Kvantitatívna charakteristika ukazujúca smer reakcie a posun koncentrácie látok sa nazýva rovnovážna konštanta chemickej reakcie. Rovnovážna konštanta závisí od teploty a povahy činidiel.
Reverzibilné a nezvratné reakcie
Všetky reakcie možno rozdeliť do dvoch typov:
- reverzibilné tečie súčasne v dvoch vzájomne opačných smeroch;
- nezvratné, prúdiaci v jednom smere s úplnou spotrebou aspoň jednej východiskovej látky.
Ireverzibilné reakcie zvyčajne produkujú nerozpustné látky vo forme zrazeniny alebo plynu. Takéto reakcie zahŕňajú:
- spaľovanie:
C2H5OH + 302 -> 2C02 + H20;
- rozklad:
2KMn04 -> K2Mn04 + Mn02 + H20;
- v súvislosti s tvorbou sedimentu alebo plynu:
BaCl2 + Na2S04 → BaS04↓ + 2NaCl.
Ryža. 1. Tvorba zrazeniny BaSO 4.
Reverzibilné reakcie sú možné len za určitých konštantných podmienok. Pôvodné látky dávajú vznik novej látke, ktorá sa okamžite rozpadne na jednotlivé časti a znovu sa zloží. Napríklad v dôsledku reakcie 2NO + O 2 ↔ 2NO 2 sa oxid dusnatý (IV) ľahko rozkladá na oxid dusnatý (II) a kyslík.
Rovnováha
Po určitom čase rýchlosť reverzibilná reakcia spomaluje. Dosahuje sa chemická rovnováha - stav, v ktorom nedochádza k žiadnej zmene koncentrácie východiskových látok a reakčných produktov v priebehu času, pretože rýchlosti priamych a spätných reakcií sú vyrovnané. Rovnováha je možná len v homogénnych systémoch, to znamená, že všetky reagujúce látky sú buď kvapaliny alebo plyny.
Uvažujme o chemickej rovnováhe na príklade reakcie vodíka s jódom:
- priama reakcia -
H2+I2↔2HI;
- odpor -
2HI ↔ H2 + I2.
Len čo sa zmiešajú dve činidlá - vodík a jód - jodovodík ešte neexistuje, pretože jednoduché látky iba reagujú. Veľké množstvo východiskové látky medzi sebou aktívne reagujú, takže rýchlosť priamej reakcie bude maximálna. V tomto prípade nedochádza k spätnej reakcii a jej rýchlosť je nulová.
Rýchlosť doprednej reakcie možno vyjadriť graficky:
ν pr = k pr ∙ ∙ ,
kde k pr je rýchlostná konštanta priamej reakcie.
Postupom času sa činidlá spotrebúvajú a ich koncentrácia klesá. V súlade s tým sa rýchlosť doprednej reakcie znižuje. Zároveň sa zvyšuje koncentrácia novej látky, jodovodíka. Keď sa nahromadí, začne sa rozkladať a rýchlosť spätnej reakcie sa zvyšuje. Dá sa vyjadriť ako
ν arr = k arr ∙ 2 .
Na druhú druhú mocnidu, pretože koeficient molekuly je dva.
V určitom bode sa rýchlosť doprednej a spätnej reakcie vyrovná. Prichádza štát chemická rovnováha.
Ryža. 2. Graf závislosti rýchlosti reakcie od času.
Rovnováha môže byť posunutá buď smerom k východiskovým materiálom, alebo k reakčným produktom. Posun pod vplyvom vonkajšie faktory nazývaný Le Chatelierov princíp. Rovnováhu ovplyvňuje teplota, tlak a koncentrácia jednej z látok.
Konštantný výpočet
V rovnovážnom stave dochádza k obom reakciám, zároveň sú však koncentrácie látok v rovnováhe (vznikajú rovnovážne koncentrácie), keďže rýchlosti sú vyrovnané (ν pr = ν arr).
Chemická rovnováha je charakterizovaná chemickou rovnovážnou konštantou, ktorá je vyjadrená súhrnným vzorcom:
K p = k pr / k arr = konšt.
Konštanty reakčnej rýchlosti môžu byť vyjadrené ako pomer rýchlosti reakcie. Zoberme si podmienenú rovnicu reverznej reakcie:
aA + bB ↔ cC + dD.
Potom budú rýchlosti priamych a spätných reakcií rovnaké:
- ν pr = k pr ∙ [A] p a ∙ [B] p b
- ν arr = k arr ∙ [C] p c ∙ [D] p d .
V súlade s tým, ak
ν pr = ν arr,
k pr ∙ [A] p a ∙ [B] p b = k arr ∙ [C] p c ∙ [D] p d .
Odtiaľ môžeme vyjadriť vzťah konštánt:
k arr / k pr = [C] p c ∙ [D] p d / [A] p a ∙ [B] p b .
Tento pomer sa rovná rovnovážnej konštante:
Kp = [C] p c ∙ [D] p d / [A] p a ∙ [B] p b .
Ryža. 3. Vzorec pre rovnovážnu konštantu.
Hodnota ukazuje, koľkokrát je rýchlosť priamej reakcie väčšia ako rýchlosť spätnej reakcie.
Čo sme sa naučili?
V závislosti od finálnych produktov sa reakcie delia na reverzibilné a ireverzibilné. Reverzibilné reakcie prebiehajú oboma smermi: východiskové látky tvoria konečné produkty, ktoré sa rozkladajú na východiskové látky. Počas reakcie sú rýchlosti priamych a spätných reakcií vyrovnané. Tento stav sa nazýva chemická rovnováha. Dá sa vyjadriť ako pomer súčinu rovnovážnych koncentrácií produktov reakcie k súčinu rovnovážnych koncentrácií východiskových látok.
Test na danú tému
Vyhodnotenie správy
Priemerné hodnotenie: 4.8. Celkový počet získaných hodnotení: 64.
Koncept chemickej rovnováhy
Za rovnovážny stav sa považuje stav sústavy, ktorý zostáva nezmenený, pričom tento stav nie je spôsobený pôsobením žiadnych vonkajších síl. Stav systému reagujúcich látok, v ktorom sa rýchlosť priamej reakcie rovná rýchlosti spätnej reakcie, sa nazýva chemická rovnováha. Táto rovnováha sa nazýva aj mobilné m alebo dynamický rovnováhu.
Známky chemickej rovnováhy
1. Stav systému zostáva po uložení nezmenený vonkajšie podmienky.
2. Rovnováha je dynamická, to znamená, že je spôsobená výskytom priamych a spätných reakcií pri rovnakých rýchlostiach.
3. Akýkoľvek vonkajší vplyv spôsobuje zmenu rovnováhy systému; ak sa vonkajší vplyv odstráni, systém sa vráti do pôvodného stavu.
4. K rovnovážnemu stavu možno pristupovať z dvoch strán – ako zo strany východiskových látok, tak aj zo strany produktov reakcie.
5. V rovnovážnom stave Gibbsova energia dosahuje svoju minimálnu hodnotu.
Le Chatelierov princíp
Zisťuje sa vplyv zmien vonkajších podmienok na rovnovážnu polohu Le Chatelierov princíp (princíp pohyblivej rovnováhy): Ak sa na systém v rovnovážnom stave aplikuje akýkoľvek vonkajší vplyv, potom sa v systéme posilní ten smer procesu, ktorý oslabuje účinok tohto vplyvu, a rovnovážna poloha sa posunie rovnakým smerom.
Le Chatelierov princíp platí nielen pre chemické procesy, ale aj fyzikálne, ako je varenie, kryštalizácia, rozpúšťanie atď.
Uvažujme vplyv rôznych faktorov na chemickú rovnováhu na príklade oxidačnej reakcie NO:
2 NO (g) + O 2(g) 2 NO 2(g); H o 298 = - 113,4 kJ/mol.
Vplyv teploty na chemickú rovnováhu
So zvyšujúcou sa teplotou sa rovnováha posúva smerom k endotermickej reakcii a pri znižovaní teploty smerom k exotermickej reakcii.
Stupeň posunu rovnováhy je určený absolútnou hodnotou tepelný efekt: čím väčšia je absolútna hodnota entalpie reakcie H, tým väčší je vplyv teploty na rovnovážny stav.
V uvažovanej reakcii na syntézu oxidu dusnatého (IV ) zvýšenie teploty posunie rovnováhu smerom k východiskovým látkam.
Vplyv tlaku na chemickú rovnováhu
Kompresia posúva rovnováhu v smere procesu, ktorý je sprevádzaný zmenšovaním objemu plynných látok a pokles tlaku posúva rovnováhu v opačnom smere. V uvažovanom príklade sú tri zväzky na ľavej strane rovnice a dva na pravej strane. Keďže zvýšenie tlaku uprednostňuje proces, ktorý nastáva pri zmenšovaní objemu, potom so zvýšením tlaku sa rovnováha posunie doprava, t.j. smerom k reakčnému produktu – NO 2 . Zníženie tlaku posunie rovnováhu do opačná strana. Treba poznamenať, že ak je v rovnici reverzibilnej reakcie počet molekúl plynných látok na pravej a ľavej strane rovnaký, potom zmena tlaku neovplyvní rovnovážnu polohu.
Vplyv koncentrácie na chemickú rovnováhu
Pre uvažovanú reakciu zavedenie ďalších množstiev NO alebo O2 do rovnovážneho systému spôsobuje posun v rovnováhe v smere, v ktorom koncentrácia týchto látok klesá, preto dochádza k posunu rovnováhy smerom k vzniku NIE 2 . Zvýšená koncentrácia NIE 2 posúva rovnováhu smerom k východiskovým látkam.
Katalyzátor rovnako urýchľuje dopredné aj spätné reakcie, a preto neovplyvňuje posun v chemickej rovnováhe.
Keď sa zavedie do rovnovážneho systému (pri P = konšt ) inertného plynu, koncentrácie činidiel (parciálne tlaky) klesajú. Od uvažovaného oxidačného procesu NIE ide s poklesom objemu, potom pri pridávaní
Chemická rovnovážna konštanta
Pre chemickú reakciu:
2 NO (g) + 02 (g)2NO 2(g)
chemická reakčná konštanta Kc je pomer:
(12.1)
V tejto rovnici sú v hranatých zátvorkách koncentrácie reagujúcich látok, ktoré sú stanovené v chemickej rovnováhe, t.j. rovnovážne koncentrácie látok.
Chemická rovnovážna konštanta súvisí so zmenou Gibbsovej energie rovnicou:
G T o = – RTlnK . (12.2).
Príklady riešenia problémov
Pri určitej teplote sú rovnovážne koncentrácie v systéme 2CO (g) + O 2(g)2CO 2 (g) boli: = 0,2 mol/l, = 0,32 mol/l, = 0,16 mol/l. Určte rovnovážnu konštantu pri tejto teplote a počiatočné koncentrácie CO a O 2 , ak pôvodná zmes neobsahovala CO 2 .
.
2CO (g) + 02(g)2CO 2(d).
V druhom riadku „prereagovať“ znamená koncentráciu zreagovaných východiskových látok a koncentráciu výsledného CO 2 , a, s počiatočným = s reagovať + s rovným .
Pomocou referenčných údajov vypočítajte rovnovážnu konštantu procesu3 H 2 (G) + N 2(G)2NH3(G) pri 298 K.
G298 o = 2·( - 16,71) kJ = -33,42 10 3 J.
G To = - RTlnK.
lnK = 33,42103/(8,314 x 298) = 13,489. K = 7,21 x 105.
Určte rovnovážnu koncentráciu HI v systémeH 2(g) + 12(g) 2HI (G),
ak je pri určitej teplote rovnovážna konštanta 4 a počiatočné koncentrácie H 2, I 2 a HI sú rovné 1, 2 a 0 mol/l.
Riešenie. Nechajte x mol/l H2 reagovať v určitom časovom okamihu.
.
Vyriešením tejto rovnice dostaneme x = 0,67.
To znamená, že rovnovážna koncentrácia HI je 2 × 0,67 = 1,34 mol/l.
Pomocou referenčných údajov určte teplotu, pri ktorej je rovnovážna konštanta procesu: H 2 (g) + HCOH (d)CH30H (d) sa rovná 1. Predpokladajme, že H o T » H o 298 a S o T "S o 298.Ak K = 1, potom G o T = - RTlnK = 0;
G o T » N asi 298 - T D S o 298 . Potom ;
N asi 298 = -202 – (- 115,9) = -86,1 kJ = - 86,1 x 103 J;
S o 298 = 239,7 – 218,7 – 130,52 = -109,52 J/K;
TO.
Riešenie. Nechajte x mol/l SO 2 reagovať v určitom časovom okamihu.
SO 2(G) + Cl2(G)S02Cl 2(G)
Potom dostaneme:
.
Pri riešení tejto rovnice zistíme: x 1 = 3 a x 2 = 1,25. Ale x 1 = 3 nespĺňa podmienky úlohy.
Preto = 1,25 + 1 = 2,25 mol/l.
Problémy riešiť samostatne
12.1. V ktorej z nasledujúcich reakcií zvýšenie tlaku posunie rovnováhu doprava? Odpoveď zdôvodnite.
1) 2 NH 3 (g) 3H2 (g) + N 2 (g)
2) ZnCO 3 (k) ZnO (k) + CO 2 (g)
3) 2HBr (g) H2 (g) + Br 2 (š)
4) CO2 (g) + C (grafit) 2CO (g)
12.2.Pri určitej teplote sú v systéme rovnovážne koncentrácie
2HBr (g) H2 (g) + Br 2 (g)
boli: = 0,3 mol/l, = 0,6 mol/l, = 0,6 mol/l. Určte rovnovážnu konštantu a počiatočnú koncentráciu HBr.
12.3.Pre reakciu H2(g)+S (d) H2S (d) pri určitej teplote je rovnovážna konštanta 2. Určte rovnovážne koncentrácie H 2 a S, ak sú počiatočné koncentrácie H 2, S a H2 S sa rovnajú 2, 3 a 0 mol/l.
Štátna vzdelávacia inštitúcia vyššieho odborného vzdelávania "Uralská štátna technická univerzita - UPI"
Stanovenie chemických rovnovážnych konštánt
reakcie a výpočet chemickej rovnováhy
v kurze fyzikálnej chémie
pre študentov denného štúdia
Jekaterinburg 2007
UDC 544(076)S79
Skomplikovaný
Vedecký redaktor, kandidát chemických vied, docent
Stanovenie rovnovážnych konštánt chemických reakcií a výpočet chemickej rovnováhy: metodické pokyny k laboratórnej práci č.4 v rámci predmetu fyzikálna chémia /pop. - Jekaterinburg: Štátna vzdelávacia inštitúcia vyššieho odborného vzdelávania USTU-UPI, 20 s.
Pokyny sú určené na dodatočné hĺbkové štúdium materiálu o chemickej rovnováhe v rámci výpočtových a analytických laboratórnych prác. Obsahuje 15 možností pre jednotlivé úlohy, čo prispieva k dosiahnutiu cieľa.
Bibliografia: 5 titulov. Ryža. Tabuľka
© Štátna vzdelávacia inštitúcia vyššieho odborného vzdelávania "Uralský štát
Technická univerzita- UPI", 2007
Úvod
Táto práca, hoci sa vykonáva v rámci laboratórneho workshopu, sa týka výpočtovej a analytickej práce a pozostáva zo zvládnutia teoretického materiálu a riešenia množstva problémov na tému kurzu fyzikálnej chémie „Chemická rovnováha“.
Jej potreba je spôsobená na jednej strane zložitosťou tejto témy a na druhej strane nedostatočným množstvom vyučovacieho času vyčleneného na jej štúdium.
Hlavná časť témy „Chemická rovnováha“: odvodenie zákona o chemickej rovnováhe, úvaha o rovnici izobary a izoterme chemickej reakcie atď. je prezentovaná na prednáškach a študovaná na praktické cvičenia(preto sa tento materiál v tejto práci neuvádza). Táto príručka podrobne rozoberá časť témy týkajúcu sa experimentálneho určovania rovnovážnych konštánt a určovania rovnovážneho zloženia systému, v ktorom prebieha chemická reakcia.
Dokončenie tejto práce im teda umožní vyriešiť nasledujúce úlohy:
1) zoznámiť sa s metódami určovania a výpočtu rovnovážnych konštánt chemických reakcií;
2) naučiť sa vypočítať rovnovážne zloženie zmesi na základe širokej škály experimentálnych údajov.
1. TEORETICKÉ INFORMÁCIE O METÓDACH
STANOVENIE ROVNOVÁHANÝCH KONŠTANT CHEMICKÝCH REAKCIÍ
V krátkosti sa zastavíme pri základných pojmoch použitých nižšie. Rovnovážna konštanta chemickej reakcie je množstvo
https://pandia.ru/text/78/005/images/image002_169.gif" width="51" height="29"> - štandardná molárna Gibbsova energia reakcie r.
Rovnica (1) je definujúca rovnica pre rovnovážnu konštantu chemickej reakcie. Treba si uvedomiť, že rovnovážna konštanta chemickej reakcie je bezrozmerná veličina.
Zákon chemickej rovnováhy je napísaný nasledovne
, (2)
kde https://pandia.ru/text/78/005/images/image005_99.gif" width="23" height="25">- aktivita k- účastník reakcie; - rozmer činnosti; stechiometrický koeficient k- účastník reakcie r.
Experimentálne stanovenie rovnovážnych konštánt je pomerne náročná úloha. Najprv si musíte byť istí, že pri danej teplote bola dosiahnutá rovnováha, to znamená, že zloženie reakčnej zmesi zodpovedá rovnovážnemu stavu - stavu s minimálnou Gibbsovou energiou, nulovou reakčnou afinitou a rovnosťou rýchlostí dopredné a spätné reakcie. V rovnováhe budú tlak, teplota a zloženie reakčnej zmesi konštantné.
Na prvý pohľad sa zdá, že zloženie rovnovážnej zmesi možno určiť pomocou metód kvantitatívna analýza s charakteristickými chemickými reakciami. Zavedenie cudzieho činidla, ktoré viaže jednu zo zložiek chemického procesu, však posúva (t. j. mení) rovnovážny stav systému. Táto metóda sa môže použiť len vtedy, ak je rýchlosť reakcie dostatočne pomalá. Preto sa veľmi často pri štúdiu rovnováhy používajú aj rôzne fyzikálne metódy na určenie zloženia sústavy.
1.1 Chemické metódy
Existujú statické chemické metódy a dynamické chemické metódy. Uvažujme konkrétne príklady, uvedené v .
1.1.1 Statické metódy.
Statické metódy zahŕňajú umiestnenie reakčnej zmesi do reaktora pri konštantnej teplote a potom stanovenie zloženia systému, keď sa dosiahne rovnováha. Sledovaná reakcia musí byť dostatočne pomalá, aby zavedenie cudzieho činidla prakticky nenarušilo rovnovážny stav. Na spomalenie procesu môžete reakčnú banku pomerne rýchlo ochladiť. Klasickým príkladom takéhoto výskumu je reakcia medzi jódom a vodíkom
H2(g) + I2(g) = 2HI (g) (3)
Lemoyne umiestnil buď zmes jódu a vodíka alebo jodovodíka do sklenených valcov. Pri 200 oC reakcia prakticky neprebieha; pri 265 °C je trvanie rovnováhy niekoľko mesiacov; pri 350 °C sa rovnováha nastolí v priebehu niekoľkých dní; pri 440 °C - niekoľko hodín. V tejto súvislosti bol na štúdium tohto procesu zvolený teplotný rozsah 300 – 400 oC. Systém bol analyzovaný nasledovne. Reakčný balónik sa rýchlo ochladil spustením do vody, potom sa otvoril kohútik a vo vode sa rozpustil jodovodík. Množstvo kyseliny jodovodíkovej sa stanovilo titráciou. Pri každej teplote sa experiment uskutočňoval, až kým koncentrácia nedosiahla konštantnú hodnotu, čo naznačuje vytvorenie chemickej rovnováhy v systéme.
1.1.2 Dynamické metódy.
Dynamické metódy pozostávajú z nepretržitej cirkulácie plynnej zmesi a jej rýchleho ochladzovania na následnú analýzu. Tieto metódy sú najvhodnejšie pre pomerne rýchle reakcie. Spravidla urýchľujú reakcie alebo ich realizujú, keď zvýšené teploty alebo zavedenie katalyzátora do systému. Dynamická metóda bola použitá najmä pri analýze nasledujúcich reakcií plynov:
2H2 + O2 ⇄ 2H20. (4)
2CO + O2 ⇄ 2CO2. (5)
2SO2 + O2 ⇄ 2SO
3H2 + N2 ⇄ 2NH
1.2 Fyzikálne metódy
Tieto metódy sú založené predovšetkým na meraní tlaku alebo hmotnostnej hustoty reakčnej zmesi, hoci je možné použiť aj iné vlastnosti systému.
1.2.1 Meranie tlaku
Každá reakcia, ktorá je sprevádzaná zmenou počtu mólov plynných reaktantov, je sprevádzaná zmenou tlaku pri konštantnom objeme. Ak sú plyny blízko ideálu, potom je tlak priamo úmerný celkový počet mólov plynných reaktantov.
Ako ilustráciu uvažujme nasledujúcu reakciu plynu, zapísanú na molekulu východiskovej látky
Počet krtkov
v počiatočnom momente 0 0
v rovnováhe
kde https://pandia.ru/text/78/005/images/image016_35.gif" width="245" height="25 src=">, (9)
kde https://pandia.ru/text/78/005/images/image018_30.gif" width="20" height="21 src=">.gif" width="91" height="31">.
Medzi týmito tlakmi sú vzťahy:
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)
Rovnovážna konštanta, vyjadrená v p-škále, bude
. (14)
Následne meraním rovnovážneho tlaku možno určiť stupeň disociácie pomocou vzorca (13) a potom možno vypočítať rovnovážnu konštantu pomocou vzorca (14).
1.2.2 Meranie hustoty hmotnosti
Každá reakcia, ktorá je sprevádzaná zmenou počtu mólov plynných účastníkov procesu, je charakterizovaná zmenou hustoty hmoty pri konštantnom tlaku.
Napríklad pre reakciu (8) je to pravda
, (15)
kde https://pandia.ru/text/78/005/images/image028_20.gif" width="16" height="19"> je objem systému v rovnovážnom stave. Spravidla v reálnom pri experimentoch sa nemeria objem, ale hustota hmoty sústavy, ktorá je nepriamo úmerná objemu..gif" width="37 height=21" height="21"> - hustota hmotnosti sústavy v počiatočnom momente a v momente rovnováhy, resp. Meraním hustoty hmoty systému môžeme použiť vzorec (16) na výpočet stupňa disociácie a potom rovnovážnej konštanty.
1.2.3 Priame meranie parciálneho tlaku
Najpriamejším spôsobom určenia rovnovážnej konštanty chemickej reakcie je meranie parciálnych tlakov každého účastníka procesu. Vo všeobecnosti je táto metóda v praxi veľmi ťažko aplikovateľná, najčastejšie sa používa len pri analýze zmesí plynov s obsahom vodíka. V tomto prípade sa využíva vlastnosť kovov platinovej skupiny, že pri vysokých teplotách sú priepustné pre vodík. Predhriata plynná zmes sa vedie pri konštantnej teplote cez valec 1, ktorý obsahuje prázdnu irídiovú nádrž 2 spojenú s tlakomerom 3 (obr. 1). Vodík je jediný plyn, ktorý môže prechádzať stenami irídiovej nádrže.
Zostáva teda zmerať celkový tlak plynnej zmesi a parciálny tlak vodíka, aby sa vypočítala rovnovážna konštanta reakcie. Táto metóda umožnila Lowensteinovi a Wartenbergovi (1906) študovať disociáciu vody, HCl, HBr, HI a H2S, ako aj reakcie ako:
https://pandia.ru/text/78/005/images/image033_14.gif" width="89 height=23" height="23">. (17)
1.2.4 Optické metódy
Existujú rovnovážne testovacie metódy založené na adsorpčných meraniach, ktoré sú obzvlášť účinné v prípade farebných plynov. Zloženie binárnej zmesi plynov je možné určiť aj meraním indexu lomu (refraktometricky). Napríklad Chadron (1921) študoval redukciu oxidov kovov oxidom uhoľnatým refraktometrickým meraním zloženia plynnej zmesi oxidu uhoľnatého a oxidu uhličitého.
1.2.5 Meranie tepelnej vodivosti
Táto metóda bola použitá na štúdium disociačných reakcií v plynnej fáze, napr.
Predpokladajme, že zmes N2O4 a NO2 je umiestnená v nádobe, ktorej pravá stena má teplotu T2 a ľavá stena T1 a T2>T1 (obr. 2). Disociácia N2O4 bude väčšia v tej časti nádoby, ktorá má vyššiu teplotu. V dôsledku toho bude koncentrácia NO2 na pravej strane nádoby väčšia ako na ľavej a bude pozorovaná difúzia molekúl NO2 sprava doľava a N2O4 zľava doprava. Po dosiahnutí pravej strany reakčnej nádoby sa však molekuly N2O4 opäť disociujú, absorbujú energiu vo forme tepla a molekuly NO2, ktoré sa dostanú na ľavú stranu nádoby, dimerizujú a uvoľňujú energiu vo forme tepla. To znamená, že dochádza k superpozícii bežnej tepelnej vodivosti a tepelnej vodivosti spojenej s výskytom disociačnej reakcie. Tento problém je kvantitatívne vyriešený a umožňuje určiť zloženie rovnovážnej zmesi.
1.2.6 Meranie elektromotorickej sily (EMF) galvanického článku
Meranie EMF galvanických článkov je jednoduché a presná metóda výpočty termodynamických funkcií chemických reakcií. Je len potrebné 1) skonštruovať galvanický článok tak, aby sa konečná reakcia v ňom zhodovala so skúmanou, ktorej rovnovážnu konštantu treba určiť; 2) meranie EMF galvanického článku v termodynamicky rovnovážnom procese. Na tento účel je potrebné, aby príslušný proces generovania prúdu prebiehal nekonečne pomaly, to znamená, že prvok pracuje pri nekonečne malej sile prúdu, a preto sa na meranie EMF galvanického článku používa kompenzačná metóda, ktorý je založený na skutočnosti, že skúmaný galvanický článok je zapojený do série proti vonkajšiemu rozdielu potenciálov , a ten bol vybraný tak, aby v obvode nebol žiadny prúd. Veľkosť EMF nameraná kompenzačnou metódou zodpovedá termodynamicky rovnovážnemu procesu vyskytujúcemu sa v prvku a užitočná práca proces je maximálny a rovná sa poklesu Gibbsovej energie
https://pandia.ru/text/78/005/images/image035_12.gif" width="181" height="29 src="> (20)
pri p, T=konšt., kde F-Faradayovo číslo = 96500 C/mol, n- najmenší spoločný násobok počtu elektrónov zúčastňujúcich sa elektródových reakcií, Eo– štandardné EMF, V.
Hodnotu rovnovážnej konštanty zistíme zo vzťahu (21)
(21)
2. PRÍKLAD LABORATÓRNEJ PRÁCE NA URČENÍ HODNOTY ROVNOVÁŽNEJ KONŠTANTY
S laboratórnymi prácami na štúdiu disociačnej reakcie uhličitanov kovov sa často stretávame v dielňach fyzikálnej chémie. Dajme si zhrnutie podobná práca.
Cieľ práce – stanovenie rovnovážnej konštanty a výpočet hlavných termodynamických veličín rozkladnej reakcie uhličitanu.
Uhličitan vápenatý https://pandia.ru/text/78/005/images/image038_12.gif" width="192" height="29"> , (22)
tým vzniká plynný oxid uhoľnatý (IV), pevný oxid vápenatý a určitá časť nedisociovaného uhličitanu vápenatého zostáva.
Rovnovážnu konštantu reakcie (22) zapíšeme ako:
, (23)
kde https://pandia.ru/text/78/005/images/image041_11.gif" width="68" height="51"> v všeobecný pohľad alebo ; Aktivity čistých pevných alebo kvapalných fáz sa rovnajú https://pandia.ru/text/78/005/images/image044_10.gif" width="76" height="28 src=">.
Ak sa tlak meria v atmosfére, potom = https://pandia.ru/text/78/005/images/image046_9.gif" width="87" height="53">. (24)
Rovnovážny tlak oxidu uhličitého nad uhličitanom vápenatým sa nazýva disociačný tlak CaCO3.
To znamená, že rovnovážna konštanta disociačnej reakcie uhličitanu vápenatého bude číselne rovná elasticite uhličitanovej disociácie, ak je táto vyjadrená v atmosférách. Experimentálnym stanovením elasticity disociácie uhličitanu vápenatého je teda možné určiť hodnotu rovnovážnej konštanty tejto reakcie.
experimentálna časť
Na stanovenie elasticity disociácie uhličitanu vápenatého sa používa statická metóda. Jeho podstata spočíva v priamom meraní tlaku pri danej teplote oxid uhličitý v inštalácii.
Vybavenie. Hlavné komponenty zariadenia sú: reakčná nádoba (1), vyrobená z tepelne odolného materiálu a umiestnená v elektrickej peci (2); ortuťový manometer (3), hermeticky spojený s reakčnou nádobou a cez kohútik (4) s ručnou vákuovou pumpou (5). Teplota v peci sa udržiava pomocou regulátora (6), teplota sa reguluje pomocou termočlánku (7) a voltmetra (8). Určité množstvo skúmanej práškovej látky (9) (uhličitany kovov) sa umiestni do reakčnej nádoby.
Zákazka. Po skontrolovaní tesnosti systému zapneme pec a pomocou regulátora nastavíme požadovanú počiatočnú teplotu reakčnej nádoby. Zaznamenajte prvé hodnoty termočlánku a tlakomera. Potom pomocou regulátora (6) zvýšte teplotu v peci o 10-20 stupňov, počkajte, kým sa nenastaví nová konštantná hodnota teploty a zaznamenajte hodnotu tlaku zodpovedajúcu tejto teplote. Postupným zvyšovaním teploty vykonajte aspoň 4-5 meraní. Po ukončení experimentu sa pec ochladí a systém sa pripojí k atmosfére cez ventil (4). Potom vypnite rúru a voltmeter. Po spracovaní získaných experimentálnych údajov je možné vypočítať rovnovážnu konštantu disociačnej reakcie.
Obr.3. Inštalácia na určenie elasticity disociácie
uhličitany kovov.
3. STANOVENIE ROVNOVÁHANÝCH KONŠTANT
BEZ VYKONANIA EXPERIMENTU
3.1 Výpočet rovnovážnej konštanty chemickej reakcie z
hodnota štandardnej molárnej Gibbsovej funkcie reakcie
Táto metóda vôbec nezahŕňa experimentovanie. Ak je známa štandardná molárna entalpia a entropia reakcie pri danej teplote, potom pomocou zodpovedajúcich rovníc možno vypočítať štandardnú molárnu Gibbsovu funkciu skúmanej reakcie pri požadovanej teplote a prostredníctvom nej hodnotu rovnovážnej konštanty.
Ak sú hodnoty štandardnej molárnej entropie a entalpie pri danej teplote neznáme, potom môžete použiť metódu Temkin a Shvartsman, to znamená z hodnoty štandardnej molárnej entalpie a entropie pri teplote 298 K a hodnôt z koeficientov teplotnej závislosti molárnej tepelnej kapacity reakcie vypočítajte štandardnú molárnu Gibbsovu energiu reakcie pri akejkoľvek teplote.
https://pandia.ru/text/78/005/images/image051_7.gif" width="137" height="25 src="> - referenčné koeficienty, ktoré nezávisia od povahy reakcie a sú určené len podľa teplotných hodnôt.
3.2 Metóda spájania rovnováh
Táto metóda sa používa v praktickej chemickej termodynamike. Napríklad rovnovážne konštanty dvoch reakcií boli experimentálne zistené pri rovnakej teplote
1. СH3OH(g) + CO ⇄ HCOOCH3(g) 
. (26)
2. H2 + 0,5 HCOOCH3(g) ⇄CH3OH(g) 
. (27)
Rovnovážna konštanta pre reakciu syntézy metanolu
3..gif" width="31" height="32"> a :
. (29)
3.3 Výpočet rovnovážnej konštanty chemickej reakcie pri určitej teplote podľa známe hodnoty rovnovážne konštanty tej istej reakcie pri dvoch ďalších teplotách
Táto metóda výpočtu je založená na riešení izobarovej rovnice chemickej reakcie (van't Hoffova izobara)
, (30)
kde https://pandia.ru/text/78/005/images/image060_3.gif" width="64" height="32">a vyzerá takto:
. (31)
Pomocou tejto rovnice, keď poznáte rovnovážne konštanty pri dvoch rôznych teplotách, môžete vypočítať štandardnú molárnu entalpiu reakcie a keď ju poznáte a rovnovážnu konštantu pri jednej teplote, môžete vypočítať rovnovážnu konštantu pri akejkoľvek inej teplote.
4. PRÍKLADY RIEŠENIA PROBLÉMOV
Nájdite rovnovážnu konštantu pre syntézu amoniaku y N2 + H2 ⇄ NH3, ak rovnovážny molárny zlomok amoniaku je 0,4 pri 1 atm a 600 K. Počiatočná zmes je stechiometrická, v počiatočnej zmesi nie je žiadny produkt.
Vzhľadom na to: Reakcia y N2 + H2 ⇄ NH3, 1 atm, 600 K. = 1,5 mol; = 0,5 mol; = 0 mol = 0,4 Nájdite: - ?
Riešenie
Z podmienok úlohy poznáme stechiometrickú rovnicu a tiež, že v počiatočnom okamihu sa počet mólov dusíka rovná stechiometrickému, to znamená 0,5 mol (https://pandia.ru/text /78/005/images/image069_3.gif" width="247" height="57 src=">
Zapíšme si reakciu, pod symbolmi prvkov uvádzame počiatočné a rovnovážne množstvá mólov látok
y N2 + H2 ⇄ NH3
0,5 - 0,5ξ 1,5 – 1,5 ξ ξ
Celkový počet mólov všetkých účastníkov reakcie v systéme v momente rovnováhy
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
Riešením priameho problému chemickej rovnováhy je výpočet rovnovážneho zloženia systému, v ktorom túto reakciu(niekoľko reakcií). Je zrejmé, že základom riešenia je zákon chemickej rovnováhy. Všetky premenné zahrnuté v tomto zákone je potrebné vyjadriť iba jednou z nich: napríklad hĺbkou chemickej reakcie, stupňom disociácie alebo niektorým rovnovážnym mólovým zlomkom. Je lepšie zvoliť, ktorá premenná je vhodná na použitie na základe konkrétnych podmienok problému.
Problém 2
Rovnovážna konštanta plynovej reakcie syntézy jodovodíka
H2 + I2 ⇄ 2HI pri teplote 600 K a tlaku vyjadrenom v atmosfére sa rovná Kr= 45,7. Nájdite rovnovážnu hĺbku tejto reakcie a rovnovážny výťažok produktu pri danej teplote a tlaku 1 atm, ak v počiatočnom okamihu zodpovedajú množstvá východiskových látok stechiometrickým hodnotám a na začiatku nie sú žiadne reakčné produkty. moment.
Dané Kr= 45.7. = 1 mol; https://pandia.ru/text/78/005/images/image081_1.gif" width="68" height="27 src="> krtek. Nájdite: - ? - ?
Riešenie
Zapíšme si samotnú reakciu a pod symboly prvkov počet mólov každého účastníka v počiatočnom momente a v okamihu dosiahnutia rovnováhy podľa vzorca (4)
1 - ξ 1 - ξ 2ξ
1 - ξ + 1 - ξ +2ξ = 2
Vyjadrime rovnovážne mólové zlomky a parciálne tlaky všetkých účastníkov reakcie prostredníctvom jedinej premennej - hĺbky chemickej reakcie
https://pandia.ru/text/78/005/images/image085_1.gif" width="144" height="47 src=">.
Zákon hromadného pôsobenia alebo zákon chemickej rovnováhy
https://pandia.ru/text/78/005/images/image082_1.gif" width="13" height="23 src=">= 0,772.
Problém 3
Jeho podmienka sa líši od úlohy 2 len tým, že počiatočné množstvá mólov vodíka a jódu sú rovné 3 a 2 mólom. Vypočítajte molárne zloženie rovnovážnej zmesi.
Dané: Možná reakcia: H2+I2= 2HI. 600 K, 1 atm. Kr = 45,7 .
3 mol; Krtko; Krtko. Nájdite: - ?.gif" width="32" height="27"> 1 1 0
3 - ξ 2 - ξ 2ξ
Celkový počet mólov všetkých účastníkov reakcie v momente rovnováhy sa rovná
3 - ξ + 2 - ξ +2ξ = 5
Rovnovážne mólové zlomky a parciálne tlaky všetkých účastníkov reakcie vyjadrené jednou premennou - hĺbkou chemickej reakcie
Nahradením parciálnych tlakov do zákona chemickej rovnováhy:
https://pandia.ru/text/78/005/images/image090_1.gif" width="13" height="21"> a vypočítajte rovnovážnu konštantu, potom vytvorte graf a určte z neho hĺbku reakcie ktorá zodpovedá zistenej hodnote rovnovážnej konštanty.
= 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
Ak chcete vykonať prácu, musíte vykonať nasledujúce úlohy
Cvičenie 1
1. Opíšte metódu experimentálneho stanovenia elasticity oxidu uhličitého pri štúdiu disociačnej reakcie CaCO3⇄CaO+CO2
(možnosti 1 – 15, tabuľka 3);
2. Napíšte zákon chemickej rovnováhy pre skúmanú reakciu; určte hodnoty rovnovážnych konštánt disociačnej reakcie uhličitanu vápenatého podľa experimentálnych údajov (tabuľka 3) pri rôznych teplotách; dokončite úlohy z časti B (podľa označenej možnosti) dokončite úlohy 1-3, s;
3. Napíšte definujúci výraz pre rovnovážnu konštantu a teoreticky vypočítajte rovnovážnu konštantu skúmanej reakcie pri poslednej teplote uvedenej v tabuľke.
Úloha 2
1. Pripravte si odpoveď na otázku 1 (možnosti 1-15, tabuľka 4)
2. Vyriešte úlohy 2 a 3.
Referenčné údaje potrebné na dokončenie práce
Hodnota pre výpočet štandardnej molárnej zmeny Gibbsovej energie pomocou Temkinovej a Shvartsmanovej metódy
stôl 1
Termodynamické údaje na výpočet štandardnej molárnej Gibbsovej energie
tabuľka 2
Experimentálne údaje pre úlohu 1
Tabuľka 3
Možnosť | Experimentálne údaje |
|||
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 |
Podmienky úloh na splnenie úlohy 2
Tabuľka 4
1 možnosť | 1. Povedzte nám o chemických metódach na určenie hodnôt chemických rovnovážnych konštánt. 2. Existuje zmes plynných látok A a B, ktoré môžu vstúpiť do chemickej reakcie za vzniku reakčného produktu C podľa stechiometrickej rovnice 0,5 A + 2B = C. V počiatočnom okamihu neexistuje žiadny reakčný produkt v systéme a východiskové látky sa odoberajú v stechiometrických množstvách. Po ustavení rovnováhy obsahuje rovnovážna zmes počet mólov produktu C rovný 0,4 a celkový tlak je 2 atm. Nájdite rovnovážnu konštantu na stupnici p. 3 . Pri 1273 K a celkovom tlaku 30 atm obsahuje rovnovážna zmes s predpokladanou reakciou CO2 (g) + C (s) = 2CO (g) 17 % (obj.) CO2. Koľko percent CO2 bude obsiahnuté v plyne pri celkovom tlaku 20 atm?. Pri akom tlaku bude plyn obsahovať 25 % CO2? |
Možnosť 2 | 1 . Povedz nám o fyzikálna metóda stanovenie hodnoty chemickej rovnovážnej konštanty meraním tlaku. 2. Existuje zmes plynných látok A a B, ktoré môžu vstúpiť do chemickej reakcie za vzniku reakčného produktu C podľa stechiometrickej rovnice 2A + B = C. V počiatočnom okamihu nie je žiadny reakčný produkt v systému a východiskové látky sa odoberajú v stechiometrických množstvách. Po ustavení rovnováhy obsahuje rovnovážna zmes počet mólov produktu C rovný 0,5 a celkový tlak je 2 atm. Nájdite rovnovážnu konštantu na stupnici p. 3 . Pri 2000 °C a celkovom tlaku 1 atm sa 2 % vody disociuje na vodík a kyslík podľa reakcie H2O(g) = H2(g) + 0,5 O2(g). Vypočítajte rovnovážnu konštantu reakcie za týchto podmienok. |
Možnosť 3 | 1 . Opíšte metódu určenia hodnoty rovnovážnej konštanty z meraní hustoty. K akým metódam patrí táto metóda? 2. Existuje zmes plynných látok A a B, ktoré môžu vstúpiť do chemickej reakcie za vzniku reakčného produktu C podľa stechiometrickej rovnice A + 2B = C. V počiatočnom okamihu nie je žiadny reakčný produkt v systému a východiskové látky sa odoberajú v stechiometrických množstvách. Po ustavení rovnováhy obsahuje rovnovážna zmes počet mólov produktu C rovný 0,6 a celkový tlak je 2 atm. Nájdite rovnovážnu konštantu na stupnici p. 3 . Rovnovážna konštanta reakcie CO(g) + H2O(g) = H2(g) + CO2(g) pri 500 oC je 5,5 ([p]=1 atm). Zmes pozostávajúca z 1 mol CO a 5 mol H20 sa zahriala na túto teplotu. Vypočítajte molárny podiel vody v rovnovážnej zmesi. |
Možnosť 4 | 1 . Opíšte metódu určenia hodnoty rovnovážnej konštanty pomocou priame meraniečiastočný tlak. 2. Existuje zmes plynných látok A a B, ktoré môžu vstúpiť do chemickej reakcie za vzniku reakčného produktu C podľa stechiometrickej rovnice 0,5 A + B = C. V počiatočnom okamihu neexistuje žiadny reakčný produkt v systéme a východiskové látky sa odoberajú v stechiometrických množstvách. Po ustavení rovnováhy obsahuje rovnovážna zmes počet mólov produktu C rovný 0,3 a celkový tlak sa rovná 1,5 atm. Nájdite rovnovážnu konštantu na stupnici p. 3 Rovnovážna konštanta reakcie N2O4(g) = 2NO2(g) pri 25 °C je rovná 0,143 ([p]=1 atm). Vypočítajte tlak, ktorý vznikne v 1-litrovej nádobe s obsahom 1 g N2O4 pri tejto teplote. |
Možnosť 5 | 1 . Ako môžete určiť hodnotu rovnovážnej konštanty reakcie bez toho, aby ste sa uchýlili k experimentu. 2. Existuje zmes plynných látok A a B, ktoré môžu vstúpiť do chemickej reakcie za vzniku reakčného produktu C, podľa stechiometrickej rovnice 0,5 A + 3B = C. V počiatočnom okamihu nie je žiadny reakčný produkt v systému a východiskové látky sa odoberajú v stechiometrických množstvách. Po ustavení rovnováhy obsahuje rovnovážna zmes počet mólov produktu C rovný 0,3 a celkový tlak je 2 atm. Nájdite rovnovážnu konštantu na stupnici p. 3 . 3-litrová nádoba obsahujúca 1,79.10-2 mol I2 sa zahriala na 973 K. Tlak v nádobe pri rovnováhe bol 0,49 atm. Za predpokladu, že plyny sú ideálne, vypočítajte pre reakciu rovnovážnu konštantu pri 973 K 12(g) = 2I(g). |
Možnosť 6 | 1. Použitie rovnice reakčnej izobary na určenie hodnoty chemickej rovnovážnej konštanty pri predtým neskúmanej teplote. 2. Existuje zmes plynných látok A a B, ktoré môžu vstúpiť do chemickej reakcie za vzniku reakčného produktu C podľa stechiometrickej rovnice 3A + B = C. V počiatočnom okamihu nie je žiadny reakčný produkt v systému a východiskové látky sa odoberajú v stechiometrických množstvách. Po ustavení rovnováhy obsahuje rovnovážna zmes počet mólov produktu C rovný 0,4 a celkový tlak je 2 atm. Nájdite rovnovážnu konštantu na stupnici p. 3 . Pre reakciu PCl5(g) = PCl3(g) + Cl2(g) pri 250 °C je štandardná molárna zmena Gibbsovej energie = -2508 J/mol. Pri akom celkovom tlaku bude stupeň premeny PCl5 na PCl3 a Cl2 30 % pri 250 °C? |
Možnosť 7 | 1. Systém, v ktorom prebieha endotermická reakcia v plynnej fáze, reakcia A+3B=2C, je v rovnováhe pri 400 K a 5 atm. Ak sú plyny ideálne, ako potom pridanie inertného plynu pri konštantnom objeme ovplyvní výťažok produktu? 2. Existuje zmes plynných látok A a B, ktoré môžu chemicky reagovať za vzniku reakčného produktu C, podľa stechiometrickej rovnice 2A + B = 2C. V počiatočnom okamihu nie je v systéme žiadny reakčný produkt a východiskové látky sa odoberajú v stechiometrických množstvách. Po ustavení rovnováhy obsahuje rovnovážna zmes počet mólov produktu C rovný 0,3 a celkový tlak je 2 atm. Nájdite rovnovážnu konštantu na stupnici p. 3 . Pre reakciu 2HI(g) = H2 + I2(g) rovnovážna konštanta Kp= 0,0183 ([p]=1 atm) pri 698,6 K. Koľko gramov HI vznikne, keď sa 10 g I2 a 0,2 g H2 zahreje na túto teplotu v trojlitrovej nádobe? Aké sú parciálne tlaky H2, I2 a HI? |
Možnosť 8 | 1. Systém, v ktorom prebieha endotermická reakcia v plynnej fáze, reakcia A+3B=2C, je v rovnováhe pri 400 K a 5 atm. Ak sú plyny ideálne, ako potom zvýšenie teploty ovplyvní výťažnosť produktu? 2. Existuje zmes plynných látok A a B, ktoré môžu chemicky reagovať za vzniku reakčného produktu C, podľa stechiometrickej rovnice 0,5A + 2B = 2C. V počiatočnom okamihu nie je v systéme žiadny reakčný produkt a východiskové látky sa odoberajú v stechiometrických množstvách. Po ustavení rovnováhy obsahuje rovnovážna zmes počet mólov produktu C rovný 0,3 a celkový tlak je 2 atm. Nájdite rovnovážnu konštantu na stupnici p. 3 . 1-litrová nádoba obsahujúca 0,341 mol PCl5 a 0,233 mol N2 sa zahriala na 250 °C. Celkový tlak v nádobe pri rovnováhe bol 29,33 atm. Za predpokladu, že všetky plyny sú ideálne, vypočítajte rovnovážnu konštantu pri 250 °C pre reakciu PCl5(g) = PCl3(g) + Cl2(g), ktorá prebieha v nádobe. |
Možnosť 9 | 1 . Systém, v ktorom prebieha endotermická reakcia v plynnej fáze, reakcia A+3B=2C, je v rovnováhe pri 400 K a 5 atm. Ak sú plyny ideálne, ako potom zvýšenie tlaku ovplyvní výťažok produktu? 2. Existuje zmes plynných látok A a B, ktoré môžu chemicky reagovať za vzniku reakčného produktu C, podľa stechiometrickej rovnice 0,5A + B = 2C. V počiatočnom okamihu nie je v systéme žiadny reakčný produkt a východiskové látky sa odoberajú v stechiometrických množstvách. Po ustavení rovnováhy obsahuje rovnovážna zmes počet mólov produktu C rovný 0,5 a celkový tlak je 2 atm. Nájdite rovnovážnu konštantu na stupnici p. 3 . Rovnovážna konštanta reakcie CO(g) + 2H2 = CH3OH(g) pri 500 K sa rovná Kr= 0,00609 ([p] = 1 atm). Vypočítajte celkový tlak potrebný na výrobu metanolu s výťažkom 90 %, ak sa CO a H2 odoberú v pomere 1:2. |
Možnosť 10 | 1. Opíšte metódu stanovenia rovnovážnych konštánt meraním parciálneho tlaku. 2. Existuje zmes plynných látok A a B, ktoré môžu chemicky reagovať za vzniku reakčného produktu C, podľa stechiometrickej rovnice 0,5A + 1,5B = 2C. V počiatočnom okamihu nie je v systéme žiadny reakčný produkt a východiskové látky sa odoberajú v stechiometrických množstvách. Po ustavení rovnováhy obsahuje rovnovážna zmes počet mólov produktu C rovný 0,4 a celkový tlak je 2 atm. Nájdite rovnovážnu konštantu na stupnici p. 3 . Rovnováha v reakcii 2NOCl (g) = 2NO (g) + Cl2 (g) sa nastaví pri 227 °C a celkovom tlaku 1,0 bar, keď parciálny tlak NOCl je 0,64 bar (na začiatku bol prítomný iba NOCl). Vypočítajte túto reakciu pri danej teplote. |
Možnosť 11 | 1 . Popíšte chemické metódy na určenie rovnovážnych konštánt. 2. Existuje zmes plynných látok A a B, ktoré môžu chemicky reagovať za vzniku reakčného produktu C, podľa stechiometrickej rovnice 2A + 0,5B = 2C. V počiatočnom okamihu nie je v systéme žiadny reakčný produkt a východiskové látky sa odoberajú v stechiometrických množstvách. Po ustavení rovnováhy obsahuje rovnovážna zmes počet mólov produktu C rovný 0,2 a celkový tlak je 2 atm. Nájdite rovnovážnu konštantu na stupnici p. 3 . Vypočítajte celkový tlak, ktorý sa musí použiť na zmes 3 dielov H2 a 1 dielu N2, aby sa získala rovnovážna zmes obsahujúca 10 % objemových NH3 pri 400 °C. Rovnovážna konštanta pre reakciu N2(g) + 3 H2(g)= 2NH3(g) pri 400 oC a vyjadrenie tlaku v atm sa rovná 1,6·10-4. |
Možnosť 12 | 1 . Systém, v ktorom prebieha endotermická reakcia v plynnej fáze, reakcia A+3B=2C, je v rovnováhe pri 400 K a 5 atm. Ak sú plyny ideálne, ako potom pokles tlaku ovplyvní výťažnosť produktu? 2. Existuje zmes plynných látok A a B, ktoré môžu chemicky reagovať za vzniku reakčného produktu C, podľa stechiometrickej rovnice 2A + B = 0,5C. V počiatočnom okamihu nie je v systéme žiadny reakčný produkt a východiskové látky sa odoberajú v stechiometrických množstvách. Po ustavení rovnováhy obsahuje rovnovážna zmes počet mólov produktu C rovný 0,4 a celkový tlak je 2 atm. Nájdite rovnovážnu konštantu na stupnici p. 3 . Pri 250 °C a celkovom tlaku 1 atm sa PCl5 disociuje o 80 % podľa reakcie PCl5(g) = PCl3(g) + Cl2(g). Aký bude stupeň disociácie PCl5, ak sa do systému pridá dusík tak, aby sa parciálny tlak dusíka rovnal 0,9 atm? Celkový tlak sa udržiava na 1 atm. |
Možnosť 13 | 1 . Systém, v ktorom dochádza k exotermickej reakcii CO(g) + 2H2 = CH30H(g) je v rovnováhe pri 500 K a 10 baroch. Ak sú plyny ideálne, ako pokles tlaku ovplyvní výťažok metanolu? 2. Existuje zmes plynných látok A a B, ktoré môžu chemicky reagovať za vzniku reakčného produktu C podľa stechiometrickej rovnice 1,5A + 3B = 2C. V počiatočnom okamihu nie je v systéme žiadny reakčný produkt a východiskové látky sa odoberajú v stechiometrických množstvách. Po ustavení rovnováhy obsahuje rovnovážna zmes počet mólov produktu C rovný 0,5 a celkový tlak je 2 atm. Nájdite rovnovážnu konštantu na stupnici p. 3 . Rovnovážna konštanta reakcie CO(g) + 2H2 = CH3OH(g) pri 500 K je 6,09 x 105 ([p] = 1 atm). Reakčná zmes pozostávajúca z 1 mol CO, 2 móly H2 a 1 mól inertného plynu (dusíka) sa zahrejú na 500 K a celkový tlak 100 atm. Vypočítajte zloženie reakčnej zmesi. |
Možnosť 14 | 1 . Opíšte metódu určenia rovnovážnych konštánt z elektrochemických údajov. 2. Existuje zmes plynných látok A a B, ktoré môžu vstúpiť do chemickej reakcie za vzniku reakčného produktu C podľa stechiometrickej rovnice 2A + 0,5B = C. V počiatočnom okamihu neexistuje žiadny reakčný produkt v systéme a východiskové látky sa odoberajú v stechiometrických množstvách . Po ustavení rovnováhy obsahuje rovnovážna zmes počet mólov produktu C rovný 0,4 a celkový tlak je 2 atm. Nájdite rovnovážnu konštantu na stupnici p. 3. Pre reakciu N2(g) + 3 H2(g) = 2NH3(g) pri 298 K je rovnovážna konštanta pri vyjadrení tlaku v atm 6,0 × 105 a štandardná molárna entalpia tvorby amoniaku je = - 46,1 kJ /mol. Nájdite hodnotu rovnovážnej konštanty pri 500 K. |
Možnosť 15 | 1 . Systém s exotermickou reakciou CO(g) + 2H2 = CH3OH(g) je v rovnováhe pri 500 K a 10 baroch. Ak sú plyny ideálne, ako potom pokles teploty ovplyvní výťažok metanolu? 2. Existuje zmes plynných látok A a B, ktoré môžu chemicky reagovať za vzniku reakčného produktu C, podľa stechiometrickej rovnice 2A + B = 1,5C. V počiatočnom okamihu nie je v systéme žiadny reakčný produkt a východiskové látky sa odoberajú v stechiometrických množstvách. Po ustavení rovnováhy obsahuje rovnovážna zmes počet mólov produktu C rovný 0,5 a celkový tlak je 2 atm. Nájdite rovnovážnu konštantu na stupnici p. 3. Rovnovážna konštanta reakcie N2(g) + 3 H2(g) = 2NH3(g) pri 400 °C a vyjadrená ako tlak v atm je 1,6·10-4. Aký celkový tlak musí byť aplikovaný na ekvimolárnu zmes dusíka a vodíka, aby sa 10 % dusíka premenilo na amoniak? Plyny sa považujú za ideálne. |
V správe o laboratórne práce zdá sa byť vhodné zahrnúť tieto časti: úvod, časť 1, časť 2, závery.
1. V úvode dá sa zhrnúť teoretické informácie na jednu z nasledujúcich otázok: buď o zákone masovej akcie, histórii jeho objavenia a jeho autoroch; alebo o základných pojmoch a definujúcich vzťahoch časti „Chemická rovnováha“; alebo odvodiť zákon chemickej rovnováhy v jeho modernej formulácii; alebo hovoriť o faktoroch ovplyvňujúcich hodnotu rovnovážnej konštanty atď.
Časť „Úvod“ by sa mala končiť vyhlásením o cieľoch práce.
V časti 1 nevyhnutné
2.1. Poskytnite schému zariadenia na určenie elasticity disociácie uhličitanov kovov a opíšte priebeh experimentu.
2.2 . Uveďte výsledky výpočtu rovnovážnej konštanty na základe daných experimentálnych údajov
2.3. Vypočítajte rovnovážnu konštantu pomocou termodynamických údajov
V časti 2 nevyhnutné
3.1 . Uveďte úplnú a odôvodnenú odpoveď na otázku 1 úlohy 2.
3.2 . Uveďte riešenie úloh 2 a 3 úlohy 2. Podmienky úloh musia byť napísané v symbolickom zápise.
V záveroch Je vhodné reflektovať splnenie cieľov stanovených v práci a tiež porovnať hodnoty rovnovážnej konštanty vypočítané v 2.2 a 2.3.
Bibliografia
1. Karjakin chemickej termodynamiky: Učebnica. manuál pre univerzity. M.: Akadémia., 20 s.
2. Prigozhin I., Kondepudi D. Moderná termodynamika. Od tepelných motorov po disipatívne štruktúry. M.: Mir, 20 s.
3. , Čerepanov o fyzikálnej chémii. Toolkit. Jekaterinburg: Vydavateľstvo Uralskej štátnej univerzity, 2003.
4. Stručná príručka fyzikálnych a chemických veličín / Ed. A. L.: Chémia, 20 s.
5. Problémy z fyzikálnej chémie: učebnica. príručka pre vysoké školy / atď. M.: Skúška, 20 s.
Rozloženie počítača
Pretože všetky chemické reakcie sú reverzibilné, pre reverznú reakciu (v porovnaní s reakciou molekúl A s molekulami B)
zodpovedajúci výraz pre rýchlosť reakcie bude
Reverzibilita je označená dvojitými šípkami:
Tento výraz treba čítať: molekuly A a molekuly B sú v rovnováhe so Znamienko úmernosti možno nahradiť rovnítkom, ak zavedieme koeficient úmernosti k, charakteristický pre uvažovanú reakciu. Všeobecne
výrazy pre rýchlosť doprednej reakcie (Speed) a spätnej reakcie (Speed) majú formu
Keď sú rýchlosti priamych a spätných reakcií rovnaké, systém sa považuje za v rovnováhe:
Pomer sa nazýva rovnovážna konštanta Zapamätajte si nasledujúce vlastnosti systému v rovnováhe
1. Rovnovážna konštanta sa rovná pomeru rýchlostných konštánt priamych a spätných reakcií,
2. V rovnováhe sú rýchlosti priamych a spätných reakcií (ale nie ich konštanty) rovnaké.
3. Rovnováha je dynamický stav. Hoci nedochádza k celkovej zmene koncentrácie reaktantov a produktov v rovnováhe. A a B sa neustále menia na a naopak.
4. Ak sú známe rovnovážne koncentrácie A a B a možno nájsť číselnú hodnotu rovnovážnej konštanty.
Vzťah medzi rovnovážnou konštantou a zmenou štandardnej voľnej energie reakcie
Rovnovážna konštanta súvisí so vzťahom
Tu je plynová konštanta, T je absolútna teplota. Keďže ich hodnoty sú známe, so znalosťou číselnej hodnoty sa dá zistiť, ak je rovnovážna konštanta väčšia ako jedna, reakcia prebieha spontánne, teda v smere, ako je napísané (zľava doprava). Ak je rovnovážna konštanta menšia ako jedna, potom spätná reakcia nastane spontánne. Všimnite si však, že rovnovážna konštanta udáva smer, ktorým môže reakcia prebiehať spontánne, ale neumožňuje posúdiť, či reakcia prebehne rýchlo. Inými slovami, nehovorí nič o výške energetickej bariéry reakcie (; pozri vyššie). Vyplýva to zo skutočnosti, že určuje iba A (7°) Rýchlosť reakcie závisí od výšky energetickej bariéry, nie však od veľkosti
Väčšina faktorov ovplyvňujúcich rýchlosť enzymatických reakcií pôsobí zmenou lokálnych koncentrácií reaktantov.
Chemická rovnovážna konštanta
Všetky chemické reakcie možno rozdeliť do 2 skupín: ireverzibilné reakcie, t.j. postupuje sa dovtedy, kým sa jedna z reagujúcich látok úplne nespotrebuje, a reverzibilné reakcie, pri ktorých nie je úplne spotrebovaná žiadna z reagujúcich látok. Je to spôsobené tým, že k nezvratnej reakcii dochádza iba v jednom smere. Reverzibilná reakcia môže nastať v smere dopredu aj dozadu. Napríklad reakcia
Zn + H2SO4® ZnSO4 + H2
tečie až do úplného vymiznutia kyseliny sírovej alebo zinku a netečie opačným smerom: kovový zinok a kyselina sírová nemožno získať prechodom vodíka do vodný roztok síran zinočnatý. Preto je táto reakcia nezvratná.
Klasickým príkladom reverzibilnej reakcie je syntéza amoniaku z dusíka a vodíka: N 2 + 3 H 2 ⇆ 2 NH 3 .
Ak pri vysoká teplota zmiešame 1 mól dusíka a 3 móly vodíka, potom aj po dostatočne dlhej dobe prebehnutia reakcie bude prítomný nielen reakčný produkt (NH 3), ale aj nezreagované východiskové látky (N 2 a H 2). v reaktore. Ak sa za rovnakých podmienok do reaktora neprivádza zmes dusíka a vodíka, ale čistý amoniak, potom sa po určitom čase ukáže, že časť amoniaku sa rozložila na dusík a vodík, t.j. reakcia prebieha v opačnom smere.
Aby sme pochopili povahu chemickej rovnováhy, je potrebné zvážiť rýchlosť priamych a spätných reakcií. Rýchlosť chemickej reakcie je zmena koncentrácie východiskovej látky alebo reakčného produktu za jednotku času. Pri štúdiu problematiky chemickej rovnováhy sa koncentrácie látok vyjadrujú v mol/l; tieto koncentrácie ukazujú, koľko mólov daného reaktantu je obsiahnutých v 1 litri nádoby. Napríklad tvrdenie „koncentrácia amoniaku je 3 mol/l“ znamená, že každý liter príslušného objemu obsahuje 3 moly amoniaku.
Chemické reakcie sa uskutočňujú v dôsledku zrážok medzi molekulami, teda než viac molekúl nachádzajúce sa v jednotkovom objeme, tým častejšie medzi nimi dochádza ku kolíziám a tým väčšia je rýchlosť reakcie. Čím väčšia je koncentrácia reaktantov, tým vyššia je reakčná rýchlosť.
v systéme nie je pozorovaná žiadna rovnováha
Neexistujú žiadne viditeľné zmeny.
Napríklad koncentrácie všetkých látok môžu zostať nezmenené po neobmedzene dlhý čas, ak na systém nie je žiadny vonkajší vplyv. Táto stálosť koncentrácií v systéme v stave chemickej rovnováhy vôbec neznamená absenciu interakcie a vysvetľuje sa tým, že priame a spätné reakcie prebiehajú rovnakou rýchlosťou. Tento stav sa tiež nazýva skutočná chemická rovnováha. Skutočná chemická rovnováha je teda dynamická rovnováha.
Falošnú rovnováhu treba odlíšiť od skutočnej rovnováhy. Stálosť parametrov systému (koncentrácie látok, tlak, teplota) je nevyhnutným, ale nedostatočným znakom skutočnej chemickej rovnováhy. Dá sa to ilustrovať na nasledujúcom príklade. Interakcia dusíka a vodíka s tvorbou amoniaku, ako aj rozklad amoniaku, nastáva značnou rýchlosťou pri vysokých teplotách (asi 500 ° C). Ak zmiešate vodík, dusík a amoniak v akomkoľvek pomere pri izbovej teplote, potom reakcia N 2 + 3 H 2 ⇆ 2 NH 3
nebude unikať a všetky systémové parametre si zachovajú konštantnú hodnotu. Avšak v v tomto prípade rovnováha je nepravdivá, nie pravdivá, pretože nie je dynamický; nie v systéme chemická reakcia: Rýchlosť reakcií vpred aj vzad je nulová.
V ďalšej prezentácii materiálu sa bude termín „chemická rovnováha“ používať vo vzťahu k skutočnej chemickej rovnováhe.
Kvantitatívne charakteristiky systémov v stave chemickej rovnováhy je rovnovážna konštanta K .
Pre všeobecný prípad reverzibilnej reakcie a A + b B + ... ⇆ p P + q Q + ...
Rovnovážna konštanta je vyjadrená nasledujúcim vzorcom:
Vo vzorci 5.1 C(A), C(B), C(P) C(Q) sú rovnovážne koncentrácie (mol/l) všetkých látok zúčastňujúcich sa reakcie, t.j. koncentrácie, ktoré sú v systéme stanovené v momente chemickej rovnováhy; a, b, p, q – stechiometrické koeficienty v reakčnej rovnici.
Výraz pre rovnovážnu konštantu pre reakciu syntézy amoniaku N 2 +3H 2 ⇆2NH 3 má nasledujúci tvar: . (5.2)
Číselná hodnota chemickej rovnovážnej konštanty sa teda rovná pomeru súčinu rovnovážnych koncentrácií produktov reakcie k súčinu rovnovážnych koncentrácií východiskových látok a koncentrácia každej látky sa musí zvýšiť na mocninu. rovný stechiometrickému koeficientu v reakčnej rovnici.
Je dôležité tomu rozumieť rovnovážna konštanta je vyjadrená pomocou rovnovážnych koncentrácií, ale nezávisí od nich ; naopak pomer rovnovážnych koncentrácií látok zúčastňujúcich sa reakcie bude taký, aby zodpovedal rovnovážnej konštante. Rovnovážna konštanta závisí od povahy reaktantov a teploty a je konštantnou (pri konštantnej teplote) hodnotou .
Ak K >> 1, tak čitateľ zlomku vyjadrenia rovnovážnej konštanty je mnohonásobne väčší ako menovateľ, preto v momente rovnováhy v systéme prevládajú produkty reakcie, t.j. reakcia väčšinou prebieha v smere dopredu.
Ak 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.
Ak K ≈ 1, potom sú rovnovážne koncentrácie východiskových látok a reakčných produktov porovnateľné; reakcia prebieha do značnej miery v smere dopredu aj dozadu.
Treba mať na pamäti, že výraz pre rovnovážnu konštantu zahŕňa koncentrácie iba tých látok, ktoré sú v plynnej fáze alebo v rozpustenom stave (ak sa reakcia vyskytuje v roztoku). Ak je do reakcie zapojená tuhá látka, tak k interakcii dochádza na jej povrchu, preto sa predpokladá, že koncentrácia tuhej látky je konštantná a nezapisuje sa do vyjadrenia rovnovážnej konštanty.
CO 2 (plyn) + C (tuhá látka) ⇆ 2 CO (plyn)
CaCO 3 (tuhá látka) ⇆ CaO (tuhá látka) + CO 2 (plyn) K = C(CO 2)
Ca 3 (PO 4) 2 (tuhá látka) ⇆ 3Ca 2+ (roztok) + 2PO 4 3– (roztok) K = C 3 (Ca 2+) C 2 (PO 4 3–)
