Визначення виходу продуктів реакції

Константа рівноваги показує відношення концентрацій (парціальних тисків, мольних часток) кінцевих та вихідних речовин і за її величиною судять про ступінь перетворення вихідних речовин у продукти, одержання яких є кінцевою метою металургійних процесів.

Розглянемо приклади визначення виходу продуктів для різних типів реакцій.

Гомогенні реакції.

Гомогенною називається реакція, в якій всі реагуючі речовини знаходяться в однаковому агрегатному стані, наприклад,

                                    СО_(г) + Н₂О_(г) = СО_2(г) + Н_2(г).

Константа рівноваги цієї реакції визначається рівненням

                                                                   (6.8)

і її значення при 298 К дорівнює приблизно 1×10⁵.

Щоб знайти рівноважні парціальні тиски реагуючих речовин складемо табл. 6.1, в якій визначимо число моль реагуючих речовин в різні моменти реакції. Число моль взятих для реакції речовин може бути довільним. Для спрощення розрахунків візьмемо по 10 моль СО і Н₂О.

Таблиця 6.1

Співвідношення кількості моль реагуючих речовин у різні моменти реакції

	Число моль в системі
	СО	Н2О	СО	Н2
Взято для реакції	10	10	-	-
Утворилось при реакції	-	-	´	´
Прореагувало	´	´	-	-
Залишилось у стані рівноваги	10-´	10-´	´	´

 

Загальна кількість моль реагуючих речовин у стані рівноваги дорівнюватиме

                                  ån_i = 10-´ + 10-´ + ´ + ´ = 20,

а парціальні тиски кожної з реагуючих речовин становитимуть:

 

                      ;

                   ;

                     ;

                        .

Підставивши рівноважні тиски речовин в рівняння (6.8), визначимо кількість моль прореагувавших речовин (х):

                         ;

                                         ;

                         ;

                                      ;

                                       .

Отже, реакція при 298 К протікає на 100%, бо з 10 моль початкових речовин усі 10 моль перетворились в продукти реакції.

Гетерогенні реакції.

Гетерогенною називається реакція, у якій реагуючі речовини знаходяться в різному агрегатному стані, наприклад

                                    FeO_(т) + СО_(г) = Fe_(т) + СО_2(г).

Як вже вказувалось, константа подібної реакції описується рівнянням

                                   (при 800 К).                       (6.9)

Таблиця 6.2

Співвідношення кількості моль реагуючих речовин у різні моменти реакції

	Число моль в системі
	FeО	СО	Fe	CO2
Взято для реакції	10	10	-	-
Утворилось при реакції	-	-	´	´
Прореагувало	´	´	-	-
Залишилось у стані рівноваги	10-´	10-´	´	´

Розмірковувати аналогічно попередньому, одержуємо

                                           ån_i = 10-´ + ´ = 10;

                      ;

                     ;

                                 ;

                                                  х = 20 – 2х;

                                                     3х = 20;

                                                    х = 6,67.

Отже реакція при 800 К проходить на 66,7%, бо з 10 моль вихідних речовин прореагувало по 6,67 моль.

Треба застерегти від помилкових висновків, полягаючих в тому, що додатна величина  або малі значення К_р (К_р < 1) означають повну неможливість протікання реакції в прямому напрямку і одержання технологічно прийнятного виходу продуктів реакції. В таблиці 6.3 наведений вихід продуктів розглянутої вище гомогенної реакції при різних значеннях констант рівноваги.

Таблиця 6.3

Вихід продуктів реакції в залежності від константи рівноваги

Константа рівноваги	1×10^5	1×10^4	1×10^3	1×10^2	1×10^1	1	1×10^-1	1×10^-2	1×10^-3	1×10^-4	1×10^-5
Вихід продуктів, %	1000,00	99,99	99,90	99,00	90,90	50,00	9,09	0,99	0,10	0,01	0,00

 

Крім того, у ряді випадків і при малих значеннях константи рівноваги вдається підібрати умови проведення реакції (температуру, тиск, співвідношення реагентів тощо) такими, що можна одержати практично задовільні результати.