O caracteristică cantitativă care arată direcția reacției și deplasarea concentrației de substanțe se numește constanta de echilibru a unei reacții chimice. Constanta de echilibru depinde de temperatura si natura reactantilor.

Reacții reversibile și ireversibile

Toate reacțiile pot fi împărțite în două tipuri:

reversibil, curgând simultan în două direcții reciproc opuse;
ireversibil curgând în aceeași direcție cu consumul total de cel puțin o substanță inițială.

În reacțiile ireversibile, substanțele insolubile se formează de obicei sub formă de precipitat sau gaz. Aceste reacții includ:

combustie:
C2H5OH + 3O2 → 2C02 + H20;
descompunere:
2KMn04 → K2Mn04 + Mn02 + H2O;
legătură cu formarea unui precipitat sau gaz:
BaCl2 + Na2SO4 → BaS04 ↓ + 2NaCl.

Orez. 1. Precipitarea BaSO4.

Reacțiile reversibile sunt posibile numai în anumite condiții constante. Substanțele originale dau o substanță nouă, care se descompune imediat în părțile sale constitutive și este colectată din nou. De exemplu, ca rezultat al reacției 2NO + O 2 ↔ 2NO 2 oxidul de azot (IV) se descompune ușor în oxid de azot (II) și oxigen.

Echilibru

După un anumit timp, viteza reacție reversibilă incetineste. Se atinge echilibrul chimic - o stare în care nu există nicio modificare a concentrației substanțelor inițiale și a produselor de reacție în timp, deoarece ratele reacțiilor directe și inverse sunt egalizate. Echilibrul este posibil numai în sisteme omogene, adică toate substanțele care reacţionează sunt fie lichide, fie gaze.

Luați în considerare echilibrul chimic pe exemplul reacției interacțiunii hidrogenului cu iodul:

reactie directa -
H2 + I2↔ 2HI;
reactie din spate -
2HI ↔ H 2 + I 2 .

De îndată ce doi reactivi sunt amestecați - hidrogen și iod - iodul hidrogen nu există încă, deoarece substanțele simple reacționează doar. Un numar mare de substanțele inițiale reacționează activ între ele, astfel încât viteza reacției directe va fi maximă. În acest caz, reacția inversă nu are loc, iar viteza sa este zero.

Viteza unei reacții directe poate fi exprimată grafic:

ν pr = k pr ∙ ∙ ,

unde k pr este constanta de viteză a reacției directe.

În timp, reactivii se consumă, concentrația lor scade. În consecință, viteza reacției directe scade. În același timp, crește concentrația unei noi substanțe, iodură de hidrogen. Când se acumulează, începe să se descompună, iar viteza reacției inverse crește. Poate fi exprimat ca

ν arr = k arr ∙ 2 .

Iodura de hidrogen este pătrat, deoarece coeficientul moleculei este doi.

La un moment dat, ratele reacțiilor directe și inverse se egalizează. Vine un stat echilibru chimic.

Orez. 2. Graficul vitezei de reacție în funcție de timp.

Echilibrul poate fi deplasat fie către materiile prime, fie către produsele reacției. Deplasarea sub influență factori externi se numeşte principiul lui Le Chatelier. Echilibrul este afectat de temperatură, presiune, concentrația uneia dintre substanțe.

Calcul constant

Într-o stare de echilibru, ambele reacții au loc, dar în același timp, concentrațiile de substanțe sunt în echilibru (se formează concentrații de echilibru), deoarece ratele sunt echilibrate (ν pr \u003d ν arr).

Echilibrul chimic este caracterizat de constanta de echilibru chimic, care este exprimată prin formula rezumativă:

K p \u003d k pr / k arr \u003d const.

Constantele vitezei de reacție pot fi exprimate în termeni de raportul vitezei de reacție. Să luăm ecuația condiționată a reacției inverse:

aA + bB ↔ cC + dD.

Atunci ratele reacțiilor directe și inverse vor fi egale:

ν inc = k inc ∙ [A] p a ∙ [B] p b
ν arr = k arr ∙ [C] p c ∙ [D] p d .

În consecință, dacă

ν pr \u003d ν arr,

k ex ∙ [A] p a ∙ [B] p b = k arr ∙ [C] p c ∙ [D] p d .

De aici putem exprima raportul constantelor:

k arr / k inc = [C] p c ∙ [D] p d / [A] p a ∙ [B] p b .

Acest raport este egal cu constanta de echilibru:

K p = [C] p c ∙ [D] p d / [A] p a ∙ [B] p b .

Orez. 3. Formula pentru constanta de echilibru.

Valoarea arată de câte ori viteza reacției directe este mai mare decât viteza reacției inverse.

Ce am învățat?

Reacțiile în funcție de produsele finite sunt clasificate în reversibile și ireversibile. Reacțiile reversibile au loc în ambele sensuri: materiile prime formează produse finite, care se descompun în substanțe inițiale. În timpul unei reacții, ratele reacțiilor directe și inverse sunt echilibrate. Această stare se numește echilibru chimic. Poate fi exprimat ca raportul dintre produsul concentrațiilor de echilibru ale produselor de reacție și produsul concentrațiilor de echilibru ale materiilor prime.

Test cu subiecte

Raport de evaluare

Rata medie: 4.8. Evaluări totale primite: 64.

Conceptul de echilibru chimic

Starea de echilibru este considerată a fi starea sistemului, care rămâne neschimbată, iar această stare nu se datorează acțiunii unor forțe externe. Starea unui sistem de reactanți în care viteza reacției directe devine egală cu viteza reacției inverse se numește echilibru chimic. Acest echilibru se mai numește mobil m sau dinamic echilibru.

Semne de echilibru chimic

1. Starea sistemului rămâne neschimbată în timp menținând condițiile externe.

2. Echilibrul este dinamic, adică datorită fluxului de reacții directe și inverse cu aceeași viteză.

3. Orice influență externă provoacă o modificare a echilibrului sistemului; dacă influența externă este eliminată, sistemul revine din nou la starea inițială.

4. Starea de echilibru poate fi abordată din două părți - atât din partea substanțelor inițiale, cât și din partea produselor de reacție.

5. La echilibru, energia Gibbs atinge valoarea sa minimă.

Principiul lui Le Chatelier

Influenţa modificărilor condiţiilor externe asupra poziţiei de echilibru este determinată de Principiul lui Le Chatelier (principiul echilibrului în mișcare): dacă se produce vreo influență externă asupra unui sistem aflat în stare de echilibru, atunci în sistem una dintre direcțiile procesului care slăbește efectul acestei influențe va crește, iar poziția de echilibru se va deplasa în aceeași direcție.

Principiul lui Le Chatelier se aplică nu numai proceselor chimice, ci și celor fizice, cum ar fi fierberea, cristalizarea, dizolvarea etc.

Luați în considerare influența diverșilor factori asupra echilibrului chimic folosind ca exemplu reacția de oxidare a NO:

2 NR (d) + O 2(d) 2 NR 2(d); H aproximativ 298 = - 113,4 kJ/mol.

Efectul temperaturii asupra echilibrului chimic

Pe măsură ce temperatura crește, echilibrul se deplasează către o reacție endotermă, iar pe măsură ce temperatura scade, se deplasează către o reacție exotermă.

Gradul de deplasare a echilibrului este determinat de valoarea absolută efect termic: cu atât valoarea absolută a entalpiei de reacție este mai mare H, cu atât este mai semnificativ efectul temperaturii asupra stării de echilibru.

În reacția de sinteză considerată a oxidului nitric (IV ) o creștere a temperaturii va deplasa echilibrul în direcția substanțelor inițiale.

Efectul presiunii asupra echilibrului chimic

Compresia schimbă echilibrul în direcția procesului, care este însoțită de o scădere a volumului substanțelor gazoase, iar o scădere a presiunii deplasează echilibrul în direcția opusă. În acest exemplu, există trei volume în partea stângă a ecuației și două în partea dreaptă. Deoarece o creștere a presiunii favorizează un proces care continuă cu o scădere a volumului, o creștere a presiunii va deplasa echilibrul spre dreapta, adică. spre produsul de reacție - NO 2 . O scădere a presiunii va schimba echilibrul la reversul. Trebuie remarcat faptul că, dacă în ecuația unei reacții reversibile numărul de molecule de substanțe gazoase din părțile din dreapta și din stânga este egal, atunci schimbarea presiunii nu afectează poziția de echilibru.

Efectul concentrației asupra echilibrului chimic

Pentru reacția luată în considerare, introducerea unor cantități suplimentare de NO sau O 2 în sistemul de echilibru determină o deplasare a echilibrului în direcția în care concentrația acestor substanțe scade, prin urmare, are loc o deplasare a echilibrului spre formațiune NU 2 . Creșterea concentrării NU 2 deplasează echilibrul către materiile prime.

Catalizatorul accelerează în mod egal atât reacțiile directe, cât și cele inverse și, prin urmare, nu afectează deplasarea echilibrului chimic.

Când este introdus într-un sistem de echilibru (la Р = const ) a unui gaz inert, concentraţiile reactanţilor (presiunile parţiale) scad. Deoarece procesul de oxidare luat în considerare NU merge cu o scădere a volumului, apoi la adăugare

Constanta de echilibru chimic

Pentru o reacție chimică:

2 NR (d) + O2(d)2NO 2 litera (d)

constanta de reacție chimică K cu este raportul:

(12.1)

În această ecuație, între paranteze pătrate sunt concentrațiile de reactanți care sunt stabilite la echilibru chimic, adică. concentrațiile de echilibru ale substanțelor.

Constanta de echilibru chimic este legată de modificarea energiei Gibbs prin ecuația:

G T o = - RTlnK . (12.2).

Exemple de rezolvare a problemelor
La o anumită temperatură, concentrațiile de echilibru în sistemul 2CO (g) + O 2 (d) 2CO 2 (d) au fost: = 0,2 mol/l, = 0,32 mol/l, = 0,16 mol/l. Determinați constanta de echilibru la această temperatură și concentrațiile inițiale de CO și O 2 dacă amestecul inițial nu conținea CO 2 .

2CO (g) + O2(g)2CO 2(d).

În a doua linie, c proreacter înseamnă concentrația substanțelor inițiale reacţionate și concentrația CO 2 format , mai mult, c initial = c proreact + c egal .

Folosind datele de referință, calculați constanta de echilibru a procesului

3H 2 (G) + N 2(G)2NH3(G) la 298 K.

G 298 o \u003d 2 ( - 16,71) kJ = -33,42 10 3 J.

G T o = - RTlnK.

LnK \u003d 33,42 10 3 / (8,314 × 298) \u003d 13,489. K \u003d 7,21 × 10 5.

Determinați concentrația de echilibru a HI în sistem

H 2(d) + I 2(d) 2HI (G),

dacă la o anumită temperatură constanta de echilibru este 4, iar concentrațiile inițiale de H 2 , I 2 și HI sunt 1, 2 și, respectiv, 0 mol/l.

Soluţie. Fie că x mol/l H 2 au reacționat într-un anumit moment în timp.

Rezolvând această ecuație, obținem x = 0,67.

Prin urmare, concentrația de echilibru a HI este 2 × 0,67 = 1,34 mol / l.

Folosind datele de referință, determinați temperatura la care constanta de echilibru a procesului: H 2 (g) + HCOH (d) CH30H (d) devine egal cu 1. Să presupunem că H o T » H o 298 și S o T » S aproximativ 298 .

Dacă K = 1, atunci G o T = - RTlnK = 0;

A primit » H o 298 - T D S aproximativ 298 . Apoi ;

H o 298 \u003d -202 - (- 115,9) = -86,1 kJ = - 86,1×103 J;

S aproximativ 298 \u003d 239,7 - 218,7 - 130,52 \u003d -109,52 J / K;

LA.

Pentru reacţia S02 (G) + CI 2(G) S02CI 2(D) la o anumită temperatură, constanta de echilibru este 4. Determinați concentrația de echilibru a SO 2 Cl 2 , dacă concentrațiile inițiale de SO 2, CI2 și SO2CI2 sunt egale cu 2, 2 și, respectiv, 1 mol/l.

Soluţie. Fie că x mol/l SO 2 au reacționat într-un anumit moment în timp.

ASA DE 2(G) + CI2(G)S02CI 2(G)

Apoi obținem:

Rezolvând această ecuație, găsim: x 1 \u003d 3 și x 2 \u003d 1,25. Dar x 1 = 3 nu satisface condiția problemei.
Prin urmare, \u003d 1,25 + 1 \u003d 2,25 mol / l.

Sarcini pentru soluție independentă

12.1. În care dintre următoarele reacții o creștere a presiunii va deplasa echilibrul spre dreapta? Justificați răspunsul.

1) 2NH 3(d)3H2(d) + N 2 (g)

2) ZnCO 3 (c) ZnO (c) + CO 2 (g)

3) 2HBr (g) H2 (g) + Br 2 (w)

4) CO2 (d) + C (grafit) 2CO (g)

12.2.La o anumită temperatură, concentrațiile de echilibru din sistem

2HBr (g) H2 (g) + Br 2 (g)

au fost: = 0,3 mol/l, = 0,6 mol/l, = 0,6 mol/l. Determinați constanta de echilibru și concentrația inițială de HBr.

12.3.Pentru reacția H2 (g)+ S (d) H2S (d) la o anumită temperatură, constanta de echilibru este 2. Determinați concentrațiile de echilibru ale H 2 și S dacă concentrațiile inițiale de H 2, S şi H2 S sunt 2, 3 și, respectiv, 0 mol/l.

SEI VPO „Ural State Technical University - UPI”

Determinarea constantelor de echilibru chimic

reacţii şi calculul echilibrului chimic

în cursul chimiei fizice

pentru studenții cu normă întreagă

Ekaterinburg 2007

UDC 544(076)С79

Compilator

Editor științific, Ph.D., conferențiar

Determinarea constantelor de echilibru ale reacțiilor chimice și calculul echilibrului chimic: ghid pentru munca de laborator nr.4 la cursul de chimie fizica / comp. - Ekaterinburg: GOU VPO USTU-UPI, 20 de ani.

Orientările sunt destinate unui studiu suplimentar aprofundat al materialului asupra echilibrului chimic, ca parte a lucrărilor de laborator de calcul și analitice. Acestea conțin 15 opțiuni pentru sarcini individuale, ceea ce contribuie la atingerea obiectivului.

Bibliografie: 5 titluri. Orez. Tab.

Universitate tehnica- UPI”, 2007

Introducere

Această lucrare, deși desfășurată în cadrul unui atelier de laborator, ține de calcul și analitic și constă în însușirea materialului teoretic și rezolvarea unui număr de probleme pe tema cursului de chimie fizică „Echilibru chimic”.

Necesitatea implementării sale este cauzată de complexitatea acestui subiect, pe de o parte, și de timpul insuficient de studiu alocat studiului său, pe de altă parte.

Partea principală a temei „Echilibru chimic”: derivarea legii echilibrului chimic, luarea în considerare a ecuației izobare și a izotermei unei reacții chimice etc. este prezentată în prelegeri și studiată la exercitii practice(Prin urmare, acest material nu este prezentat în această lucrare). Acest manual ia în considerare în detaliu secțiunea subiectului privind determinarea experimentală a constantelor de echilibru și determinarea compoziției de echilibru a unui sistem în care are loc o reacție chimică.

Deci, implementarea acestei lucrări de către studenți va rezolva următoarele sarcini:

1) familiarizează-te cu metodele de determinare și calculare a constantelor de echilibru ale reacțiilor chimice;

2) învață cum să calculezi compoziția de echilibru a amestecului, pe baza unei varietăți de date experimentale.

1. INFORMAȚII TEORETICE DESPRE METODE

DEFINIȚII ALE CONSTANTELOR DE ECHILIBRI PENTRU REACȚII CHIMICE

Să ne oprim pe scurt asupra principalelor concepte folosite mai jos. Constanta de echilibru a unei reacții chimice este mărimea

https://pandia.ru/text/78/005/images/image002_169.gif" width="51" height="29">- energia molară Gibbs standard a reacției r.

Ecuația (1) este ecuația definitorie pentru constanta de echilibru a unei reacții chimice. Trebuie remarcat faptul că constanta de echilibru a unei reacții chimice este o mărime adimensională.

Legea echilibrului chimic se scrie după cum urmează

, (2)

unde https://pandia.ru/text/78/005/images/image005_99.gif" width="23" height="25">- activitate k- participant la reactie; - dimensiunea activitatii; coeficientul stoichiometric k- participant la reacție r.

Determinarea experimentală a constantelor de echilibru este o sarcină destul de dificilă. În primul rând, este necesar să ne asigurăm că echilibrul este atins la o temperatură dată, adică compoziția amestecului de reacție corespunde stării de echilibru - o stare cu o energie Gibbs minimă, afinitate de reacție zero și viteze egale de transmisie. și reacții inverse. La echilibru, presiunea, temperatura și compoziția amestecului de reacție vor fi constante.

La prima vedere, se pare că compoziția unui amestec de echilibru poate fi determinată folosind metodele analiza cantitativa cu reacţii chimice caracteristice. Cu toate acestea, introducerea unui reactiv străin care leagă una dintre componentele procesului chimic schimbă (adică schimbă) starea de echilibru a sistemului. Această metodă poate fi utilizată numai dacă viteza de reacție este suficient de mică. De aceea, foarte des, atunci când se studiază echilibrul, se folosesc și diverse metode fizice pentru a determina compoziția sistemului.

1.1 Metode chimice

Sunt statice metode chimiceși metode chimice dinamice. Considera exemple concrete, dat în .

1.1.1 Metode statice.

Metodele statice constau în faptul că amestecul de reacție este plasat într-un reactor la temperatură constantă și apoi, la atingerea echilibrului, se determină compoziția sistemului. Reacția studiată trebuie să fie suficient de lentă pentru ca introducerea unui reactiv străin să nu perturbe practic starea de echilibru. Pentru a încetini procesul, este posibil să se răcească balonul de reacție suficient de rapid. Un exemplu clasic de astfel de studiu este reacția dintre iod și hidrogen

H2(g) + I2(g) = 2HI(g) (3)

Lemoyne a plasat fie un amestec de iod cu hidrogen, fie iodură de hidrogen în cilindri de sticlă. La 200 °C, reacția practic nu are loc; la 265 °C, durata echilibrului este de câteva luni; la 350 °C, echilibrul se stabilește în câteva zile; la 440 °C - timp de câteva ore. În acest sens, pentru studierea acestui proces s-a ales un interval de temperatură de 300 - 400 °C. Analiza sistemului a fost efectuată după cum urmează. Vasul de reacție a fost răcit rapid prin coborârea lui în apă, apoi a fost deschis un robinet și iodură de hidrogen a fost dizolvată în apă. Cantitatea de acid iodhidric a fost determinată prin titrare. La fiecare temperatură, experimentul a fost efectuat până când concentrația a atins o valoare constantă, ceea ce indică stabilirea echilibrului chimic în sistem.

1.1.2 Metode dinamice.

Metodele dinamice constau în faptul că amestecul de gaz este circulat continuu, apoi este răcit rapid pentru analiza ulterioară. Aceste metode sunt cele mai aplicabile la reacții destul de rapide. Accelerați reacțiile, de obicei fie ducându-le la temperaturi ridicate sau introducerea unui catalizator în sistem. Metoda dinamică a fost utilizată, în special, în analiza următoarelor reacții gazoase:

2H2 + O2 ⇄ 2H2O. (4)

2CO + O2 ⇄ 2CO2. (5)

2SO2 + O2 ⇄ 2SO

3H2 + N2 ⇄ 2NH

1.2 Metode fizice

Aceste metode se bazează în principal pe măsurarea presiunii sau a densității de masă a amestecului de reacție, deși pot fi utilizate și alte proprietăți ale sistemului.

1.2.1 Măsurarea presiunii

Fiecare reacție care este însoțită de o modificare a numărului de moli de reactanți gazoși este însoțită de o modificare a presiunii la volum constant. Dacă gazele sunt aproape de ideal, atunci presiunea este direct proporțională cu numărul total moli de reactanți gazoși.

Ca o ilustrare, luați în considerare următoarea reacție gazoasă, scrisă pe baza unei molecule a materiei prime

Numărul de alunițe

la momentul inițial 0 0

în echilibru

unde https://pandia.ru/text/78/005/images/image016_35.gif" width="245" height="25 src=">, (9)

unde https://pandia.ru/text/78/005/images/image018_30.gif" width="20" height="21 src=">.gif" width="91" height="31">.

Există relații între aceste presiuni:

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)

Constanta de echilibru, exprimată pe scara p, va avea forma

. (14)

Prin urmare, prin măsurarea presiunii de echilibru, gradul de disociere poate fi determinat folosind formula (13), iar apoi, folosind formula (14), se poate calcula și constanta de echilibru.

1.2.2 Măsurarea densității masei

Fiecare reacție, care este însoțită de o modificare a numărului de moli de participanți gazoși la proces, se caracterizează printr-o modificare a densității masei la presiune constantă.

De exemplu, pentru reacția (8) este adevărat

, (15)

unde https://pandia.ru/text/78/005/images/image028_20.gif" width="16" height="19">- volumul sistemului în echilibru. De regulă, în experimentele reale, nu se măsoară volumul, dar densitatea este masa sistemului, care este invers proporțională cu volumul..gif" width="37 height=21" height="21"> - densitatea de masă a sistemului la momentul inițial și, respectiv, în momentul echilibrului. Măsurând densitatea de masă a sistemului, putem folosi formula (16) pentru a calcula gradul de disociere și apoi constanta de echilibru.

1.2.3 Măsurarea directă a presiunii parțiale

Cea mai directă modalitate de a determina constanta de echilibru a unei reacții chimice este măsurarea presiunilor parțiale ale fiecărui participant la proces. În cazul general, această metodă este foarte dificil de aplicat în practică, cel mai adesea este utilizată numai în analiza amestecurilor de gaze care conțin hidrogen. În acest caz, se folosește proprietatea metalelor din grupa platinei de a fi permeabile la hidrogen la temperaturi ridicate. Amestecul de gaz preîncălzit este trecut la o temperatură constantă printr-un cilindru 1, care conține un rezervor de iridiu gol 2 conectat la un manometru 3 (Fig. 1). Hidrogenul este singurul gaz capabil să treacă prin pereții rezervorului de iridiu.

Astfel, rămâne de măsurat presiunea totală a amestecului de gaze și presiunea parțială a hidrogenului pentru a calcula constanta de echilibru a reacției. Această metodă a permis lui Lowenstein și Wartenberg (1906) să studieze disocierea apei, HCl, HBr, HI și H2S, precum și o reacție de genul:

https://pandia.ru/text/78/005/images/image033_14.gif" width="89 height=23" height="23">. (17)

1.2.4 Metode optice

Există metode de echilibru bazate pe măsurători de adsorbție care sunt deosebit de eficiente pentru gazele colorate. De asemenea, se poate determina compoziția unui amestec binar de gaze prin măsurarea indicelui de refracție (refractometric). De exemplu, Chadron (1921) a studiat reducerea oxizilor metalici cu monoxid de carbon prin măsurarea refractometrică a compoziției unui amestec gazos de oxid și dioxid de carbon.

1.2.5 Măsurarea conductibilității termice

Această metodă a fost utilizată în studiul reacțiilor de disociere în faza gazoasă, de exemplu

Să presupunem că într-un vas se pune un amestec de N2O4 și NO2, al cărui perete din dreapta are temperatura T2, iar cel din stânga T1, cu T2>T1 (Fig. 2). Disocierea N2O4 va avea loc într-o măsură mai mare în acea parte a vasului care are o temperatură mai mare. În consecință, concentrația de NO2 în partea dreaptă a vasului va fi mai mare decât în stânga și se va observa difuzia moleculelor de NO2 de la dreapta la stânga și N2O4 de la stânga la dreapta. Cu toate acestea, ajungând în partea dreaptă a vasului de reacție, moleculele de N2O4 se disociază din nou cu absorbția energiei sub formă de căldură, iar moleculele de NO2, ajungând în partea stângă a vasului, se dimerizează cu eliberarea de energie sub formă de căldură. Adică, există o suprapunere a conductivității termice obișnuite și a conductibilității termice asociate cu cursul reacției de disociere. Această problemă este rezolvată cantitativ și face posibilă determinarea compoziției amestecului de echilibru.

1.2.6 Măsurarea forței electromotoare (EMF) a unei celule galvanice

Măsurarea EMF a celulelor galvanice este simplă și metoda exacta calculul funcţiilor termodinamice ale reacţiilor chimice. Este necesar doar 1) să se compună o astfel de celulă galvanică astfel încât reacția finală în ea să coincidă cu cea studiată, a cărei constantă de echilibru trebuie determinată; 2) măsurați EMF-ul unei celule galvanice într-un proces de echilibru termodinamic. Pentru a face acest lucru, este necesar ca procesul de generare a curentului corespunzător să fie efectuat infinit lent, adică ca elementul să funcționeze la o putere a curentului infinit mic, motiv pentru care metoda de compensare este utilizată pentru a măsura EMF-ul unei celule galvanice, care se bazează pe faptul că celula galvanică studiată este pornită în serie față de o diferență de potențial externă, iar aceasta din urmă a fost aleasă în așa fel încât să nu existe curent în circuit. Valoarea EMF măsurată prin metoda de compensare corespunde procesului de echilibru termodinamic care are loc în element și muncă utilă procesul este maxim și este egal cu pierderea energiei Gibbs

https://pandia.ru/text/78/005/images/image035_12.gif" width="181" height="29 src="> (20)

pentru p, T=const, unde F– numărul Faraday = 96500 C/mol, n este cel mai mic multiplu comun al numărului de electroni implicați în reacțiile electrozilor, Eo- EMF standard, V.

Valoarea constantei de echilibru poate fi găsită din relația (21)

(21)

2. EXEMPLU DE LUCRĂRI DE LABORATOR LA DETERMINAREA VALORII CONSTANTEI DE ECHILIBRI

În atelierele de chimie fizică se întâlnesc adesea lucrări de laborator legate de studiul reacției de disociere a carbonaților metalici. Să aducem rezumat lucrare similară.

Scopul lucrării – determinarea constantei de echilibru şi calculul principalelor mărimi termodinamice ale reacţiei de descompunere a carbonatului.

Carbonat de calciu https://pandia.ru/text/78/005/images/image038_12.gif" width="192" height="29"> , (22)

în acest caz, se formează monoxid de carbon gazos (IV), oxid de calciu solid și rămâne o parte din carbonat de calciu nedisociat.

Constanta de echilibru a reacției (22) se scrie astfel:

, (23)

unde https://pandia.ru/text/78/005/images/image041_11.gif" width="68" height="51"> în vedere generala sau ; activitățile fazelor solide sau lichide pure sunt egale cu https://pandia.ru/text/78/005/images/image044_10.gif" width="76" height="28 src=">.

Dacă presiunea este măsurată în atmosfere, atunci = https://pandia.ru/text/78/005/images/image046_9.gif" width="87" height="53"> . (24)

Presiunea de echilibru a dioxidului de carbon asupra carbonatului de calciu se numește elasticitatea de disociere a CaCO3.

Adică, constanta de echilibru a reacției de disociere a carbonatului de calciu va fi numeric egală cu elasticitatea disocierii carbonatului, dacă aceasta din urmă este exprimată în atmosfere. Astfel, după ce s-a determinat experimental elasticitatea de disociere a carbonatului de calciu, se poate determina valoarea constantei de echilibru a acestei reacții.

partea experimentală

Pentru a determina elasticitatea de disociere a carbonatului de calciu se folosește o metodă statică. Esența sa constă în măsurarea directă la o anumită temperatură a presiunii dioxid de carbonîn instalare.

Echipamente. Principalele componente ale instalației sunt: un vas de reacție (1) din material termorezistent și plasat într-un cuptor electric (2); un manometru cu mercur (3), conectat ermetic la vasul de reacție și printr-un robinet (4) la o pompă manuală de vid (5). Temperatura din cuptor este menținută de un regulator (6), temperatura este controlată de un termocuplu (7) și un voltmetru (8). O anumită cantitate din substanța pulverulentă investigată (9) (carbonați metalici) este plasată în vasul de reacție.

Comandă de lucru. După verificarea etanșeității sistemului, porniți cuptorul și setați temperatura inițială necesară a vasului de reacție cu ajutorul unui regulator. Înregistrați primele citiri ale termocuplului și ale manometrului. După aceea, folosind regulatorul (6) crește temperatura în cuptor cu 10-20 de grade, așteptați stabilirea unei noi valori constante a temperaturii și înregistrați valoarea presiunii corespunzătoare acestei temperaturi. Astfel, crescând treptat temperatura, se fac cel puțin 4-5 măsurători. După încheierea experimentului, cuptorul este răcit și sistemul este conectat la atmosferă printr-o supapă (4). Apoi opriți cuptorul și voltmetrul. După prelucrarea datelor experimentale obținute, este posibil să se calculeze constanta de echilibru a reacției de disociere.

Fig.3. Instalatie pentru determinarea elasticitatii de disociere

carbonați metalici.

3. DETERMINAREA CONSTANTELOR DE ECHILIBRI

FĂRĂ EXPERIMENT

3.1 Calculul constantei de echilibru a unei reacții chimice din

valoarea funcției molare Gibbs standard a reacției

Această metodă nu implică deloc experimentare. Dacă se cunosc entalpia molară standard și entropia reacției la o anumită temperatură, atunci folosind ecuațiile corespunzătoare, este posibil să se calculeze funcția molară standard Gibbs a reacției studiate la temperatura dorită și prin aceasta valoarea constanta de echilibru.

Dacă valorile entropiilor și entalpiilor molare standard la o anumită temperatură sunt necunoscute, atunci puteți utiliza metoda Temkin și Schwartzman, adică prin valoarea entalpiilor și entropiilor molare standard la o temperatură de 298 K și valorile coeficienților de dependență de temperatură ai capacității molare de căldură a reacției, calculați energia Gibbs molară standard a reacției pentru orice temperatură.

https://pandia.ru/text/78/005/images/image051_7.gif" width="137" height="25 src="> - coeficienți de referință care nu depind de natura reacției și sunt determinați numai prin valorile temperaturii.

3.2 Metoda de combinare a echilibrelor

Această metodă este utilizată în termodinamica chimică practică. De exemplu, experimental la aceeași temperatură, s-au găsit constantele de echilibru a două reacții

1. CH3OH(g) + CO ⇄ HCOOCH3(g) . (26)

2. H2 + 0,5 HCOOCH3(g) ⇄ CH3OH(g) . (27)

Constanta de echilibru a reacției de sinteză a metanolului

3..gif" width="31" height="32"> și:

. (29)

3.3 Calculul constantei de echilibru a unei reacții chimice la o anumită temperatură folosind valori cunoscute constantele de echilibru ale aceleiași reacții la alte două temperaturi

Această metodă de calcul se bazează pe rezolvarea ecuației izobarei unei reacții chimice (izobară van't Hoff)

, (30)

unde https://pandia.ru/text/78/005/images/image060_3.gif" width="64" height="32"> și arată astfel:

. (31)

Folosind această ecuație, cunoscând constantele de echilibru la două temperaturi diferite, se poate calcula entalpia molară standard a reacției, iar cunoscând aceasta și constanta de echilibru la o temperatură, se poate calcula constanta de echilibru la orice altă temperatură.

4. EXEMPLE DE REZOLVARE A PROBLEMELOR

Aflați constanta de echilibru pentru sinteza amoniacului y N2 + H2 ⇄ NH3 dacă fracția molară de echilibru a amoniacului este 0,4 la 1 atm și 600K. Amestecul inițial este stoichiometric, nu există niciun produs în amestecul inițial.

Dat: Reacția y N2 + H2 ⇄ NH3, 1 atm, 600 K. = 1,5 mol; = 0,5 mol; = 0 mol = 0,4 Aflați: - ?

Soluţie

Din starea problemei, cunoaștem ecuația stoichiometrică, precum și faptul că la momentul inițial de timp numărul de moli de azot este egal cu stoichiometria, adică 0,5 mol (https://pandia.ru). /text/78/005/images/image069_3.gif " width="247" height="57 src=">

Scriem reacția, sub simbolurile elementelor indicăm numerele inițiale și de echilibru de moli de substanțe

y N2 + H2 ⇄ NH3

0,5 - 0,5 ξ 1,5 - 1,5 ξ ξ

Numărul total de moli ai tuturor participanților la reacția din sistem în momentul echilibrului

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

Rezolvarea problemei directe a echilibrului chimic este calculul compoziţiei de echilibru a sistemului în care această reacție(mai multe reacții). În mod evident, baza soluției este legea echilibrului chimic. Este necesar doar să exprimați toate variabilele incluse în această lege prin oricare: de exemplu, prin adâncimea unei reacții chimice, prin gradul de disociere sau printr-o fracție molară de echilibru. Este mai bine să alegeți ce variabilă este convenabilă de utilizat în funcție de condițiile specifice ale problemei.

Sarcina 2

Constanta de echilibru a reacției gazului pentru sinteza iodurii de hidrogen

H2 + I2 ⇄ 2HI la 600 K și presiunea exprimată în atmosfere este kr= 45,7. Aflați adâncimea de echilibru a acestei reacții și randamentul de echilibru al produsului la o temperatură și presiune date de 1 atm, dacă la momentul inițial de timp cantitățile de substanțe de pornire corespund celor stoichiometrice și nu există produse de reacție la momentul initial.

Dat kr= 45,7. =1 mol; https://pandia.ru/text/78/005/images/image081_1.gif" width="68" height="27 src="> mol. Găsiți: - ? - ?

Soluţie

Să notăm reacția în sine și sub simbolurile elementelor numărul de moli ale fiecărui participant în momentul inițial și în momentul echilibrului stabilit prin formula (4)

1 - ξ 1 - ξ 2ξ

1 - ξ + 1 - ξ +2ξ = 2

Fracțiile molare de echilibru și presiunile parțiale ale tuturor participanților la reacție, exprimăm printr-o singură variabilă - adâncimea reacției chimice

https://pandia.ru/text/78/005/images/image085_1.gif" width="144" height="47 src=">.

Legea acțiunii maselor sau legea echilibrului chimic

https://pandia.ru/text/78/005/images/image082_1.gif" width="13" height="23 src=">= 0,772.

Sarcina 3

Starea sa diferă de problema 2 doar prin aceea că cantitățile inițiale de moli de hidrogen și iod sunt de 3, respectiv 2 moli. Calculați compoziția molară a amestecului de echilibru.

Dat: Reactie posibila: H2+I2= 2HI. 600 K, 1 atm. kr = 45,7 .

3 mol; cârtiță; mol. Găsiți: - ?.gif" width="32" height="27"> 1 1 0

3 - ξ 2 - ξ 2ξ

Numărul total de moli ai tuturor participanților la reacție în momentul echilibrului este

3 - ξ + 2 - ξ +2ξ = 5

Fracțiile molare de echilibru și presiunile parțiale ale tuturor participanților la reacție, exprimate în termeni de o singură variabilă - adâncimea reacției chimice

Înlocuirea presiunilor parțiale în legea echilibrului chimic dă:

https://pandia.ru/text/78/005/images/image090_1.gif" width="13" height="21"> și calculați constanta de echilibru, apoi construiți un grafic și determinați din acesta adâncimea de reacție care corespunde pentru a constata valoarea constantei de echilibru.

= 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

Pentru a finaliza lucrarea, trebuie să finalizați următoarele sarcini

Exercitiul 1

1. Descrieți o metodă pentru determinarea experimentală a elasticității dioxidului de carbon la studierea reacției de disociere СaCO3⇄CaO+CO2

(opțiunile 1 - 15, Tabelul 3);

2. Notează legea echilibrului chimic pentru reacția studiată; determinați valorile constantelor de echilibru ale reacției de disociere a carbonatului de calciu conform datelor experimentale (Tabelul 3) la diferite temperaturi; sarcinile din secțiunea B (conform opțiunii indicate) și sarcinile 1-3, p;

3. Notați expresia definitorie pentru constanta de echilibru și calculați teoretic constanta de echilibru a reacției studiate la ultima temperatură indicată în tabel.

Sarcina 2

1. Pregătiți un răspuns la întrebarea 1 (opțiunile 1-15, Tabelul 4)

2. Rezolvați problemele 2 și 3.

Date de referință necesare pentru a finaliza lucrarea

Cantitatea pentru calcularea variației molare standard a energiei Gibbs prin metoda lui Temkin și Schwartzman

tabelul 1

Date termodinamice pentru calcularea energiei molare standard Gibbs

masa 2

Date experimentale pentru sarcina 1

Tabelul 3

Opțiune	Date experimentale
	t, oC
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

Condițiile sarcinii pentru îndeplinirea sarcinii 2

Tabelul 4

1 opțiune

1. Spuneți-ne despre metodele chimice pentru determinarea valorilor constantelor de echilibru chimic.

2. Există un amestec de substanțe gazoase A și B, care poate intra într-o reacție chimică cu formarea unui produs de reacție C, conform ecuației stoechiometrice 0,5 A + 2B = C. La momentul inițial nu există nicio reacție. produs în sistem, iar substanțele inițiale sunt luate în cantități stoechiometrice. După stabilirea echilibrului, amestecul de echilibru conține numărul de moli de produs C egal cu 0,4, iar presiunea totală este de 2 atm. Aflați constanta de echilibru pe scara p.

3 . La 1273 K și o presiune totală de 30 atm, amestecul de echilibru cu reacția presupusă CO2(g) + C(s) = 2CO(g) conține 17% (în volum) CO2. Ce procent de CO2 va fi continut in gaz la o presiune totala de 20 atm?. La ce presiune va conține gazul 25% CO2?

Opțiunea 2

1 . Spune despre metoda fizica determinarea valorii constantei de echilibru chimic prin măsurarea presiunii.

2. Există un amestec de substanțe gazoase A și B, care poate intra într-o reacție chimică cu formarea unui produs de reacție C, conform ecuației stoichiometrice 2A + B = C. La momentul inițial, nu există un produs de reacție în sistem, iar substanțele inițiale sunt luate în cantități stoichiometrice. După stabilirea echilibrului, amestecul de echilibru conține numărul de moli de produs C egal cu 0,5, iar presiunea totală este de 2 atm. Aflați constanta de echilibru pe scara p.

3 . La 2000 °C și o presiune totală de 1 atm, 2% din apă se disociază în hidrogen și oxigen conform reacției H2O(g)= H2(g) + 0,5 O2(g). Calculați constanta de echilibru a reacției în aceste condiții.

3 optiune

1 . Descrieți metoda de determinare a valorii constantei de echilibru prin măsurarea densității. La ce metode se referă această metodă?

2. Există un amestec de substanțe gazoase A și B, care poate intra într-o reacție chimică cu formarea unui produs de reacție C, conform ecuației stoichiometrice A + 2B = C. La momentul inițial, nu există un produs de reacție în sistem, iar substanțele inițiale sunt luate în cantități stoichiometrice. După stabilirea echilibrului, amestecul de echilibru conține numărul de moli de produs C egal cu 0,6, iar presiunea totală este de 2 atm. Aflați constanta de echilibru pe scara p.

3 . Constanta de echilibru a reacției CO(g) + H2O(g) = H2(g) + CO2(g) la 500 °C este 5,5 ([p]=1 atm). Un amestec format din 1 mol de CO și 5 moli de H2O a fost încălzit la această temperatură. Calculați fracția molară de apă din amestecul de echilibru.

4 optiune	1 . Descrieţi metoda de determinare a valorii constantei de echilibru cu ajutorul măsurare directă presiune parțială. 2. Există un amestec de substanțe gazoase A și B, care poate intra într-o reacție chimică cu formarea unui produs de reacție C, conform ecuației stoichiometrice 0,5 A + B \u003d C. La momentul inițial, nu există produs de reacție în sistem, iar substanțele inițiale sunt luate în cantități stoechiometrice. După stabilirea echilibrului, amestecul de echilibru conține un număr de moli de produs C egal cu 0,3, iar presiunea totală este de 1,5 atm. Aflați constanta de echilibru pe scara p. 3 .Constanta de echilibru a reacției N2O4 (g) \u003d 2NO2 (g) la 25 ° C este 0,143 ([p] \u003d 1 atm). Calculați presiunea care se va stabili într-un vas de 1 litru care conține 1 g de N2O4 la această temperatură.
5 optiune	1 . Cum puteți determina valoarea constantei de echilibru a unei reacții fără a recurge la experiment. 2. Există un amestec de substanțe gazoase A și B, care poate intra într-o reacție chimică cu formarea unui produs de reacție C, conform ecuației stoichiometrice 0,5 A + 3B = C. La momentul inițial, nu există nicio reacție. produs în sistem, iar materiile prime sunt luate în cantități stoechiometrice. După stabilirea echilibrului, amestecul de echilibru conține numărul de moli de produs C egal cu 0,3, iar presiunea totală este de 2 atm. Aflați constanta de echilibru pe scara p. 3 . Un vas de 3 litri conţinând 1,79.10-2 mol I2 a fost încălzit la 973 K. Presiunea din vas la echilibru s-a dovedit a fi de 0,49 atm. Presupunând gaze ideale, calculați constanta de echilibru la 973 K pentru reacție I2(r) = 2I(r).
6 optiune	1. Folosind ecuația izobară a reacției pentru a determina valoarea constantei de echilibru chimic la o temperatură neexplorată anterior. 2. Există un amestec de substanțe gazoase A și B, care poate intra într-o reacție chimică cu formarea unui produs de reacție C, conform ecuației stoechiometrice 3A + B = C. La momentul inițial, nu există un produs de reacție în sistem, iar substanțele inițiale sunt luate în cantități stoichiometrice. După stabilirea echilibrului, amestecul de echilibru conține numărul de moli de produs C egal cu 0,4, iar presiunea totală este de 2 atm. Aflați constanta de echilibru pe scara p. 3 . Pentru reacția PCl5(g) =PCl3(g) +Cl2(g) la 250 °C, modificarea molară standard a energiei Gibbs = - 2508 J/mol. La ce presiune totală va fi gradul de conversie a PCl5 în PCl3 și Cl2 de 30% la 250 °C?
7 opțiune	1. Sistemul în care are loc reacția endotermă în fază gazoasă A + 3B = 2C este în echilibru la 400 K și 5 atm. Dacă gazele sunt ideale, cum va fi afectat randamentul produsului de adăugarea unui gaz inert la volum constant? 2. Există un amestec de substanțe gazoase A și B, care poate intra într-o reacție chimică cu formarea produsului de reacție C, conform ecuației stoichiometrice 2A + B = 2C. În momentul inițial de timp, în sistem nu există un produs de reacție, iar substanțele inițiale sunt luate în cantități stoechiometrice. După stabilirea echilibrului, amestecul de echilibru conține numărul de moli de produs C egal cu 0,3, iar presiunea totală este de 2 atm. Aflați constanta de echilibru pe scara p. 3 . Pentru reacția 2HI(g) = H2 + I2(g), constanta de echilibru este Kp\u003d 0,0183 ([p] \u003d 1 atm) la 698,6 K. Câte grame de HI se formează atunci când 10 g de I2 și 0,2 g de H2 sunt încălzite la această temperatură într-un vas de trei litri? Care sunt presiunile parțiale ale H2, I2 și HI?
8 optiune	1. Sistemul în care are loc reacția endotermă în fază gazoasă A + 3B = 2C este în echilibru la 400 K și 5 atm. Dacă gazele sunt ideale, cum va fi afectat randamentul produsului de creșterea temperaturii? 2. Există un amestec de substanțe gazoase A și B, care poate intra într-o reacție chimică cu formarea produsului de reacție C, conform ecuației stoichiometrice 0,5A + 2B = 2C. În momentul inițial de timp, în sistem nu există un produs de reacție, iar substanțele inițiale sunt luate în cantități stoechiometrice. După stabilirea echilibrului, amestecul de echilibru conține numărul de moli de produs C egal cu 0,3, iar presiunea totală este de 2 atm. Aflați constanta de echilibru pe scara p. 3 . Un vas de 1 litru conţinând 0,341 moli de PCl5 şi 0,233 moli de N2 a fost încălzit la 250°C. Presiunea totală din vas la echilibru s-a dovedit a fi de 29,33 atm. Considerând că toate gazele sunt ideale, se calculează constanta de echilibru la 250 °C pentru reacția PCl5(g) = PCl3(g) + Cl2(g) care are loc în vas.
9 opțiune	1 . Sistemul în care se desfășoară reacția endotermă în fază gazoasă A+3B=2C este în echilibru la 400 K și 5 atm. Dacă gazele sunt ideale, cum va afecta creșterea presiunii randamentul produsului? 2. Există un amestec de substanțe gazoase A și B, care poate intra într-o reacție chimică cu formarea produsului de reacție C, conform ecuației stoichiometrice 0,5A + B = 2C. În momentul inițial de timp, în sistem nu există un produs de reacție, iar substanțele inițiale sunt luate în cantități stoechiometrice. După stabilirea echilibrului, amestecul de echilibru conține numărul de moli de produs C egal cu 0,5, iar presiunea totală este de 2 atm. Aflați constanta de echilibru pe scara p. 3 . Constanta de echilibru a reacției CO(g) + 2H2 = CH3OH(g) la 500 K este kr= 0,00609 ([p]=1 atm). Calculați presiunea totală necesară pentru a produce metanol cu un randament de 90% dacă CO și H2 sunt luate într-un raport de 1:2.
10 opțiune	1. Descrieți metoda de determinare a constantelor de echilibru prin măsurarea presiunii parțiale. 2. Există un amestec de substanțe gazoase A și B, care poate intra într-o reacție chimică cu formarea produsului de reacție C, conform ecuației stoichiometrice 0,5A + 1,5B = 2C. În momentul inițial de timp, în sistem nu există un produs de reacție, iar substanțele inițiale sunt luate în cantități stoechiometrice. După stabilirea echilibrului, amestecul de echilibru conține numărul de moli de produs C egal cu 0,4, iar presiunea totală este de 2 atm. Aflați constanta de echilibru pe scara p. 3 . Echilibrul în reacția 2NOCl (g)=2NO(g)+Cl2(g) este stabilit la 227°C și o presiune totală de 1,0 bar, când presiunea parțială a NOCl este de 0,64 bar (inițial era prezent doar NOCl). Calculați această reacție la temperatura dată.
11 opțiune	1 . Descrieți metodele chimice pentru determinarea constantelor de echilibru. 2. Există un amestec de substanțe gazoase A și B, care poate intra într-o reacție chimică cu formarea produsului de reacție C, conform ecuației stoichiometrice 2A + 0,5B = 2C. În momentul inițial de timp, în sistem nu există un produs de reacție, iar substanțele inițiale sunt luate în cantități stoechiometrice. După stabilirea echilibrului, amestecul de echilibru conține numărul de moli de produs C egal cu 0,2, iar presiunea totală este de 2 atm. Aflați constanta de echilibru pe scara p. 3 . Calculați presiunea totală care trebuie aplicată unui amestec de 3 părți H2 și 1 parte N2 pentru a obține un amestec de echilibru care conține 10 vol% NH3 la 400°C. Constanta de echilibru pentru reactia N2(g) + 3 H2(g)= 2NH3(g) la 400°C iar expresia presiunii în atm este 1,6 10-4.
12 opțiune	1 . Sistemul în care se desfășoară reacția endotermă în fază gazoasă A+3B=2C este în echilibru la 400 K și 5 atm. Dacă gazele sunt ideale, cum va fi afectat randamentul produsului de o scădere a presiunii? 2. Există un amestec de substanțe gazoase A și B, care poate intra într-o reacție chimică cu formarea produsului de reacție C, conform ecuației stoichiometrice 2A + B = 0,5C. În momentul inițial de timp, în sistem nu există un produs de reacție, iar substanțele inițiale sunt luate în cantități stoechiometrice. După stabilirea echilibrului, amestecul de echilibru conține numărul de moli de produs C egal cu 0,4, iar presiunea totală este de 2 atm. Aflați constanta de echilibru pe scara p. 3 . La 250 °C și o presiune totală de 1 atm, PCl5 este disociat cu 80% conform reacției PCl5(g) = PCl3(g) + CI2(g). Care va fi gradul de disociere al PCl5 dacă se adaugă azot în sistem astfel încât presiunea parțială a azotului să fie de 0,9 atm? Presiunea totală se menține la 1 atm.

13 opțiune

1 . Sistem în care are loc o reacție exotermă

CO(g) + 2H2 = CH3OH(g) este în echilibru la 500 K și 10 bar.

Dacă gazele sunt ideale, cum va fi afectat randamentul de metanol de o scădere a presiunii?

2. Există un amestec de substanțe gazoase A și B, care poate intra într-o reacție chimică cu formarea produsului de reacție C, conform ecuației stoichiometrice 1,5A + 3B = 2C. În momentul inițial de timp, în sistem nu există un produs de reacție, iar substanțele inițiale sunt luate în cantități stoechiometrice. După stabilirea echilibrului, amestecul de echilibru conține numărul de moli de produs C egal cu 0,5, iar presiunea totală este de 2 atm. Aflați constanta de echilibru pe scara p.

3 . Constanta de echilibru a reacției CO(g) + 2H2 = CH3OH(g) la 500 K este 6,09 × 10 5 ([p] = 1 atm). Amestecul de reacție, constând din 1 mol de CO,

Se încălzesc 2 moli de H2 și 1 mol de gaz inert (azot) la 500 K și o presiune totală de 100 atm. Calculați compoziția amestecului de reacție.

14 opțiune

1 . Descrieți o metodă pentru determinarea constantelor de echilibru din date electrochimice.

2. Există un amestec de substanțe gazoase A și B, care poate intra într-o reacție chimică cu formarea unui produs de reacție C, conform ecuației stoechiometrice 2A + 0,5B = C. La momentul inițial nu există nicio reacție. produs în sistem, iar substanțele inițiale sunt luate în cantități stoechiometrice. După stabilirea echilibrului, amestecul de echilibru conține numărul de moli de produs C egal cu 0,4, iar presiunea totală este de 2 atm. Aflați constanta de echilibru pe scara p.

3. Pentru reacția N2 (g) + 3 H2 (g) \u003d 2NH3 (g) la 298 K, constanta de echilibru atunci când este exprimată în presiune atm este 6,0 × 10 5, iar entalpia molară standard a formării amoniacului este = - 46,1 kJ / mol . Aflați valoarea constantei de echilibru la 500 K.

15 opțiune

1 . Sistemul cu reacția exotermă CO(g) + 2H2 = СH3OH(g) este în echilibru la 500 K și 10 bar. Dacă gazele sunt ideale, cum va fi afectat randamentul de metanol de scăderea temperaturii.

2. Există un amestec de substanțe gazoase A și B, care poate intra într-o reacție chimică cu formarea produsului de reacție C, conform ecuației stoichiometrice 2A + B = 1,5C. În momentul inițial de timp, în sistem nu există un produs de reacție, iar substanțele inițiale sunt luate în cantități stoechiometrice. După stabilirea echilibrului, amestecul de echilibru conține numărul de moli de produs C egal cu 0,5, iar presiunea totală este de 2 atm. Aflați constanta de echilibru pe scara p.

3. Constanta de echilibru a reacției N2(g) + 3 H2(g)= 2NH3(g) la 400 °C și exprimată în atm este 1,6 10-4. Ce presiune totală trebuie aplicată unui amestec echimolar de azot și hidrogen pentru a transforma 10% din azot în amoniac? Se presupune că gazele sunt ideale.

Într-un reportaj despre munca de laborator pare oportună includerea următoarelor secțiuni: introducere, partea 1, partea 2, concluzii.

1. Introducere poate fi rezumat informatii teoretice pe una dintre următoarele întrebări: fie despre legea acțiunii în masă, istoria descoperirii sale și autorii ei; sau despre conceptele de bază și relațiile definitorii ale secțiunii „Echilibrul chimic”; sau de a deriva legea echilibrului chimic în formularea sa modernă; sau vorbiți despre factorii care afectează valoarea constantei de echilibru etc.

Secțiunea „Introducere” ar trebui să se încheie cu o declarație a obiectivelor lucrării.

Partea 1 necesar

2.1. Dați o diagramă a instalației pentru determinarea elasticității de disociere a carbonaților metalici și descrieți cursul experimentului.

2.2 . Dați rezultatele calculului constantei de echilibru conform datelor experimentale

2.3. Dați calculul constantei de echilibru în funcție de datele termodinamice

Partea 2 necesar

3.1 . Dați un răspuns complet justificat la întrebarea 1 a sarcinii 2.

3.2 . Dați rezolvarea sarcinilor 2 și 3 a sarcinii 2. Condiția sarcinilor trebuie scrisă în notație simbolică.

În concluzii este recomandabil să se reflecte îndeplinirea obiectivelor stabilite în lucrare, precum și să se compare valorile constantei de echilibru calculate la 2.2 și 2.3.

Lista bibliografică

1. Karjakin al termodinamicii chimice: Proc. indemnizație pentru universități. M.: Academia., 20 de ani.

2. Prigozhin I., Kondepudi D. Termodinamică modernă. De la motoare termice la structuri disipative. M.: Mir, 20 de ani.

3., Cherepanov despre chimie fizică. Trusa de instrumente. Ekaterinburg: Editura Universității de Stat Ural, 2003.

4. Scurtă carte de referință a mărimilor fizice și chimice / Ed. Și. L .: Chimie, anii 20.

5. Sarcini de chimie fizică: manual. indemnizație pentru universități / etc. M .: Examen, 20 ani.

Dispunerea computerului

Deoarece toate reacțiile chimice sunt reversibile, pentru reacția inversă (în raport cu cea când moleculele A reacţionează cu moleculele B)

expresia corespunzătoare pentru viteza de reacție va fi

Reversibilitatea este indicată de săgeți duble:

Această expresie trebuie citită: moleculele A și moleculele B sunt în echilibru cu Semnul proporționalității poate fi înlocuit cu un semn egal dacă introducem coeficientul de proporționalitate k, caracteristic reacției luate în considerare. În general

expresiile pentru viteza de reacție directă (viteza) și reacția inversă (viteza) iau forma

Când ratele reacțiilor directe și inverse sunt egale, se spune că sistemul este în echilibru:

Raportul se numește constantă de echilibru. Ar trebui să vă amintiți următoarele proprietăți ale unui sistem în echilibru

1. Constanta de echilibru este egală cu raportul dintre constantele vitezei reacțiilor directe și inverse,

2. În echilibru, vitezele reacțiilor directe și inverse (dar nu constantele lor) sunt egale.

3. Echilibrul este stare dinamică. Deși modificarea totală a concentrației de reactanți și produși în echilibru nu are loc. A și B se transformă constant în și invers.

4. Dacă se cunosc concentrațiile de echilibru A, B și se poate găsi valoarea numerică a constantei de echilibru.

Relația dintre constanta de echilibru și modificarea energiei libere standard a unei reacții

Constanta de echilibru este legată de relație

Aici este constanta gazului, T este temperatura absolută. Deoarece valorile lor sunt cunoscute, se poate găsi cunoașterea valorii numerice.Dacă constanta de echilibru este mai mare decât unu, reacția se desfășoară spontan, adică în direcția în care este scrisă (de la stânga la dreapta). Dacă constanta de echilibru este mai mică decât unitatea, atunci reacția inversă are loc spontan. Rețineți, totuși, că constanta de echilibru indică direcția în care reacția poate decurge spontan, dar nu ne permite să judecăm dacă reacția va avea loc rapid. Cu alte cuvinte, nu spune nimic despre înălțimea barierei energetice a reacției (; vezi mai sus). Aceasta rezultă din faptul că determină doar A (7°. Vitezele de reacție depind de înălțimea barierei energetice, dar nu de mărime

Majoritatea factorilor care afectează vitezele reacțiilor enzimatice își exercită efectul prin modificarea concentrațiilor locale ale reactivilor.

Constanta de echilibru chimic

Toate reacțiile chimice pot fi împărțite în 2 grupe: reacții ireversibile, i.e. reacții care decurg până la consumarea completă a uneia dintre substanțele care reacţionează și reacții reversibile în care niciuna dintre substanțele care reacţionează nu este consumată complet. Acest lucru se datorează faptului că o reacție ireversibilă are loc într-o singură direcție. O reacție reversibilă poate avea loc atât în direcția înainte, cât și în sens invers. De exemplu, reacția

Zn + H2S04® ZnS04 + H2

curge până la dispariția completă fie a acidului sulfuric, fie a zincului și nu curge în sens invers: zinc metalic și acid sulfuric nu poate fi obținut prin trecerea hidrogenului în soluție de apă sulfat de zinc. Prin urmare, această reacție este ireversibilă.

Un exemplu clasic de reacție reversibilă este sinteza amoniacului din azot și hidrogen: N 2 + 3 H 2 ⇆ 2 NH 3.

Eu gras temperatura ridicata se amestecă 1 mol de azot și 3 moli de hidrogen, apoi chiar și după un timp de reacție suficient de lung, nu numai produsul de reacție (NH 3 ), ci și materiile prime nereacționate (N 2 și H 2) vor fi prezente în reactor. Dacă, în aceleași condiții, nu se introduce în reactor un amestec de azot și hidrogen, ci amoniac pur, atunci după un timp se va dovedi că o parte a amoniacului s-a descompus în azot și hidrogen, adică. reacția decurge în sens invers.

Pentru a înțelege natura echilibrului chimic, este necesar să se ia în considerare problema ratelor reacțiilor directe și inverse. Viteza unei reacții chimice este înțeleasă ca modificarea concentrației substanței de pornire sau a produsului de reacție pe unitatea de timp. Când se studiază problemele de echilibru chimic, concentrațiile de substanțe sunt exprimate în mol / l; aceste concentrații indică câți moli dintr-un reactant dat sunt conținute în 1 litru de vas. De exemplu, afirmația „concentrația de amoniac este de 3 mol/l” înseamnă că fiecare litru din volumul luat în considerare conține 3 mol de amoniac.

reacții chimice sunt efectuate ca urmare a ciocnirilor între molecule, prin urmare, decât mai multe molecule este pe unitatea de volum, cu cât apar mai multe ciocniri între ele și cu atât viteza de reacție este mai mare. Astfel, cu cât concentrația reactanților este mai mare, cu atât viteza reacției este mai mare.

Concentraţiile substanţelor iniţiale din sistem (un sistem este un set de substanţe care reacţionează) sunt maxime în momentul începerii reacţiei (în momentul t = 0). În același moment al începerii reacției, încă nu există produse de reacție în sistem, prin urmare, viteza reacției inverse este zero. Pe măsură ce substanțele inițiale interacționează între ele, concentrațiile lor scad și, în consecință, scade și viteza reacției directe. Concentrația produsului de reacție crește treptat, prin urmare, crește și viteza reacției inverse. După un timp, viteza reacției directe devine egală cu viteza inversă. Această stare a sistemului este numită starea de echilibru chimic (Fig. 5.1). Orez. 5.1 - Modificarea în timp a ratelor reacțiilor directe și inverse. În stare chimică

echilibrul în sistem nu este observat

nu există nicio schimbare vizibilă.

Deci, de exemplu, concentrațiile tuturor substanțelor pot rămâne neschimbate pentru un timp arbitrar îndelungat dacă nu se exercită nicio influență externă asupra sistemului. Această constanță a concentrațiilor într-un sistem în stare de echilibru chimic nu înseamnă deloc absența interacțiunii și se explică prin faptul că reacțiile directe și inverse au loc în aceeași viteză. Această stare se mai numește și echilibru chimic adevărat. Astfel, adevăratul echilibru chimic este echilibrul dinamic.

Echilibrul fals trebuie să fie distins de echilibrul adevărat. Constanța parametrilor sistemului (concentrații de substanțe, presiune, temperatură) este un semn necesar, dar nu suficient, al adevăratului echilibru chimic. Acest lucru poate fi ilustrat prin exemplul următor. Interacțiunea azotului și hidrogenului cu formarea amoniacului, precum și descompunerea amoniacului, se desfășoară într-un ritm vizibil la o temperatură ridicată (aproximativ 500 ° C). Dacă hidrogenul, azotul și amoniacul sunt amestecate la temperatura camerei în orice raport, atunci reacția N 2 + 3 H 2 ⇆ 2 NH 3

nu se va scurge și toți parametrii sistemului vor rămâne constanti. Cu toate acestea, în acest caz echilibrul este fals, nu adevărat, pentru că nu este dinamic; lipsă în sistem interacțiune chimică: Rata reacțiilor directe și inversă este zero.

În prezentarea ulterioară a materialului, termenul „echilibru chimic” va fi folosit în raport cu adevăratul echilibru chimic.

Caracteristica cantitativă sisteme în stare de echilibru chimic este constanta de echilibru K .

Pentru cazul general al unei reacții reversibile a A + b B + ... ⇆ p P + q Q + ...

Constanta de echilibru se exprimă prin următoarea formulă:

În formula 5.1 C(A), C(B), C(P) C(Q) sunt concentrațiile de echilibru (mol/l) ale tuturor substanțelor care participă la reacție, i.e. concentrații care se stabilesc în sistem în momentul echilibrului chimic; a, b, p, q sunt coeficienți stoichiometrici în ecuația de reacție.

Expresia constantei de echilibru pentru reacţia de sinteză a amoniacului N 2 +3H 2 ⇆2NH 3 este următoarea: . (5,2)

Astfel, valoarea numerică a constantei de echilibru chimic este egală cu raportul dintre produsul concentrațiilor de echilibru ale produselor de reacție și produsul concentrațiilor de echilibru ale substanțelor inițiale, iar concentrația fiecărei substanțe trebuie ridicată la o putere. egal cu coeficientul stoechiometric din ecuația de reacție.

Este important să înțelegeți asta constanta de echilibru este exprimată în termeni de concentrații de echilibru, dar nu depinde de acestea ; dimpotrivă, raportul dintre concentrațiile de echilibru ale substanțelor care participă la reacție va fi astfel încât să corespundă constantei de echilibru. Constanta de echilibru depinde de natura substanţelor care reacţionează şi de temperatură şi este o valoare constantă (la o temperatură constantă). .

Dacă K >> 1, atunci numărătorul fracției din expresia constantei de echilibru este de multe ori mai mare decât numitorul, prin urmare, în momentul echilibrului, în sistem predomină produsele de reacție, adică. reacția se desfășoară în mare parte în direcția înainte.

Dacă K<< 1, то знаменатель во много раз превышает числитель, следовательно, в момент равновесия в системе преобладают исходные вещества, т.е. реакция лишь в незначительной степени протекает в прямом направлении.

Dacă K ≈ 1, atunci concentrațiile de echilibru ale substanțelor inițiale și ale produselor de reacție sunt comparabile; reacția se desfășoară într-o măsură semnificativă atât în sens înainte, cât și în sens invers.

Trebuie avut în vedere că expresia constantei de echilibru include concentrațiile numai acelor substanțe care se află în fază gazoasă sau în stare dizolvată (dacă reacția decurge în soluție). Dacă o substanță solidă este implicată în reacție, atunci interacțiunea are loc pe suprafața sa, deci concentrația substanței solide se presupune a fi constantă și nu este scrisă în expresia constantei de echilibru.

CO 2 (gaz) + C (solid) ⇆ 2 CO (gaz)

CaCO 3 (solid) ⇆ CaO (solid) + CO 2 (gaz) K = C (CO 2)

Ca 3 (PO 4) 2 (solid) ⇆ 3Ca 2+ (soluție) + 2PO 4 3– (soluție) K = C 3 (Ca 2+) C 2 (PO 4 3–)