 10 bar'da dengededir. Gazlar ideal ise sıcaklıktaki azalma metanol verimini nasıl etkileyecektir? 2. Stokiyometrik denklem 2A + B = 1,5C'ye göre reaksiyon ürünü C'yi oluşturmak üzere kimyasal olarak reaksiyona girebilen gaz halindeki A ve B maddelerinin bir karışımı vardır. Başlangıçta sistemde reaksiyon ürünü yoktur ve başlangıç maddeleri stokiyometrik miktarlarda alınır. Denge kurulduktan sonra denge karışımı 0,5'e eşit C ürününün mol sayısını içerir ve toplam basınç 2 atm'dir. P ölçeğinde denge sabitini bulun. 3. N2(g) + 3 H2(g) = 2NH3(g) reaksiyonunun 400 °C'deki denge sabiti ve atm cinsinden basınçla ifade edilen 1,6·10-4'tür. Azotun %10'unu amonyağa dönüştürmek için eşit molar nitrojen ve hidrojen karışımına hangi toplam basınç uygulanmalıdır? Gazlar ideal kabul edilir. |
Laboratuvar raporunda şu bölümlerin yer alması uygun görünmektedir: giriş, bölüm 1, bölüm 2, sonuçlar.
1. Giriş bölümünde Aşağıdaki konulardan biri hakkında kısaca teorik bilgi sunabilirsiniz: ya kitlesel eylem yasası, onun keşif tarihi ve yazarları hakkında; veya “Kimyasal Denge” bölümünün temel kavramları ve tanımlayıcı ilişkileri hakkında; veya modern formülasyonunda kimyasal denge yasasını türetin; veya denge sabitinin değerini etkileyen faktörler vb. hakkında konuşun.
“Giriş” bölümü çalışmanın hedeflerinin açıklanmasıyla bitmelidir.
1. bölümde gerekli
2.1. Metal karbonatların ayrışma esnekliğini belirlemek için kurulumun bir diyagramını sağlayın ve deneyin gidişatını açıklayın.
2.2 . Verilen deneysel verilere dayanarak denge sabitini hesaplamanın sonuçlarını sağlayın
2.3. Termodinamik verileri kullanarak denge sabitini hesaplayın
2. bölümde gerekli
3.1 . Görev 2'nin 1. sorusuna tam ve gerekçeli bir cevap verin.
3.2 . Görev 2'nin 2. ve 3. problemlerinin çözümünü verin. Problemlerin koşulları sembolik gösterimle yazılmalıdır.
Sonuç olarak Çalışmada belirlenen hedeflerin yerine getirilmesinin yansıtılması ve ayrıca 2.2 ve 2.3'te hesaplanan denge sabitinin değerlerinin karşılaştırılması tavsiye edilir.
Kaynakça
1. Kimyasal Termodinamiğin Karjakin'i: Ders Kitabı. üniversiteler için el kitabı. M.: Akademi., 20 s.
2. Prigozhin I., Kondepudi D. Modern termodinamik. Isı motorlarından enerji tüketen yapılara. M.: Mir, 20 s.
3. , Cherepanov'un fiziksel kimya üzerine. Araç seti. Ekaterinburg: Ural Devlet Üniversitesi Yayınevi, 2003.
4. Fiziksel ve kimyasal miktarların kısa referans kitabı / Ed. Ve. L.: Kimya, 20 s.
5. Fiziksel kimyadaki problemler: ders kitabı. üniversiteler için el kitabı / vb. M.: Sınav, 20 s.
Bilgisayar düzeni
Bazı durumlarda redoks reaksiyonunun sadece yönünü değil aynı zamanda ne kadar ilerlediğini de bilmek gerekir. Örneğin, niceliksel analizde yalnızca pratik olarak %100 ilerleyen (veya buna yakın olan) reaksiyonlara güvenebilirsiniz.
Bir reaksiyonun soldan sağa doğru ilerleme derecesi denge sabiti tarafından belirlenir. Reaksiyon için
Kitle eylemi yasasına göre şunu yazabiliriz:
burada K, iyon konsantrasyonları ile denge arasındaki ilişkinin ne olduğunu gösteren denge sabitidir.
Denge sabiti aşağıdaki gibi belirlenir. Denklemde (3) (s. 152) çiftlerin normal potansiyellerinin değerlerini değiştirin ve şunu bulun:
Dengede = veya
Denge sabiti, çinkonun, çözeltideki iyon konsantrasyonu iyon konsantrasyonundan bir kat daha az oluncaya kadar bakır iyonlarını çözeltiden çıkardığını gösterir. Bu, söz konusu reaksiyonun neredeyse tamamlandığı anlamına gelir.
Örneğin reaksiyonun başlangıcındaki konsantrasyon 0,1 m ise, dengede konsantrasyon x iken 0,1 - x olacaktır.
Denklemi çözersek dengedeki konsantrasyon 0,1 m'ye çok yakındır.
Bununla birlikte, eğer etkileşen bileşenlerin oranını şu şekilde değiştirebilseydik: ya da reaksiyon sağdan sola (yani ters yönde) gider.
Belirli reaksiyonların redoks potansiyelleri biliniyorsa, herhangi bir redoks işlemi için denge sabiti hesaplanabilir.
Denge sabiti redoks potansiyelleriyle aşağıdaki genel formülle ilişkilidir:
burada K reaksiyon denge sabitidir; ve normal potansiyeller (oksitleyici ve indirgeyici); n iyonların yüküdür (indirgeyici madde tarafından verilen ve oksitleyici madde tarafından kabul edilen elektronların sayısı).
Formül (4)'ten denge sabitini buluyoruz:
Denge sabitini bilerek, deneysel verilere başvurmadan reaksiyonun tam olarak ne kadar ilerlediğini hesaplamak mümkündür.
Yani, örneğin reaksiyonda
bir çift için = -0,126 V, bir çift için = -0,136 V.
Bu verileri denklem (4)'te yerine koyarsak şunu buluruz:
2,21 sayısı, söz konusu reaksiyondaki dengenin, iyon konsantrasyonu iyon konsantrasyonundan 2,21 kat daha az olduğunda meydana geldiği anlamına gelir.
Dengedeki iyon konsantrasyonu iyon konsantrasyonunun 2,21 katıdır. Dolayısıyla her 2,21 gram iyona karşılık 1 gram iyon vardır. Toplamda çözelti 3,21 gram iyon (2,21 + 1) içerir. Böylece, çözeltideki her 3,21 gram iyon için 2,21 gram iyon vardır ve 100 kısım için x kısım olacaktır.
Bu nedenle bu reaksiyon tersinir şekilde ilerler. Reaksiyonun denge sabitini hesaplayalım:
Bir çift için potansiyel = 1,51 V, bir çift için potansiyel = 0,77 V. Bu potansiyel değerleri denklem (4)'te değiştirerek şunu buluruz:
Bu sabit, paydaki iyonların konsantrasyonlarının ürünü (reaksiyon sırasında oluşan), paydadaki iyonların konsantrasyonlarının ürününden (reaksiyona giren) birkaç kat daha büyük olduğunda dengenin oluştuğunu gösterir.
Bu reaksiyonun neredeyse geri dönülemez şekilde (yani soldan sağa %100) ilerlediği açıktır.
Reaksiyon için
Bir hesaplama (yukarıdakine benzer), bu reaksiyonun .
Denge reaksiyon koşullarına bağlı olarak değişir.
Ortamın reaksiyonunun sabitin değeri üzerinde olağanüstü bir etkisi vardır. Örneğin, arsenik asidin asidik bir ortamda iyot iyonu ile indirgenmesinin reaksiyonu aşağıdaki denkleme göre ilerler:
Arsenik asidin alkali ortamda indirgenme potansiyeli çok daha düşüktür. Bu nedenle alkali bir ortamda ters işlem gerçekleşir:
Tarafsız bir ortamda her iki süreç de şu şekilde temsil edilebilir:
ancak bunu yapmayacaklar.
İlk denkleme göre işlem işe yaramayacaktır çünkü süreci ters yöne yönlendiren iyonların birikmesiyle ilişkilidir; ancak hidroksit iyonlarını nötralize eden asidik bir ortam yaratıldığında soldan sağa doğru hareket edecektir.
İkinci denkleme göre, reaksiyon soldan sağa doğru ilerleyecekse alkali ile nötrleştirilmesi gereken iyonların birikmesiyle ilişkili olduğu için süreç işe yaramayacaktır.
Prosesin optimal akışı için gerekli reaksiyon ortamını oluşturmak için aşağıdaki kural vardır:
Redoks reaksiyonunun bir sonucu olarak hidrojen veya hidroksit iyonları birikirse, o zaman işlemin istenen seyri için zıt özelliklere sahip bir ortam yaratmak gerekir: iyonların birikmesi durumunda ortamın alkali olması gerekir, ancak İyonların birikmesi durumunda ortamın asidik olması gerekir.
Reaksiyon için aynı ortamı gerektiren bileşenleri (asidik veya alkali) almanız gerekir. Bir reaksiyonda bir madde asidik bir ortamda indirgeyici bir madde ise ve diğeri alkali bir ortamda bir oksitleyici madde ise, o zaman işlem engellenebilir; bu durumda süreç ancak şu durumlarda tamamlanacaktır: büyük fark potansiyeller, yani yüksek reaksiyon sabitinde.
Denge sabiti, örneğin nitrik asit ile oksidasyon olasılığının tahmin edilmesini sağlar.
Çözünme reaksiyonunun denge sabitini cinsinden bulalım. seyreltilmiş halde iyi çözünür. Reaksiyon için denge sabiti:
denklemden hesaplanabilir:
Sabitin bu kadar küçük bir değeri, bu reaksiyonun dengesinin neredeyse tamamen sağdan sola kaydığını, yani bakır sülfürün aksine cıva sülfürün seyreltik çözeltide pratik olarak çözünmediğini gösterir.
KENDİNİ KİMYA VE DOĞA BİLİMLERİNE ADAMAYA KARAR VEREN ORTAOKUL ÖĞRETMENLERİ, PEDAGOJİ ÜNİVERSİTESİ ÖĞRENCİLERİ VE 9-10. SINIF ÖĞRENCİLERİ İÇİN
DERS KİTABI · SORUNLU İŞÇİ · LABORATUVAR UYGULAMASI · OKUMANIZ GEREKEN BİLİMSEL HİKAYELER
§ 3.2. Denge sabiti
ve izobarik reaksiyon potansiyeli
Denge sabiti, başlangıç maddelerinin ve reaksiyon ürünlerinin oluşum entalpisi ve entropisine ilişkin tablo halindeki verilerden hesaplanan izobarik potansiyelin değerinden kolaylıkla bulunabilir.
İncelenmekte olan reaksiyonun denge sabitini hesaplamanız gerektiğinde bu formüle ihtiyacınız olacaktır.
Bu ders kitabında hazır formüller vermemeye, matematiksel mantığın en basit yöntemlerini kullanarak bunları türetmeye çalışıyoruz, dolayısıyla bu formülün türetilmesi aşağıda verilmiştir. Bu materyali okuduktan sonra olasılık teorisi, aktivasyon entropisi vb. gibi en basit kavramlara aşina olacaksınız.
Bir kimyasal reaksiyonun hızını belirleyen yalnızca aktivasyon enerjisi değildir. Reaksiyona giren moleküllerin boyutu ve şekli ile reaktif atomların veya bunların içindeki grupların konumu büyük rol oynar. Bu bağlamda, iki parçacık çarpıştığında, bunların spesifik yönelimi önemlidir, yani tam olarak reaktif olan merkezlerin teması.
Bir çarpışma sırasında etkileşim için gerekli moleküler yönelimin olasılığını W ile gösterelim:
W değerinin gaz sabiti R ile çarpımının doğal logaritmasına aktivasyon entropisi S a denir:
Bu ifadeden şu sonuç çıkıyor:
Logaritmanın tanımına göre gerekli yönelimin olasılığını nereden elde ederiz:
Reaksiyonun gerçekleşmesi için gerekli yönelimin olasılığı ne kadar yüksek olursa, hızı da o kadar yüksek olur ve buna bağlı olarak hız sabiti de o kadar yüksek olur; bu şu şekilde yazılabilir:
Daha önce hız sabitinin aktivasyon enerjisine ve sıcaklığa bağlı olduğunu öğrenmiştik:
Dolayısıyla hız sabiti aktivasyon enerjisine, sıcaklığa ve aktivasyon entropisine bağlıdır:
Orantılılık katsayısı Z'yi tanıtalım ve eşittir işareti koyalım:
Ortaya çıkan ifade denir kimyasal kinetiğin temel denklemi.
Bu denklem katalizin bazı yönlerini açıklamaktadır: Bir katalizör, bir reaksiyonun aktivasyon enerjisini düşürür ve aktivasyonun entropisini arttırır, yani reaksiyona giren parçacıkların etkileşim için uygun yönelim olasılığını arttırır.
Aktivasyon entropisinin yalnızca parçacıkların spesifik yönelimini değil aynı zamanda çarpışma anında temas süresini de dikkate aldığını belirtmek ilginçtir. Parçacıklar arasındaki temas süresi çok kısaysa, elektron yoğunluklarının yeni kimyasal bağlar oluşturmak için yeniden dağıtılması için zamanları yoktur ve itici parçacıklar farklı yönlere ayrılır. Katalizör ayrıca reaksiyona giren parçacıkların temas süresini de önemli ölçüde artırır.
Katalitik etkinin bir başka özelliği: Katalizör, yeni oluşan parçacıktan fazla enerjiyi alır ve yüksek enerji aktivitesi nedeniyle orijinal parçacıklara parçalanmaz.
Denge sabitinin ileri ve geri reaksiyonların hız sabitlerinin oranı olduğunu biliyorsunuz:
İleri ve geri reaksiyonların hız sabitlerini kimyasal kinetiğin temel denkleminin ifadeleriyle değiştirelim:
İki orantı katsayısının Z pr / Z arr oranı, denge sabitinin değerine ekleyeceğimiz sabit bir değerdir, bu nedenle daha önce olduğu gibi sabit kalacaktır.
Üstel fonksiyonlarla çalışmanın kurallarını hatırlarsanız formülün dönüşümünü anlayacaksınız:
Hess yasasına göre, geri ve ileri reaksiyonların aktivasyon enerjileri arasındaki fark, entalpideki değişimdir (bunun için ısının açığa çıkmasıyla gerçekleşen reaksiyonun entalpi diyagramını çizerek emin olun ve şunu unutmayın: bu durum D N< 0 ):
Tamamen aynı fark 
hadi belirtelim DS:
Parantezlerin önünde neden eksi işareti bulunduğunu açıklayın.
Denklemi elde ederiz:
Bu denklemin her iki tarafının logaritmasını alalım:
Nereden alıyoruz:
Bu denklem kimya ve diğer bilimler için o kadar önemlidir ki, yurtdışındaki birçok kimya öğrencisi bu formülün yazılı olduğu gömlekler giymektedir.
Eğer DG J/mol cinsinden ifade edilirse formül şu şekli alır:
Bu formülün bir özelliği vardır: Eğer denge sabiti gaz halindeki maddelerin basınçları aracılığıyla belirlenirse, o zaman bu maddelerin atmosferlerdeki basınçları denge sabitinin ifadesinde ikame edilir (1 atm = 101325 Pa = 760 mm Hg).
Bu formül, bilinen bir değer verildiğinde, DG reaksiyonu, denge sabitini hesaplayın ve böylece belirli bir sıcaklıkta denge sisteminin bileşimini bulun. Formül, denge sabiti ne kadar yüksek olursa ve denge reaksiyon karışımında ne kadar çok reaksiyon ürünü (reaksiyon denkleminin sağ tarafındaki maddeler) bulunursa, o kadar fazla olur. olumsuz anlam reaksiyonun izobarik potansiyelinde bir değişiklik vardır. Ve tam tersi, denge sabitinin değeri ne kadar düşükse ve denge karışımında reaksiyon ürünleri ve başlangıç maddeleri ne kadar azsa, negatif değer o kadar küçük olur DG.
Denge sabiti 1'den büyük olduğunda ve izobarik potansiyel negatif olduğunda, dengenin reaksiyon ürünlerine doğru veya sağa doğru kaydığını söylemek gelenekseldir. Denge sabiti 1'den küçük olduğunda ve izobarik potansiyel pozitif olduğunda, dengenin başlangıç maddelerine doğru veya sola doğru kaydığını söylemek gelenekseldir.
Denge sabiti 1'e eşit olduğunda izobarik potansiyel 0'a eşit olur. Sistemin bu durumu, dengenin sağa veya sola kayması arasındaki sınır olarak kabul edilir. Belirli bir reaksiyon için izobarik potansiyeldeki değişiklik negatif olduğunda ( DG<0 ), reaksiyonun ileri yönde ilerleyebileceğini söylemek gelenekseldir; Eğer DG>0 reaksiyonun geçmediğini söylüyorlar.
Böylece,
DG<0 – reaksiyon gerçekleşebilir (termodinamik olarak mümkün);
DG<0 , O K>1– denge sağa, ürünlere doğru kaydırılır;
DG>0, O İLE<1 – denge başlangıç maddelerine doğru sola kaydırılır.
İlgilendiğiniz reaksiyonun mümkün olup olmadığını öğrenmeniz gerekiyorsa (örneğin, istenen boyanın sentezinin mümkün olup olmadığını, belirli bir mineral bileşiminin sinterlenip sinterlenmeyeceği, atmosferik oksijenin renk üzerindeki etkisi vb.) ), bu reaksiyonu hesaplamak yeterlidir DG. İzobarik potansiyeldeki değişim negatif çıkarsa reaksiyon mümkündür ve istenen ürünü elde etmek için farklı başlangıç malzemelerini karıştırabilirsiniz.
Farklı sıcaklıklarda izobarik potansiyeldeki değişimi ve denge sabitini hesaplamak için yapmanız gerekenleri okuyun (hesaplama algoritması).
1. Basit maddelerden oluşum entalpilerinin değerlerini (298 K sıcaklık için) referans tablolarından yazın. D N varış. ve entropi S Bir kimyasal reaksiyonun denkleminde yazılı olan tüm maddeler. Eğer D N varış. kJ/mol olarak ifade ediliyorsa J/mol'e dönüştürülmeleri gerekir (neden?).
2. Stokiyometrik katsayıları hatırlayarak, reaksiyondaki entalpi değişimini (298 K), ürünlerin oluşum entalpilerinin toplamı ile başlangıç maddelerinin oluşum entalpilerinin toplamı arasındaki fark olarak hesaplayın:
3. Stokiyometrik katsayıları hatırlayarak, reaksiyondaki entropi değişimini (298 K), ürünlerin entropilerinin toplamı ile başlangıç maddelerinin entropilerinin toplamı arasındaki fark olarak hesaplayın:
4. İzobarik potansiyeldeki değişimin reaksiyonun entalpisi, entropi ve sıcaklıktaki değişikliklere bağımlılığı için bir denklem oluşturun ve yeni elde edilen sayısal değerleri bildiğiniz denklemin yerine koyun D N r-ion Ve DS bölgeleri:
5. 298 K standart sıcaklıkta izobarik potansiyeldeki değişimi hesaplayın:
6. İşaretle D G ilçeleri, 298 reaksiyonun standart bir sıcaklıkta meydana gelme olasılığı hakkında bir sonuç çıkarmak: eğer işaret “eksi” ise, reaksiyon termodinamik olarak mümkündür; işaret “artı” ise reaksiyon imkansızdır.
7. Matematiği yapın D G ilçeleri ilgilendiğiniz T sıcaklığında:
ve sıcaklıktaki bir değişikliğin reaksiyon olasılığını nasıl etkilediğine dair bir sonuç çıkarın. Bu sıcaklıkta izobarik potansiyeldeki değişimin daha az pozitif veya daha fazla negatif olduğu ortaya çıkarsa D G 298 bu nedenle bu sıcaklıkta reaksiyonun gerçekleşmesi daha olası hale gelir.
8. İlgilendiğiniz T sıcaklığında, bildiğiniz denklemden denge sabiti K'yı hesaplayın:
9. Dengenin başlangıç maddelerine doğru kayması hakkında bir sonuç çıkarın (K<1) или в сторону продуктов (К>1).
İzobarik potansiyelde negatif bir değişiklikle ortaya çıkan bir reaksiyonun olasılığı hakkında sonuca varmak ( D G ilçeleri<0 ) termodinamik veriler tek başına genellikle yetersizdir. Termodinamik olarak mümkün olan bir reaksiyonun, koşullar değiştiğinde (maddelerin konsantrasyonu, basınç, sıcaklık), diğer reaksiyon yollarından veya uygun şekilde seçilmiş bir katalizörün varlığında kinetik olarak engellendiği ve uygulanabilir olduğu ortaya çıkabilir.
Kristal demirin gazlı su (su buharı) ile reaksiyonu örneğini ele alalım:
Bir reaksiyonun termodinamik olasılığı nasıl öğrenilir?
Bu reaksiyon ilgi çekicidir çünkü metal bir ürünün parlaklığının azalmasının ve korozyondan dolayı tahrip olmasının nedenlerini göstermektedir.
Öncelikle reaksiyon denkleminin stokiyometrik katsayılarını seçiyoruz:
Reaksiyondaki tüm katılımcılar için termodinamik verileri (sıcaklık 298 K) referans tablolarından yazalım:
Basit maddelerin entalpilerinin sıfıra eşit olduğunu hatırlayarak bu reaksiyondaki entalpi değişimini hesaplayalım:
Entalpi değişimini J cinsinden ifade edelim:
Reaksiyona ısı salınımı eşlik eder, Q>0, Q=+50 300 J/mol ve bu da reaksiyonun kendiliğinden oluştuğunu varsaymayı mümkün kılar. Bununla birlikte, bir reaksiyonun yalnızca izobarik potansiyeldeki değişimin işaretiyle kendiliğinden gerçekleştiğini güvenle söyleyebiliriz.
Stokiyometrik katsayıları unutmadan, bu reaksiyondaki entropi değişimini hesaplayalım:
Reaksiyon sonucunda sistemin entropisi azalır, dolayısıyla sistemde düzen artışı meydana geldiği not edilebilir.
Şimdi izobarik potansiyeldeki değişikliklerin entalpi, entropi ve sıcaklıktaki değişikliklere bağımlılığı için bir denklem oluşturalım:
298 K standart sıcaklıkta reaksiyondaki izobarik potansiyeldeki değişimi hesaplayalım:
İzobarik potansiyeldeki değişimin yüksek negatif değeri, oda sıcaklığında demirin oksijen tarafından oksitlenebileceğini gösterir. Eğer en ince demir tozunu elde edebilseydiniz, demirin havada nasıl yandığını görürdünüz. Neden demir ürünler, heykelcikler, çiviler vb. havada yanmıyor? Hesaplama sonuçları, demirin havada paslandığını, yani yok edildiğini ve demir oksitlere dönüştüğünü göstermektedir.
Şimdi artan sıcaklığın bu reaksiyonun olasılığını nasıl etkilediğini görelim. 500 K sıcaklıkta izobarik potansiyeldeki değişimi hesaplayalım:
Sıcaklık arttıkça reaksiyonun izobarik potansiyelindeki değişimin daha az negatif hale geldiğini gösteren bir sonuç elde ettik. Bu, sıcaklığın artmasıyla reaksiyonun termodinamik açıdan daha az olası hale geldiği, yani reaksiyonun dengesinin giderek daha fazla başlangıç maddelerine doğru kaydığı anlamına gelir.
Dengenin hangi sıcaklıkta hem reaksiyon ürünlerine hem de başlangıç malzemelerine doğru eşit şekilde kaydığını bilmek ilginçtir. Bu ne zaman olur D G r-tion =0(denge sabiti 1'dir):
Bunu nereden alıyoruz:
T=150300/168.2=894K, veya 621°C.
Bu sıcaklıkta reaksiyonun hem ileri hem de geri yönde meydana gelme olasılığı eşittir. 621°C'nin üzerindeki sıcaklıklarda, Fe304'ün hidrojen ile indirgenmesinin ters reaksiyonu baskın olmaya başlar. Bu reaksiyon saf demir elde etmenin yollarından biridir (metalurjide demir oksitler karbonla indirgenir).
298 K sıcaklıkta:
Dolayısıyla sıcaklık arttıkça denge sabiti azalır.
Demir oksit Fe 3 O 4'e manyetit (manyetik demir cevheri) denir. Bu demir oksit, FeO (wüstit) ve Fe203 (hematit) oksitlerinden farklı olarak bir mıknatıs tarafından çekilir. Antik çağda Magnus adında bir çobanın çok küçük, dikdörtgen bir çakıl taşı bulduğu ve onu yağlı (bu neden önemli?) elleriyle bir kasenin içine su yüzeyine koyduğuna dair bir efsane vardır. Çakıl taşı boğulmadı ve suyun üzerinde yüzmeye başladı ve çoban kaseyi ne kadar çevirirse çevirsin çakıl taşı her zaman tek yönü gösteriyordu. Sanki pusula böyle icat edilmiş ve mineral de ismini bu çobanın isminden almış. Belki de manyetit, adını Küçük Asya antik kenti Magnesia'dan almıştır. Manyetit, demirin çıkarıldığı ana cevherdir.
Bazen manyetit formülü şu şekilde gösterilir: FeO Fe2O3, manyetitin iki demir oksitten oluştuğunu ima eder. Bu yanlış: manyetit bireysel bir maddedir.
Fe203'ün (hematit) başka bir oksidi - kırmızı demir cevheri - kırmızı rengi nedeniyle (Yunanca - kandan çevrilmiş) bu şekilde adlandırılmıştır. Demir hematitten elde edilir.
FeO oksit doğada neredeyse hiç bulunmaz ve endüstriyel bir önemi yoktur.
Çoğu kimyasal reaksiyon geri dönüşümlüdür, yani. aynı anda zıt yönlerde akar. İleri ve geri reaksiyonların aynı hızda gerçekleştiği durumlarda kimyasal denge oluşur. Örneğin, tersinir bir homojen reaksiyonda: H2 (g) + I2 (g) ↔ 2HI (g), kütle etki yasasına göre ileri ve geri reaksiyon oranlarının oranı, konsantrasyonların oranına bağlıdır. reaktanların sayısı, yani: ileri reaksiyonun hızı: υ 1 = k 1 [H 2 ]. Ters reaksiyon hızı: υ 2 = k 2 2.
H2 ve I2 başlangıç maddeleriyse, ilk anda ileri reaksiyonun hızı başlangıç konsantrasyonlarına göre belirlenir ve ters reaksiyonun hızı sıfırdır. H2 ve I2 tükenip HI oluştukça ileri reaksiyonun hızı azalır, geri reaksiyonun hızı artar. Bir süre sonra her iki oran da eşitlenir ve sistemde kimyasal denge kurulur; birim zamanda üretilen ve tüketilen HI moleküllerinin sayısı aynı olur.
Kimyasal dengede ileri ve geri reaksiyonların hızları V 1 = V 2'ye eşit olduğundan k 1 = k 2 2 olur.
k 1 ve k 2 belirli bir sıcaklıkta sabit olduğundan oranları sabit olacaktır. Bunu K ile gösterirsek şunu elde ederiz:
K'ya kimyasal denge sabiti denir ve yukarıdaki denkleme kütle hareketi yasası denir (Guldberg - Waale).
Genel durumda, aA+bB+…↔dD+eE+… formundaki bir reaksiyon için denge sabiti şuna eşittir: 
. Gaz halindeki maddeler arasındaki etkileşim için, reaktanların denge kısmi basınçları p ile temsil edildiği ifade sıklıkla kullanılır. Bahsedilen reaksiyon için 
.
Denge durumu, belirli koşullar altında reaksiyonun kendiliğinden ilerleyeceği sınırı karakterize eder (∆G<0). Если в системе наступило химическое равновесие, то дальнейшее изменение изобарного потенциала происходить не будет, т.е. ∆G=0.
Denge konsantrasyonları arasındaki ilişki, hangi maddelerin başlangıç maddesi olarak alındığına bağlı değildir (örneğin, H2 ve I2 veya HI), yani. Denge durumuna her iki taraftan da yaklaşılabilir.
Kimyasal denge sabiti reaktiflerin doğasına ve sıcaklığa bağlıdır; Denge sabiti basınca (çok yüksekse) veya reaktiflerin konsantrasyonuna bağlı değildir.
Sıcaklık, entalpi ve entropi faktörlerinin denge sabiti üzerindeki etkisi. Denge sabiti, ∆Go kimyasal reaksiyonunun standart izobarik-izotermal potansiyelindeki değişiklik ile ∆G o =-RT ln K basit denklemiyle ilişkilidir.
∆G o'nun (∆G o) büyük negatif değerlerinin olduğunu gösterir.<<0) отвечают большие значения К, т.е. в равновесной смеси преобладают продукты взаимодействия. Если же ∆G o характеризуется большими положительными значениями (∆G o >>0), bu durumda başlangıç maddeleri denge karışımında baskındır. Bu denklem, ∆G o değerinden K'nın ve ardından reaktiflerin denge konsantrasyonlarının (kısmi basınçlar) hesaplanmasını mümkün kılar. ∆G o =∆Н o -Т∆S o olduğunu hesaba katarsak, bir miktar dönüşümden sonra şunu elde ederiz: 
. Bu denklemden denge sabitinin sıcaklık değişimlerine karşı çok duyarlı olduğu açıktır. Reaktiflerin doğasının denge sabiti üzerindeki etkisi, onun entalpi ve entropi faktörlerine bağımlılığını belirler.
Le Chatelier'in ilkesi
Kimyasal denge durumu, herhangi bir zamanda verilen sabit koşullar altında korunur. Koşullar değiştiğinde denge durumu bozulur, çünkü bu durumda zıt süreçlerin oranları değişen derecelerde değişir. Ancak bir süre sonra sistem tekrar denge durumuna ulaşır, ancak bu sefer değişen yeni koşullara karşılık gelir.
Koşullardaki değişikliklere bağlı olarak dengenin yer değiştirmesi genellikle Le Chatelier ilkesi (veya hareketli denge ilkesi) ile belirlenir: Dengedeki bir sistem, denge konumunu belirleyen koşullardan herhangi birinin değiştirilmesiyle dışarıdan etkilenirse süreç yönüne kayar ve üretilen etkinin etkisi zayıflar.
Bu nedenle sıcaklıktaki bir artış, ısı emiliminin eşlik ettiği süreçlerin yönünde dengede bir kaymaya neden olur ve sıcaklıktaki bir azalma ters yönde etki eder. Benzer şekilde, basınçtaki bir artış dengeyi hacimdeki bir azalmanın eşlik ettiği bir süreç yönünde kaydırır ve basınçtaki bir azalma ters yönde etki eder. Örneğin, 3H 2 +N 2 2H 3 N, ∆H o = -46,2 kJ denge sisteminde, sıcaklıktaki bir artış, bu işlem endotermik olduğundan H3 N'nin hidrojen ve nitrojene ayrışmasını arttırır. Basınçtaki bir artış dengeyi H3N oluşumuna doğru kaydırır çünkü aynı zamanda hacim de azalır.
Reaksiyona katılan maddelerden herhangi birinin belirli bir miktarı denge durumundaki bir sisteme eklenirse (veya tersine sistemden çıkarılırsa), ileri ve geri reaksiyonların oranları değişir, ancak yavaş yavaş yeniden eşitlenir. Başka bir deyişle sistem kimyasal denge durumuna geri döner. Bu yeni durumda, sistemdeki tüm maddelerin denge konsantrasyonları orijinal denge konsantrasyonlarından farklı olacak ancak aralarındaki oran aynı kalacaktır. Dolayısıyla dengedeki bir sistemde, diğer maddelerin derişiminde bir değişikliğe yol açmadan maddelerden birinin derişimini değiştirmek mümkün değildir.
Le Chatelier ilkesine uygun olarak, bir denge sistemine ek miktarda reaktifin eklenmesi, bu maddenin konsantrasyonunun azaldığı yönde dengede bir kaymaya neden olur ve buna bağlı olarak etkileşimi ürünlerinin konsantrasyonu artar.
Kimyasal dengenin incelenmesi hem teorik araştırmalar hem de pratik problemlerin çözümü için büyük önem taşımaktadır. Çeşitli sıcaklık ve basınçlar için denge konumunu belirleyerek kimyasal işlem için en uygun koşulları seçmek mümkündür. Proses koşullarının nihai seçimi yapılırken bunların proses hızı üzerindeki etkisi de dikkate alınır.
Örnek 1. Reaktanların denge konsantrasyonlarından bir reaksiyonun denge sabitinin hesaplanması.
Denge konsantrasyonları [A] = 0,3 mol∙l -1 ise, A + B 2C reaksiyonunun denge sabitini hesaplayın; [V]=1.1mol∙1 -1; [C]=2,1mol∙l -1.
Çözüm. Bu reaksiyonun denge sabitinin ifadesi şu şekildedir: . Burada problem cümlesinde belirtilen denge konsantrasyonlarını yerine koyalım: =5.79.
Örnek 2. Reaksiyona giren maddelerin denge konsantrasyonlarının hesaplanması. Reaksiyon A + 2B C denklemine göre ilerler.
A ve B maddelerinin başlangıç konsantrasyonları sırasıyla 0,5 ve 0,7 mol∙l-1 ise ve reaksiyonun denge sabiti K p = 50 ise, reaksiyona giren maddelerin denge konsantrasyonlarını belirleyin.
Çözüm. A ve B maddelerinin her molü için 2 mol C maddesi oluşur.A ve B maddelerinin konsantrasyonundaki azalma X mol ile gösterilirse, maddenin konsantrasyonundaki artış 2X mol'e eşit olacaktır. Reaktanların denge konsantrasyonları şöyle olacaktır:
C A = (yaklaşık.5-x)mol∙l -1; C B = (0,7-x) mol∙l -1; C C =2x mol∙l -1
x1 =0,86; x 2 =0,44
Problemin koşullarına göre x 2 değeri geçerlidir. Dolayısıyla reaktanların denge konsantrasyonları şöyledir:
C A =0,5-0,44=0,06mol∙l -1; CB =0,7-0,44=0,26mol∙l -1; C C =0,44∙2=0,88mol∙l -1.
Örnek 3. Bir reaksiyonun Gibbs enerjisindeki ∆G o değişiminin denge sabiti K r'nin değeri ile belirlenmesi. Gibbs enerjisini hesaplayın ve denge sabiti Kp = 1,0685∙10 -4'e eşitse 700 K'de CO + Cl 2 = COCl 2 reaksiyonunun olasılığını belirleyin. Reaksiyona giren tüm maddelerin kısmi basıncı aynı ve 101325 Pa'ya eşittir.
Çözüm.∆G 700 =2,303∙RT 
.
Bu işlem için:
∆Go'dan beri<0, то реакция СО+Cl 2 COCl 2 при 700К возможна.
Örnek 4. Kimyasal dengede değişiklik. N 2 +3H 2 2NH3 -22kcal sisteminde denge hangi yöne kayacaktır:
a) artan N2 konsantrasyonuyla;
b) artan H2 konsantrasyonuyla;
c) artan sıcaklıkla;
d) basınç ne zaman azalır?
Çözüm. Le Chatelier kuralına göre reaksiyon denkleminin sol tarafındaki maddelerin konsantrasyonundaki bir artış, etkiyi zayıflatma eğiliminde olan ve konsantrasyonlarda bir azalmaya yol açan bir sürece neden olmalıdır; denge sağa kayacaktır (a ve b durumları).
Amonyak sentezinin reaksiyonu ekzotermiktir. Sıcaklıktaki bir artış, dengenin sola - endotermik reaksiyona doğru kaymasına neden olur ve etkiyi zayıflatır (c durumu).
Basınçtaki bir azalma (durum d), sistemin hacminde bir artışa yol açan bir reaksiyonu destekleyecektir; N 2 ve H 2 oluşumuna doğru.
Örnek 5. Gaz karışımının hacmi üç kat azalırsa 2SO 2 (g) + O 2 (g) 2SO 3 (r) sistemindeki ileri ve geri reaksiyon hızı kaç kez değişecektir? Sistemin dengesi hangi yöne kayacak?
Çözüm. Reaktiflerin konsantrasyonlarını gösterelim: = A, =B,=İle. Kütle etki kanununa göre hacim değişmeden önce ileri ve geri reaksiyonların hızları eşittir.
v pr = Ka 2 b, v arr = K 1 s 2
Homojen bir sistemin hacmi üç kat azaltıldığında, reaktanların her birinin konsantrasyonu üç kat artacaktır: = 3 A,[O2] = 3b; = 3'ler. Yeni konsantrasyonlarda ileri ve geri reaksiyonların hızı v" np:
v" np = K(3a) 2 (3b) = 27 Ka 2 b; v o 6 p = K 1 (3c) 2 = 9K 1 c 2.
; 
Sonuç olarak, ileri reaksiyonun hızı 27 kat, ters reaksiyonun hızı ise yalnızca dokuz kat arttı. Sistemin dengesi SO3 oluşumuna doğru kaydı.
Örnek 6. Reaksiyonun sıcaklık katsayısı 2 ise, sıcaklık 30 0 C'den 70 0 C'ye çıktığında gaz fazında meydana gelen reaksiyonun hızının kaç kat artacağını hesaplayın.
Çözüm. Kimyasal reaksiyon hızının sıcaklığa bağımlılığı, aşağıdaki formüle göre ampirik Van't Hoff kuralı ile belirlenir.
Sonuç olarak 70°C'deki reaksiyon hızı, 30°C'deki reaksiyon hızından 16 kat daha fazladır.
Örnek 7. Homojen bir sistemin denge sabiti
850°C'de CO(g) + H 2 O(g) CO 2 (g) + H 2 (g) 1'e eşittir. Başlangıç konsantrasyonları şu ise, dengedeki tüm maddelerin konsantrasyonlarını hesaplayın: [CO] ISH = 3 mol/l, [H2O]RI = 2 mol/l.
Çözüm. Dengede ileri ve geri reaksiyonların hızları eşittir ve bu hızların sabitlerinin oranı sabittir ve verilen sistemin denge sabiti olarak adlandırılır:
V np = K 1[CO][H20]; V o b p = İLE 2[C02][H2];
Problem ifadesinde başlangıç konsantrasyonları verilirken, ifadede Kr sistemdeki tüm maddelerin yalnızca denge konsantrasyonlarını içerir. Denge anında konsantrasyonun [CO 2 ] P = olduğunu varsayalım. X mol/l. Sistemin denklemine göre oluşan hidrojenin mol sayısı da olacaktır. X mol/l. Aynı sayıda mol için (X mol/l) CO ve H2O oluşturmak için tüketilir X CO 2 ve H 2 molleri. Bu nedenle dört maddenin tamamının denge konsantrasyonları (mol/l):
[CO 2 ] P = [H 2 ] P = X;[CO] P = (3 – x); P =(2x).
Denge sabitini bilerek değeri buluruz X, ve ardından tüm maddelerin başlangıç konsantrasyonları:
; x 2 =6-2x-3x + x 2; 5x = 6, l = 1,2 mol/l.
Görev 135.
Homojen bir sistem için denge sabitini hesaplayın
reaktanların denge konsantrasyonu (mol/l):
[SS] P = 0,004; [H20] P = 0,064; [C02] P = 0,016; [H2] p = 0,016,
Su ve CO'nun başlangıç konsantrasyonları nelerdir? Cevap: K = 1; ref = 0,08 mol/l; [CO]ref=0,02 mol/l.
Çözüm:
Reaksiyon denklemi:
CO (g) + H 2 O (g) CO 2 (g) + H2 (g)
Bu reaksiyonun denklem sabiti şu ifadeye sahiptir:
H2O ve CO maddelerinin başlangıç konsantrasyonlarını bulmak için reaksiyon denklemine göre 1 mol CO2 ve 1 mol H2'nin 1 mol CO ve 1 mol H2O'dan oluştuğunu dikkate alırız. Sorunun koşullarına göre sistemin her litresinde 0,016 mol CO2 ve 0,016 mol H2 oluştuğundan, 0,016 mol CO ve H2O tüketilmiştir.Bu nedenle gerekli başlangıç konsantrasyonları şuna eşittir:
Out = [H20] P + 0,016 = 0,004 + 0,016 = 0,02 mol/l;
[CO] çıkış = [CO] P + 0,016 = 0,064 + 0,016 = 0,08 mol/l.
Cevap: Kp = 1; ref = 0,08 mol/l; [CO] ref=0,02 mol/l.
Görev 136.
Homojen bir sistemin denge sabiti
belirli bir sıcaklıkta 1'e eşittir. Başlangıç konsantrasyonları eşitse (mol/l) reaksiyona giren tüm maddelerin denge konsantrasyonlarını hesaplayın: [CO] out = 0,10; [H 2 O] çıkış = 0,40.
Cevap: [CO 2 ] P = [H 2 ] P = 0,08; [CO]P = 0,02; [H20] P = 0,32.
Çözüm:
Reaksiyon denklemi:
CO (g) + H 2 O (g) CO 2 (g) + H 2 (g)
Dengede ileri ve geri reaksiyonların hızları eşittir ve bu hızların sabitlerinin oranı sabittir ve verilen sistemin denge sabiti olarak adlandırılır:
Reaksiyon ürünlerinden birinin denge konsantrasyonunu x mol/l olarak gösterirsek, her ikisi de aynı miktarda oluştuklarından diğerinin denge konsantrasyonu da x mol/l olacaktır. Başlangıç maddelerinin denge konsantrasyonları şöyle olacaktır:
[CO] ref = 0,10 – x mol/l; [H2O] ref = 0,40 - x mol/l. (reaksiyon ürününün x mol/l'sinin oluşumu için sırasıyla x mol/l CO ve H20 tüketilir. Denge anında, tüm maddelerin konsantrasyonu (mol/l) olacaktır: [ CO 2 ] P = [H 2 ] P = x; [CO] P = 0,10 - x; [H 2 O] P = 0,4 - x.
Bu değerleri denge sabitinin ifadesine koyarız:
Denklemi çözerek x = 0,08'i buluruz. Dolayısıyla denge konsantrasyonu (mol/l):
[CO2] 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 = 0,10 – 0,08 = 0,02 mol/l.
Görev 137.
Belirli bir sıcaklıkta N2 + ZN2 = 2NH3 homojen sisteminin denge sabiti 0,1'dir. Hidrojen ve amonyağın denge konsantrasyonları sırasıyla 0,2 ve 0,08 mol/l'dir. Denge ve başlangıç nitrojen konsantrasyonlarını hesaplayın. Cevap: P = 8 mol/l; ref = 8,04 mol/l.
Çözüm:
Reaksiyon denklemi:
N2 + ZN2 = 2NH3
N2'nin denge konsantrasyonunu x mol/l ile gösterelim. Bu reaksiyonun denge sabitinin ifadesi şu şekildedir:
Problemin verilerini denge sabitinin ifadesinde yerine koyalım ve N 2 konsantrasyonunu bulalım.
N2'nin başlangıç konsantrasyonunu bulmak için reaksiyon denklemine göre 1 mol NH3 oluşumunun ½ mol N2 gerektirdiğini hesaba katarız. Sorunun koşullarına göre sistemin her litresinde 0,08 mol NH3 oluştuğundan, 0,08 . 1/2 = 0,04 mol N2. Böylece, N2'nin istenen başlangıç konsantrasyonu şuna eşittir:
Ref = P + 0,04 = 8 + 0,04 = 8,04 mol/l.
Cevap: P = 8 mol/l; ref = 8,04 mol/l.
Görev 138
Belirli bir sıcaklıkta homojen bir sistemin dengesi
2NO + O2 ↔ 2NO2, aşağıdaki reaktan konsantrasyonlarında (mol/l) tespit edilmiştir: p = 0,2; [02] p = 0,1; p = 0,1. Denge sabitini ve NO ve O 2'nin başlangıç konsantrasyonunu hesaplayın. Cevap: K = 2,5; ref = 0,3 mol/l; [O2] x = 0,15 mol/l'dir.
Çözüm:
Reaksiyon denklemi:
2NO + Ö2 ↔ 2NO2
NO ve O2'nin başlangıç konsantrasyonlarını bulmak için, reaksiyon denklemine göre 2 mol NO ve 1 mol O2'den 2 mol NO2'nin oluştuğunu, ardından 0,1 mol NO ve 0,05 mol O2'nin tüketildiğini dikkate alırız. Dolayısıyla NO ve O2'nin başlangıç konsantrasyonları eşittir:
Çıkış = HAYIR] p + 0,1 = 0,2 + 0,1 = 0,3 mol/l;
[O 2 ] out = [O 2 ] p + 0,05 = 0,1 + 0,05 = 0,15 mol/l.
Cevap: Kp = 2,5; ref = 0,3 mol/l; [O2] ref = 0,15 mol/l.
Görev 139.
Basınç değiştiğinde sistemin dengesi neden değişir?
N 2 + 3H 2 ↔ 2NH 3 ve N 2 + O 2 2NO sisteminin dengesi değişiyor mu? Cevabınızı, basıncı değiştirmeden önce ve sonra bu sistemlerdeki ileri ve geri reaksiyonların oranlarını hesaplamaya dayanarak motive edin. Bu sistemlerin her birinin denge sabitleri için ifadeler yazın.
Çözüm:
a) Reaksiyon denklemi:
N2 + 3H2 ↔2NH3.
Reaksiyon denkleminden, reaksiyonun sistemdeki hacimde bir azalma ile ilerlediği anlaşılmaktadır (4 mol gazlı maddeden 2 mol gazlı madde oluşur). Bu nedenle sistemdeki basınç değiştiğinde dengede bir kayma gözlenecektir. Bu sistemdeki basıncı arttırırsanız, Le Chatelier ilkesine göre denge sağa, hacim azalmasına doğru kayacaktır. Sistemdeki denge sağa kaydığında ileri reaksiyonun hızı, ters reaksiyonun hızından daha büyük olacaktır:
pr > arr veya pr = k 3 > o br = k 2 .
Sistemdeki basınç azalırsa sistemin dengesi hacim artışına doğru sola kayar, denge sola doğru kaydığında ileri reaksiyonun hızı sistemin hızından daha az olur. ileri reaksiyon:
vesaire< обр или (пр = k 3 )< (обр = k 2).
b) Reaksiyon denklemi:
N2 + O2) ↔ 2NO. .
Reaksiyon denkleminden, reaksiyon meydana geldiğinde buna hacimde bir değişikliğin eşlik etmediği, reaksiyonun gaz halindeki maddelerin mol sayısında bir değişiklik olmadan ilerlediği anlaşılmaktadır. Bu nedenle sistemdeki basınçtaki bir değişiklik dengede bir kaymaya yol açmayacağından ileri ve geri reaksiyonların hızları eşit olacaktır:
pr = arr = veya (pr k [O 2 ]) = (dizi = k 2) .
Görev 140.
Homojen bir sistemde out ve [C1 2 ] out'un başlangıç konsantrasyonları
2NO + Cl2 ↔ 2NOС1 sırasıyla 0,5 ve 0,2 mol/l'dir. Denge oluştuğunda %20 NO'nun reaksiyona girmesi durumunda denge sabitini hesaplayın. Cevap: 0,417.
Çözüm:
Reaksiyon denklemi şu şekildedir: 2NO + Cl2 ↔ 2NOС1
Problemin durumuna göre %20 NO yani 0,5 oranında reaksiyona girmiştir. .
0,2 = 0,1 mol ve 0,5 – 0,1 = 0,4 mol NO reaksiyona girmedi. Reaksiyon denkleminden her 2 mol NO için 1 mol Cl2 tüketildiği ve 2 mol NOCl oluştuğu anlaşılmaktadır. Sonuç olarak 0,1 mol NO ile 0,05 mol Cl2 reaksiyona girdi ve 0,1 mol NOCl oluştu. 0,15 mol Cl2 kullanılmadan kalmıştır (0,2 – 0,05 = 0,15). Dolayısıyla katılan maddelerin denge konsantrasyonları eşittir (mol/l):
P = 0,4; p = 0,15; p = 0,1.
Bu reaksiyonun denge sabiti aşağıdaki denklemle ifade edilir:
Maddelerin denge konsantrasyonlarını bu ifadeye değiştirerek elde ederiz.
