Определение направления процесса по уравнению изотермы химической реакции

 

 

Связь между концентрациями реагентов в равновесной смеси и общими условиями термодинамического равновесия устанавливает уравнение изотермы химической реакции:

D G =  R T ln П ¢ p   -  R T ln K p,                  (8.1)

где ΔG – изменение энергии Гиббса в ходе химической реакции;

К р   – константа равновесия химической реакции;

П   ¢ р

 

– произведение

начальных (неравновесных) парциальных давлений:

(p /  ) с   × (p /  ) d

П ¢ p

=     C                 D   

.                             (8.2)

(p /  ) a   × (p /  ) b

A            B

 

 

О пределение направления процесса по изотерме химической реакции

 

При изучении химической реакции важно знать, будет ли она про- текать, а если будет, то, в каком направлении. Из уравнения изотермы химической реакции видно, что величина и знак энергии Гиббса зави-

сят от соотношения величин К р и

П   ¢ р.

 

1. Если вольный.

2. Если

 

3. Если извольный.

П ¢ р

 

 

П ¢ р

П ¢ р

<  K p, то ΔG < 0, процесс необратимый самопроиз-

 

 

=  K p, то ΔG = 0, состояние равновесия.

>  K p, то ΔG > 0, процесс необратимый не самопро-

Таким образом, при помощи уравнения изотермы химической ре- акции можно расчетным путем предсказать направление реакции, если известны константа равновесия и начальное содержание компонентов в системе.

 

П р имер.

Примеры решения задач

 

 

5

Для реакции

C O Cl 2  =  C O +  C l 2

при 600ºС и давлении 1,38∙10  Па

Варианты p  , Па р  , Па p  , Па 1 1,013·105 1,013·105 1,013·105 2 1,048·105 2,026·105 3,043·105 3 1,048·105 3,039·105 3,039·105

константа равновесия К р = 5,883·105 Па. Рассчитайте, в каком направ- лении будет протекать процесс при следующих значениях начальных неравновесных парциальных давлений компонентов:

 

C O C l 2                                                         CO

C l 2

 

 

Р ешение:

Направление процесса определяем по уравнению изотермы хими-

æ   p /

×  p /                      ö

ческой реакции

D G =  R T   ç  ln

ç

è

æ

   CO        Cl 2  

p

/ C O C l 2

5

-  l n K P ÷ :

÷

ø

5                                    ö

1. D G = 8, 314 × 873 × ç  l n   1, 013 × 10 × 1, 013 × 10     -  l n   5, 883 ×105 ÷ = -12, 76

к Д ж  ,

è       1, 013 ×105                                                   ø

D G < 0, следовательно, процесс протекает в прямом направлении.

 

 

æ              5                        5                                     ö

2. D G = 8,314 × 873 × ç ln   2, 026 × 10 × 3, 043 × 10    - ln 5,883 ×105 ÷ = 0 кДж,

è

ø

ç        1,048 ×105                                                      ÷

D G =0, следовательно, система находится в состоянии равновесия.

 

 

æ             5                        5                                    ö

3. D G = 8,314 × 873 × ç ln 3, 039 × 10 × 3, 039 × 10     - ln 5,883 ×105 ÷ = 2,93 кДж,

è        1,048 ×105                                                    ø

D G   > 0, следовательно, процесс в прямом направлении не возмо-

жен и протекает в обратном направлении.

Задачи для самостоятельного решения

 

Вариант 1.

Константа диссоциации

N   2  O 4 по уравнению

N 2 O 4  = 2 N O 2

при 50ºС

Варианты p  , Па p  , Па 1 1,013·105 2,026·105 2 1,024·105 3,200·104 3 1,681·105 1,013·105

составляет 0,797∙105  Па. Определите, направление процесса при сле- дующих исходных значений парциальных давлений компонентов:

 

N   2  O 4

N O 2

 

 

Вариант 2.

Для реакции

 

 

2                   2  2

N O   = N O +   1   O

 

 

при 500 К   К р = 0,21∙103

 

 

Па1/2

 

 

. Опреде-

Варианты p  , Па p  , Па p  , Па 1 2,8·104 1,4·104 1,2·104 2 2,0·104 1,4·104 1,6·105 3 2,5·104 1,5·104 12,25·104

лите направление реакции при следующих значениях исходных парци- альных давлений компонентов:

 

N O 2                                                          N O                                       O 2

 

 

Вариант 3.

При  температуре  700  К  константа  равновесия  реакции

S O 2  +  N O 2  =  S O 3  +  NO

составляет К р =7,6. Определите, в каком направ-

Варианты p  , Па p  , Па p  , Па p  , Па 1 6·104 3·104 1,5·104 1,2·104 2 6·104 0,3·104 1,5·104 1,2·104 3 6·104 0,32·104 1,6·104 9,12·103

лении пойдет процесс при следующих значениях исходных парциаль- ных давлений компонентов:

 

S O 2

N O 2

S O 3                                                NO

 

 

Вариант 4.

При  температуре  520  К  константа  равновесия  для  реакции

2                    2 2

N O   = N O +   1   O

составляет   К р   =  60  Па1/2

.  Определите  направление

процесса при следующих значениях исходных парциальных давлений компонентов:

 

Варианты р  , Па р  , Па р  , Па 1 28·103 1,4·103 0,8·103 2 0,9·103 1,0·103 3,6·103 3 1·103 2,0·103 0,9·103

N O 2

N O                                   O 2

 

Для реакции

 

C O 2

 

2  2

= C O +   1   O

 

при 1500 К К р

 

= 2,37∙103

 

Па1/2

 

. Опреде-

Варианты р  , Па р  , Па р  , Па 1 1,2∙105 2,0∙104 9,0∙104 2 1,0∙105 2,37∙105 1,0∙104 3 1,013∙104 1,013∙105 12,75∙104

лите, в каком направлении пойдет процесс при следующих значениях исходных парциальных давлений компонентов:

 

C O 2

C O                                      O 2

 

 

Вариант 6.

Для реакции

 

 

C O + H 2 O = C O 2 + H 2

 

 

при 1500 К константа равновесия

Варианты р C O, Па р H  O, Па р C O, Па р H, Па 1 20,26∙104 4,078∙105 20,52∙104 10,39∙104 2 19,25∙104 2,43∙105 30,52∙104 20,39∙104 3 20,00∙104 2,50∙105 32,00∙104 5,00∙104

равна К р = 0,32. Определите, в каком направлении пойдет процесс при следующих значениях исходных парциальных давлений компонентов:

 

2                                                        2                                                    2

 

 

Вариант 7.

Для реакции

 

 

S O 2 C l 2 =  S O 2  +  C l 2

 

 

при 30ºС К р = 2,88∙103

 

 

Па. Опреде-

Варианты р S O Cl, Па р S O, Па р C l, Па 1 4,052∙104 2,026∙104 2,026∙104 2 3,565∙103 1,013∙103 1,013∙104 3 2,026∙103 2,026∙103 2,88∙103

лите, в каком направлении пойдет процесс при следующих значениях исходных парциальных давлений компонентов:

 

2 2                                                                2                                                                   2

 

 

Вариант 8.

Для реакции

 

 

2 H 2 (г) +  S 2 (г) = 2 Н 2  S   (г)

 

 

при 830ºС константа равнове-

Варианты р H, Па р S, Па р H  S, Па 1 2,026∙103 1,013∙105 1,026∙105 2 2,026∙103 1,39∙104 12,15∙104 3 1,090∙103 3,00∙104 3,27∙104

сия составляет К р = 0,03 Па-1. Определите, в каком направлении пойдет процесс при следующих значениях исходных парциальных давлений компонентов:

 

2                                                                   2                                                                    2

 

Для реакции

2 H C l (г) +  О 2 (г) =  С l 2 (г) +  Н 2 О (г)

при 700 К константа

Варианты р  , Па р  , Па р  , Па р  , Па 1 2∙104 4∙104 2∙104 1∙104 2 1∙104 0,9∙104 2∙104 2∙104 3 1∙104 2∙104 4∙104 1,775∙104

равновесия равна К р = 3,55∙10-5 Па-1. Определите направление реакции, если начальные парциальные давления газов в смеси составляют:

 

H C l                                 O 2

C l 2

H   2  O

 

 

Вариант 10.

При 727ºС для реакции

 

 

S O 2 (г) + N O 2 (г) = S O 3 (г) + N O (г)

 

 

константа

равновесия равна К р = 7,6. Вычислите, в каком направлении будет про- текать реакция при следующих значениях исходных парциальных дав- лений компонентов:

 

Варианты р  , Па, Па р  , Па, Па р  , Па, Па р  , Па, Па 1 1,013·105 6,078·105 2,026·105 3,039·105 2 3,0·105 1,013·105 10,4·105 2,026·105 3 2,026·105 3,039·105 10,13·105 6,078·105

S O 2

N O 2

S O 3                                                       NO

 

 

Вариант 11.

Для реакции

 

 

2 H C l (г) +  О 2 (г) =  С l 2 (г) +  Н 2 О (г)

 

 

при 900 К константа

равновесия равна К р = 0,85∙10-5 Па-1. Вычислите, в каком направлении будет протекать реакция при следующих значениях исходных парци-

альных давлений компонентов:

 

Варианты р  , Па р  , Па р  , Па р  , Па 1 1,013·105 1,013·105 1,013·105 1,013·105 2 2,0·105 0,85·105 1,0·105 2,89·105 3 2,026·105 1,013·105 1,52·105 1,52·105

H C l                                     O 2

C l 2

H   2  O

 

 

Вариант 12.

Для реакции

 

 

2 F e O (т) =  F e (т) +  O 2 (г)

 

 

при 1000 К константа

Варианты р O  , Па 2 1 4,052·103 2 3,60·103 3 2,0·103

равновесия равна К р = 3,6∙103 Па. Определите, в каком направлении будет протекать реакция при следующих значениях парциального давления кислорода над смесью оксида железа (II) и железа:

 

Для реакции

 

2 C O (г) + 2 H 2 (г) =  C H 4 (г) +  C O 2 (г)

 

при 1000 К констан-

та равновесия равна К р   = 2,57∙10-8  Па-2. Вычислите, в каком направле- нии будет протекать процесс при следующих значениях исходных пар-

циальных давлений компонентов:

 

Варианты р  , Па р  , Па р  , Па р  , Па 1 1,0·104 2,026·104 8,7·104 2,0·104 2 0,9·104 1,50·104 11,7·104 1,17·104 3 1,013·104 10,13·104 10,130·104 5,065·104

C O                                     H 2

C H   4

C O 2

 

 

Вариант 14.

Для реакции

 

 

S O 2 (г) + O 2 (г) = 2 S O 3 (г)

 

 

при 727ºС константа равнове-

сия составляет К р =2,4. Определите, в каком направлении будет проте- кать реакция при следующих значениях исходных парциальных давле- ний компонентов:

 

Варианты р  , Па р  , Па р  , Па 1 7,32·104 2,03·104 0,78·104 2 5,71·104 1,03·104 3,38·104 3 2,00·104 1,20·104 2,40·104

S O 2                                                                O 2

S O 3

 

 

Вариант 15.

Для реакции

 

 

C H 4 (г) +  H 2 O (г) =  C O (г) + 3 H 2 (г)

 

 

при 1100 К константа

равновесия равна К р   = 3,2∙108  Па2. Вычислите, в каком направлении будет протекать реакция при следующих значениях исходных концен-

трациях компонентов:

 

Варианты р  , Па р  , Па р  , Па р  , Па 1 0,203·105 1,013·105 10,13·105 2,026·105 2 1,013·105 2,026·105 10,13·105 2,026·105 3 6,4320·104 1,00·105 10,05·105 2,00·105

C O                                H 2

C H   4

H   2 O

 

 

Вариант 16.

Для  реакции

 

 

N 2 (г) + 3 H 2 (г) = 2 N H 3 (г)

 

 

при  350ºС  константа

Варианты р  , Па р  , Па р  , Па 1 1,013·106 1,013·107 1,013·107 2 5,065·106 2,500·107 1,013·107 3 4,00·106 2,000·107 4,800·107

равновесия составляет К р = 7,2∙10-14 Па-2. Определите, в каком направлении будет протекать реакция при следующих значениях исходных парциальных давлений компонентов:

 

N   2                                                                     H   2

N H 3

 

Для  реакции

CO 2 (г) =  C O (г) + 2 O 2 (г)

при  1500ºС  и  давлении

Варианты р  , Па р  , Па р  , Па 1 1,013·105 10,13·105 65,61·106 2 1,010·105 20,26·105 9,0·106 3 1,013·105 30,13·105 10,8·106

1,013∙105 Па, константа равновесия К Р = 8,1∙104 Па1/2. Определите, в ка- ком направлении пойдет процесс при следующих значениях исходных парциальных давлений компонентов:

 

1

C O 2

C O                                             O 2

 

 

Вариант 18.

Для реакции

 

 

3 F e O (т) + Н 2 O (г) = F e 3 O 4 (т) + H 2 (г)

 

 

при 713 К кон-

Варианты р  , Па р  , Па 1 4,052·105 7,091·105 2 1,013·105 7,091·105 3 0,84·105 2,0·105

станта равновесия К р = 0,42. Определите, в каком направлении бу- дет протекать реакция при следующих значениях исходных парци- альных давлений компонентов:

 

H   2                                                                       H   2  O

 

 

Вариант 19.

При 1000 К и 1,013∙105 Па для термической диссоциации

 

 

B r 2  по

уравнению

B r 2

= 2 B r - , степень диссоциации α = 3,5∙10-4. Определить, в

Варианты р  , Па р  , Па 1 4,052∙105 2,026∙105 2 7,091∙105 2,775∙105 3 7,091∙105 2,127∙105

каком направлении пойдет процесс при следующих значениях исход- ных парциальных давлений компонентов:

 

B r 2                                                                                  Br

 

 

Вариант 20.

Для  реакции

 

 

P C l 5 (г) =  P C l 3 (г) +  C l 2 (г)

 

 

при  600ºС  и  давлении

1,38∙105  Па степень диссоциации хлорида фосфора (V) равна α = 0,9. Определите, в каком направлении будет протекать процесс при следу-

ющих значениях парциальных давлений компонентов:

 

Варианты р  , Па, Па р  , Па, Па р C l  , Па 1 1,013·105 2,026·105 0,69·105 2 1,048·105 2,026·105 3,039·105 3 1,048·105 4,20·105 4,20·105

P C l 5

P C l 3                                                                                 2

 

При 111ºС и давлении 1,013∙105 Па степень диссоциации

-4

 

N 2  O 4  по

уравнению

N 2 O 4  = 2 N O 2

составляет  α =  3,5∙10

. Вычислите, в каком

Варианты р  , Па р  , Па 1 4,052∙105 2,026∙105 2 7,091∙105 2,775∙105 3 7,091∙105 2,127∙105

направлении пойдет процесс при следующих значениях исходных пар- циальных давлений компонентов:

 

N   2  O 4

N O 2

 

 

Вариант 22.

При 1000 К и общем давлении 1,013∙105 Па протекает реакция,

F e O (т) +  С О (г) = Fe (т) +  C О 2 (г).

Варианты р  , Па р  , Па 1 2,026·105 7,091·105 2 1,42·105 9,039·105 3 2,026·105 2,026·105

константа равновесия равна К р = 3,5. Определить, в каком направ- лении будет протекать реакция при следующих значениях исходных парциальных давлений:

 

C O                                                  CO 2

 

 

Вариант 23.

Для  реакции

 

 

C a C O 3 (т) = C a O (т) + C O 2 (г)

 

 

при  1000  К  константа

Варианты р C O  , Па 2 1 4,052·103 2 3,140·103 3 2,026·103

равновесия равна К р = 3,14∙103. Рассчитайте, в каком направлении бу- дет протекать процесс при следующих значениях парциального давле- ния углекислого газа над смесью оксида и карбоната кальция: