Расчет состава равновесной смеси.

Цель работы:

- научиться определять значения параметров химических реакций в состоянии равновесия

- производить расчет значений констант равновесия Кр и Кс.

Вопросы для подготовки к занятию:

- понятие обратимости химической реакции

- константа равновесия химической реакции, ее виды

Ход работы

I. Теоретическая часть

Основные понятия и расчетные формулы.

1. Закон действия масс для константы равновесия химической реакции.

Для химической реакции общего вида: n₁A + n₂B ↔ n₃C + n₄Д

константа химического равновесия, выраженная через молярные концентрации реагирующих веществ, рассчитывается по формуле:

К_с =[C]ⁿ³ •[Д] ⁿ⁴/ [A]^n1• [B]ⁿ² , (1)

где: [A], [B], [C], [Д] – равновесные концентрации реагирующих веществ, моль/л

n₁, n₂, n₃, n₄ - стехиометрические коэффициенты в уравнении реакции.

Для газовых реакции содержание реагентов выражают через парциальное давление рi и при расчетах используют константу равновесия Кр:

Кр= Р_с^n3• P_дⁿ⁴ / Р_аⁿ¹• P_Bⁿ² , (2)

где: Р_с, P_д P_A P_B - равновесные парциальные давления реагирующих газов, Па

В гетерогенных реакциях учитывают концентрации только неконденсированной фазы – газообразных веществ. Концентрации твердых и жидких реагенто считаются постоянными и включаются в значение К.

2. Связь между Кр и Кс реакции:

К_р =К_с • (RT) ^∆ν , (3)

где: R – универсальная газовая постоянная, 8,314 Дж/моль • К

Δν - изменение числа моль газов в ходе химической реакции:

∆ν = ∑ ν_газов - ∑ ν_газов

продуктов исх. веществ

3.Связь между изменением свободной энергии Гиббса∆G_т и значением Кр:

∆G_т = -2,303• R•T• Lg Кр

II. Практическая часть.

II.1 Примеры решения задач

1.Реакция происходит по уравнению: CO_2(г) +H_2(г) ↔ СО_(г) + Н₂О_(г).

Температура реакции составляет 200⁰С. Равновесные концентрации реагирующих веществ составляют соответственно, в моль/л: СО₂ – 5; Н₂ – 0,1; СО и Н₂О по 0,4.

Найти Кс и Кр реакции и начальные концентрации исходных веществ.

Дано: СИ Решение

t = 200 ⁰C 473К 1. Записать уравнение химической реакции. Расставить коэф-

[CO₂] = 5M фициенты:

[H₂] = 0.1 M CO_2(г) +H_2(г) ↔ СО_(г) + Н₂О_(г)

[CO] = 0.4 M 2. Составить математическое выражение для Кс, подставить

[H₂O] = 0.4M значения равновесных концентраций:

Найти: [СО] • [H₂O] 0,4 • 0,4

Кс, Кр, С₀ Кс = ------------------- = -------------------- = 3,2

[CO₂] • [H₂] 5 • 0,1

3. Найти начальные концентрации исходных веществ.

Для этого составить таблицу, в которой в четыре столбца выписать реагирующие вещества, их начальные концентрации, изменение концентраций к моменту равновесия и равновесные концентрации.

Начальные концентрации исходных веществ неизвестны: С_О(СО₂) = х; Со(Н₂) = у; продукты реакции в начальный момент отсутствовали, поэтому: С_О(СО) = Со(Н₂О) = 0 моль/л. Равновесные концентрации можно записать в таблицу из условия.

Изменение концентраций находят для продуктов как разность равновесной и начальной концентраций, для исходных веществ – по уравнению реакции, при этом учитывают, что продукты реакции накапливаются (+∆С), а исходные вещества расходуются (-∆С):

а) ΔС_Н2О = ΔС_СО = [CO] - ∆С_СО = 0,4 – 0 = 0,4 моль/л

б) ΔС_со2-?

1 моль СО₂ - 1 моль СО 1•∆С_СО 1•0,4

ΔС_СО2 = ------------ = ----------- = 0,4 моль/л

∆С_СО2 - ∆С_СО 1 1

в) ΔС_Н2-?

1 моль Н₂ - 1 моль СО 1•∆С_СО 1•0,4

ΔС_Н2 = ------------ = ------------ = 0,4 моль/л

∆С_Н2 - ∆С_СО 1 1

Вещество	Со	∆С	[ ]
СО2	х	-0,4	0,5
Н2	у	-0,4	0,1
СО		+0,4	0,4
Н2О		+0,4	0,4

Начальные концентрации:

С_О(СО₂) = х = [CO₂] - ∆С_СО2 = 5 – (- 0,4) = 5,4 моль/л

Со(Н₂) = у = [Н₂] - ∆С_Н2 = 0,1 – ( - 0,4) = 0,5 моль/л

4. Найти Кр реакции по формуле (3): К_р =К_с • (RT) ^∆v

∆ν = ∑∆ν_пр - ∑ν_исх= [νco + ν_H2O] – [ ν_CO2+ ν_H2]= [1+1] - [1+1] = 0 моль

Кр=3,2•(8,314•473)⁰= 3,2

Ответ: Кр= Кс= 3,2; С_О(СО₂) = 5,4 моль/л; Со(Н₂) = 0,5 моль/л

2. В реакции синтеза аммиака начальная концентрация азота и водорода составляет по 5М, равновесная концентрация аммиака равна 0,2М. Найти константы равновесия химической реакции при 400⁰С.

Дано СИ Решение

t= 400⁰С 673К 1. Записать уравнение химической реакции. Расставить коэф-

Со(N₂) = 5М фициенты:

Со(Н₂) = 5М N_2(г) +3H_2(г) ↔2NH_3(г)

[NH₃] = 0,2М 2. Рассчитать равновесные концентрации реагирующих веществ. Найти:Для расчета составить таблицу, аналогично примеру 1.

Кс-? Кр-? a)ΔС_NН3 = [NH₃] - ∆С _NH3 = 0,2 – 0 = 0, моль/л

б) ΔС_N2-?

1 моль N₂ - 3 моль NH₃ 1•∆С _NH3 1•0,2

ΔС_N2 = ------------ = ----------- = 0,1 моль/л

∆С_N2 - ∆С _NH3 2 2

в) ΔС_Н2-?

3 моль Н₂ - 2 моль NH₃ 3•∆С _NH3 3•0,2

ΔС_Н2 = ------------ = ----------- = 0,3 моль/л

∆С_Н2 - ∆С _NH3 2 2

Вещество	Со	∆С	[ ]
N2		-0,1	x
Н2		-0,3	y
NH3		+0,2	0,2

Равновесные концентрации:

[N₂]= Со(N₂) + ∆С _N2 = 5 + (-0,1)= 4,9 моль/л

[H₂]= Со(Н₂) + ∆С_Н2 = 5 + (-0,3) = 4,7 моль/л

3 . Составить математическое выражение для Кс, подставить значения равновесных концентраций:

[NH₃]² 0,2²

Кс = ------------------- = ----------------- = 3,7•10^-4

[N₂] • [H₂] ³ 4,9 • 4,7³

4. Найти Кр реакции по формуле (3): К_р =К_с • (RT) ^∆v

∆ν = ∑∆ν_пр- ∑ν_исх= [ν_NH3] – [ ν_N2+ ν_H2]= 2- [1+3] = -2моль

3,7•10^-4 3,7•10^-4

Кр = 3,7•10^-4 • (8,314•673) ^-2 = ------------------- = ------------------- = 1,18•10^-11

(8,314•673) ² 3,136•10⁷

Ответ:Кс = 3,7•10^-4 , Кр = 1,18•10^-11

II.2 Примеры для самостоятельной работы:

1. Реакция происходит по уравнению: NH_3(г)+ O_2(г) ↔ N_2(г) +Н₂О_(г)

Равновесные концентрация реагирующих веществ составляют (в моль/л): NH₃ - 0,4; O₂ - 0,2; N₂ - 0,4. Найти начальные концентрации исходных веществ, равновесную концентрацию Н₂О (по N₂)_, константы равновесия при температуре 300⁰С

2. Реакция происходит по уравнению: S0₂+O₂ ↔ S0_3.

Начальная концентрация для реагентов составляет для S0₂ - 5 моль/л, для O₂ - 7,5 моль/л. Найти константы равновесия реакции при 500°С, если к моменту наступления равновесия образуется 1,5 моль/л S0_3.

3. Уравнение реакции: CS_2(ж) + O_2(г) → CO_2(г) + SO_2(г)

Рассчитать константы равновесия реакции при 100°С, если равновесные концентрации реагирующих веществ составляют (в моль/л): O₂ - 0,5; CO₂ – 0,2; SO₂ - 0,4. Найти начальные концентрации исходных веществ.

4.*Найти константы химического равновесия реакции:

HCℓ_(г) + O_2(г) ↔ H₂O_(г) + Cℓ_2(г)

при стандартных условиях, используя значения их потенциалов ∆G°_{298, f}

Оформление отчета:

Отчет должен содержать:

1. Тему и цель работы.

2. Основные расчетные формулы (1-4).

3. Примеры расчетных задач (1 и 2).

4. Выполненное задание для самостоятельной работы (задачи со знаком *выполняются по желанию на дополнительную оценку).

Практическое занятие №14

Принцип Ле-Шателье.

Цель работы:научиться применять принцип Ле-Шателье при описании обратимых реакций

Вопросы для подготовки к занятию:

- понятие обратимости химической реакции

- принцип Ле-Шателье – Брауна.

Ход работы

I. Теоретическая часть

Основные понятия и расчетные формулы.

Химическим равновесием называется состояние системы, при котором скорости обратного и прямого процессов одинаковы: ʋ_прям. = ʋ_обр.

При изменении внешних условий или условий проведения реакции равновесие может нарушаться - сдвигаться, при этом одна из реакции начинает идти быстрее.

Если быстрее начинает идти прямая реакция, то равновесие сдвигается вправо(→), если быстрее идет обратная – влево(←). Сдвиг равновесия в сторону прямой реакции приводит к увеличения выхода продукта, обратный сдвиг – к его уменьшению.

Направление сдвига равновесия определяют по принципу Ле-Шателье: