Гомогенное химическое равновесие

Гомогенное химическое равновесие

 

Контрольная работа

Вариант№1

1.            Рассчитайте сродство (-ΔrGt) железа к кислороду воздуха, Po₂=2,0266*10⁴Па при 1000К, если константа равновесия реакции 2Fe+O₂ 2FeO при этой температуре равна 2,450*10²⁰ Па^-1 .

2.            Константа равновесия реакции H₂+I₂ 2HI при 717К равна 46,7. Определите кол-во разложившегося HI при нагревании 1моль HI при 717К.

3.            Вычислите при температуре 298К константу равновесия реакции CO+0,5O₂=CO₂ по стандартной энергии Гиббса.

Критерии оценивания

Данная к/р оценивается в 45 баллов. №1-10 баллов, №2-15 баллов, №3-20 баллов.

Наиболее характерные ошибки:

- использование неправильных размерностей величин;

- ошибки при выводе ур-ния Кс реакции;

- неправильное решение квадратного ур-ния и использование его отрицательных корней (для нахождения кол-ва моль прореагировавшего в-ва);

- ошибки при счёте;

- использование неверных справочных значений(необходимо использовать величины, выраженные в Дж/моль, Дж/моль*К или кДж/моль);

- следует учесть, что энтальпия реакции образования простых веществ равна 0;

- для расчета стандартной энергии Гиббса необходимо значение энтропии реакции перевести в кДж/моль;

- если реакция проводится в стандартных условиях, то необходимо использовать P^O=0,101Мпа=101,3кПа.

Решение задач

№1.

2Fe+O₂ 2FeO

ΔG=-RTlnKp+RTПі(P^νіі исх.)

ΔG=-8,314*1000ln(2,450*10²⁰)+8,314*1000ln(2,0266*10⁴)= -390324-82447=-472,77 кДж/моль.

Ответ. (-ΔrGt)=472,77 кДж/моль.

№2

2HI H₂+I₂

исх. 1моль 0 0

Реак. 2х х х

Равн. 1-2х х х

Кс=

46,7x²=1-4x+4x²

42,7x²+4x-1=0

D=186,8

x₁= (моль)

2x=0,227 (моль)

Ответ. Разложилось 0,227 моль HI.

№3

Все необходимые значения станд. для CO₂ , O₂  и CO берутся из справочника физико-химических величин.

ΔV-приращение числа молей во время реакции.

Для реакции CO+0,5O₂=CO₂

ΔV=1-(1+0,5)= -0,5

Ответ.

Индивидуальное задание

Вариант№5

1. По значениям изобарных потенциалов в справочнике [M.] определите константу равновесия при температуре 298К для реакции:

2. При окислении SO₂ в SO₃ в газовой фазе установилось хим. равновесие:

Как будет влиять на это равновесие увеличение давления и добавление азота, не участвующего в реакции? Ответ дать на основании термодинамич. соотнош. И пользуясь принципом Ле-Шателье.

3. Если нагреть 0,746 кг йода и 0,0162 кг водорода в закрытом сосуде ёмкостью 1 м³ до 693К, то при достижении равновесия образуется 0,721 кг йодистого водорода. Сколько йодистого водорода получится, если к исходной смеси добавить 0,1 кг йода и 0,005 кг водорода?

4. Процесс получения водяного газа идёт по ур-нию . При 1000К конст. равновесия равна 1,45. Какой состав должна иметь исходная смесь, сост. из водяного пара и СО, чтобы при 1000К равновесная смесь содержала по объёму 25%СО₂ и 25%Н₂ ?

5. При Т=1396К и Р=1,0133*10⁵ н/м² степень диссоциации водяного пара на водород и кислород равна 0,567*10^-4 , а степень диссоциации двуокиси углерода на окись углерода и кислород при тех же условиях -1,551*10^-4. Определить на основании этих данных состав водяного газа, образующегося при указанной температуре из равных объёмов окиси углерода и водяного пара.

6. При температуре 1500К и давлении 0,1013 МПа степень диссоциации водяного пара =1,9*10^-4. Выразить для реакции горения водорода  константу равновесия Кр через степень диссоциации водяного пара и вычислить Кр при 1500К.

7. Для реакции  определите Кр при 600К, если при 298К константа равновесия этой реакции равна 1,0*10⁵.

Справочник [M.] –краткий справочник физико-химических величин. под ред. К.П.Мищенко и А.А.Равдия, М.,Госхимиздат, 1967г.

Критерии оценивания

Данное индивидуальное задание оценивается в 110 баллов.

№1,2 -10 баллов;

№4,6 -15 баллов;

№3,5,7 -20 баллов;

Наиболее характерные ошибки:

- использование неверных справочных данных;

- ошибки при выводе ур-ния Кс и Кр для исследованной реакции;

- ошибки при вычислении равновесной концентрации вещества;

- использование неверных корней квадратного уравнения(полученное значение корней квадратного уравнения необходимо сопоставлять с условием задачи, чтобы не получить отрицательные значения концентраций);

- ошибки при счёте;

- при расчёте по уравнению реакции необходимо учитывать коэффициенты, стоящие перед веществом;

- необходимо все единицы измерения выражать в СИ (как например, парциальное давление газов в н/м²);

- нужно использовать значения температуры процесса в К для расчёта ;

- ошибки могут быть при неверной трактовке уравнения Менделеева-Клапейрона (следует учесть число моль-n);

-следует отличать равновесные и неравновесные процессы и учитывать правильность их написания;

- справочные данные должны соответствовать необходимому в-ву, которое указано в условии задачи;

- ошибки также возникают при переводе моль в кмоль, кал в Дж.

Решение задач

 №1

 В справочнике физико-химических величин [M.], находим значения :

Реакция	Знач. *10-6, Дж/кмоль
	-1577,46 -370,62 -3094,00

Используя уравнение:

Δn- изменение числа молей газообразного конечного и начального продуктов реакции.

Кр и парц. давления выражены в н/м².

и ур-ние  определим значение  реакции:

Ответ.lg Kp=55,87.

№2

В данной реакции ΔV=2-3=-1, поэтому выражение для Кх примет вид:

Из уравнения видно, что с увеличением давления р увеличивается константа равновесия Кх, поскольку Кр не зависит от давления. Увеличение Кх произойдёт за счёт увеличения числителя и за счёт уменьшения знаменателя. При отсутствии инертной примеси азота равна сумме молей веществ в равновесной смеси, которая при смещении равновесия изменяется незначительно, поэтому числитель увеличивается в основном за счёт увеличения ; одновременно должны уменьшатся  и  в знаменателе. Отсюда делаем вывод, что с ростом давления р в равновесной системе кол-во SO₃  возрастает, равновесие сдвинется вправо, выход серного ангидрида увеличится. С увеличением кол-ва азота увеличивается сумма , что влечёт за собой уменьшение . Равновесие сдвинется влево, выход SO₃  уменьшится.

Принципа смещения равновесия Ле Шателье приводит с к следующим качественным выводам. Т.к. реакция образования SO₃  из SO₂  и O₂ идёт с уменьшением объёма, то при увеличении давления, т.е. при сжатии реагирующей смеси, процессом ослабляющим сжатие, будет процесс, приводящий к уменьшению числа молекул в реагирующей смеси. Таким образом, при увеличении давлении реакция сдвинется слева на право и выход SO₃ возрастёт.

Увеличение содержания азота при постоянном общем давлении ведёт к разбавлению реагирующей смеси, что равноценно уменьшению давления при отсутствии азота, т.е. приведёт к сдвигу равновесия справа налево, выход то равноценно уменьшению давления при отсутствии азота, ведёт к разбавлению реагирующей смесию числа молекул в реагирующей сSO₃ уменьшится.

№3

Реакция протекает по уравнению:

H₂+I₂ 2HI

Константа равновесия этой реакции может быть выражена уравнением:

Для определения величины константы равновесия необходимо определить состав равновесной газовой смеси.

H₂ и I₂ реагируют с образованием HI, то в равновесной смеси исходное кол-во будет меньше, чем в исходной.

  Исходная концентрация H₂ и I₂ :

Конц. получ. HI в равновесной смеси:

 

Реакция протекает при постоянном давлении, тогда:

H₂+I₂ 2HI

1кмоль 1кмоль 2кмоль

(2,82кмоль 2,82 кмоль 5,64 кмоль)*10^-3

След., в равновесной смеси останется:

Данные вещества находятся в V=1м³, поэтому

 

Используя полученные концентрации, определим константу равновесия:

 При добавлении к исх. смеси 0,100кг I₂  и 0,005 кг H₂ установ. равнов., но Кс не изменится. Обозначим новую равновесную конц.[HI]=x, тогда равнов. конц. [I₂ ] и [H₂] будут равны:

Получим уравнение:

 Х₁ не имеет физ.смысла, т.к.конц. H₂ и I₂ будут иметь отрицательные значения.След., . Т.к. V=1м³, тогда

Ответ.

№4

Напишем содержание компонентов в процентах в равновесной смеси:

Для рассматриваемой реакции

Подставим содержание веществ (в молях) в выражение для константы равновесия:

откуда

т.к. в ходе реакции число молей в системе не меняется. Исключая из этих уравнений , получим уравнение:

Его решение даёт два действительных корня:. Это означает, что в исходной смеси СО(г) по объёму может быть 36,1 или 63,9% и, соответственно, Н₂О(г) 63,9 или 36,1%.

№5

Реакция образования водяного пара протекает по уравнению:

Константа равновесия равна:

Диссоциация двуокиси углерода:

2CO+O₂=2CO₂

Диссоциация водяного пара:

Равновесная концентрация кислорода в данных реакциях одинакова, тогда:

Выразим константу равновесия реакции диссоциации воды и двуокиси углерода через общее давление и степень диссоциации:

По условию начальные об. конц. воды и укиси углерода равны 50об.%, обозначим конц. образ. Н₂ и СО₂ в сост. равновесия x об.%, получим:

Состав водяного газа имеет вид:

Ответ. 15,95 об.%

№6

Напишем равновесные числа молей реагентов, выраженные через степень диссоциации  :

n₀ –начальное количество (число молей) водяного пара.

Константа равновесия этой реакции будет выражаться уравнением:

Выразим парциальные давления реагентов через общее давление Р, общее число молей  и степень диссоциации . Находим:

Парциальные давления реагентов вычисляются по уравнению :

Таким образом,

Т.к. можно считать и , поэтому

Для обратной реакции, т.е для реакции горения водорода при 1500К, получим:

Ответ.

№7

Зависимость теплового эффекта от температуры опред. законом Кирхгоффа:

По справочнику [M] находим зависимость теплоёмкости веществ от температуры

Вещество	Зависимость теплоёмкости от температуры, Дж/кмоль*град
	44,14	9,04	-	-8,54
	29,10	-0,84	-	-
	27,63	5,02	-	-
	30,12	11,30	2,01	-

По уравнению находим Кр при 600К:

Ответ.

Тест

В вопросах 1-10 необходимо выбрать правильный ответ (он может быть только один).

1. При наступлении состояния химического равновесия протекают следующие процессы:

а) число молекул веществ, составляющих химическую систему увеличивается во времени при неизменных внешних условиях;

б) число молекул веществ, составляющих химическую систему остаётся постоянным во времени при неизменных внешних условиях;

в) число молекул веществ, составляющих химическую систему, уменьшается во времени при неизменных внешних условиях.

2. Для реакции:  протекающей в изобарно-изотермических условиях, общее выражение для изменения энергии Гиббса имеет вид:

3. Для состояния химического равновесия характерно:

4. Уравнение изотермы химической реакции имеет вид:

5. Для реакции:

Константа равновесия, выраженная через парциальные давления газов, записывается так:

6. Какое из выражений соответствует уравнению изобары химической реакции:

7. Стандартная константа равновесия связана с константой равновесия Кр соотношением:

8. Для реакции в газовой фазе, протекающей без изменения числа молей (Δν=0) характерно:

9. Связь между Кр и Кс химической реакции выражается уравнением:

10. В общем виде Кх для реакции:  можно выразить так:

Правильные ответы:

№ вопроса	Ответ
1.	б)
2.	в)
3.	в)
4.	г)
5.	г)
6.	в)
7.	б)
8.	в)
9.	а)
10.	б)

Каждый правильный ответ на один вопрос оценивается в 1 балл. В результате, ответив на 10 вопросов, можно получить 10 баллов.

 

В вопросах 11-20 необходимо установить соответствие. (например 1б, 2а,3г)-верный ответ может быть только один.

11. Из уравнения изотермы химической реакции  видно, что величина и знак энергии Гиббса реакции зависят от П_р’ и Кр ( при Р=const, T=const), как:

1.ΔG<0

2. ΔG=0

3. ΔG>0

12. Для данных реакций укажите соответствующие им константы равновесия Кс:

13. Определите зависимость между значением энергии Гиббса реакции и характером протекающего процесса:

1.ΔG<0 а) реакция достигла состояния

2. ΔG=0 равновесия;

3. ΔG>0 б) процесс необратимый

самопроизвольный;

в) процесс необратимый

несамопроизвольный

14. Определите изменение числа молей (Δν) для следующих реакций:

15. Для реакции :  константа равновесия равна , то при увеличении давления будут наблюдаться следующие процессы:

1.Δν>0 а) Кх уменьшается

2.Δν<0 б) Кх не изменяется

3.Δν=0 в) Кх увеличивается

16. Определите Кх для реакции в идеальной и реальной газовой смеси:

а) идеальная газовая смесь

б) реальная газовая смесь

17. Из приведённых уравнений выберите то, которое является изотермой, изохорой, изобарой химической реакции:

1. уравнение изохоры

химической реакции

2. уравнение изобары

химической реакции

3. уравнение изотермы
химической реакции

18. Для данных уравнений реакции в смеси идеальных газов определите соотношение между значениями стандартной энергией Гиббса:

19. Укажите верное выражение для Кх, Кс и Кm при рассмотрении равновесия химической реакции в идеальном растворе:

 20. Установите, как будет влиять тепловой эффект реакции на константу и состояние равновесия химической реакции:

а) константа равновесия не изменится, и состояние равновесия останется неизменным;

б) равновесие сдвинется в сторону исходных веществ;

в) константа равновесия увеличится, и равновесие сдвинется вправо.

Правильные ответы

№ вопроса	ответ
11.	1б2в3а
12.	1б2в3а
13.	1б2а3в
14.	1в2а3б
15.	1а2в3б
16.	1б2а
17.	1б2в3а
18.	1б2а
19	1в2а3б
20.	1в2б3а

Каждый правильный ответ на 1 вопрос оценивается в 1 балл. Ответив на 10 вопросов можно получить 10 баллов. Если в ответе одна половина соответствия букв и цифр верна, а другая нет, то такой ответ не учитывается и оценивается в 0 баллов.

В вопросах 21-30 пропущено слово-ответ, его необходимо записать (ввести) в правильном числе и падеже.

21.