5. Химическое равновесие. Состояние химического равновесия
5. Химическое равновесие. Состояние химического равновесия

 

5.1. В гомогенных системах при р, V, T = const установилось состояние равновесия:

4 NH3 + 5 O2 D 4 NO + 6 H2O; KС = 0,008

2 C2H6 + 7 O2 D 4 CO2 + 6 H2O; KС = 145

6 HF + N2 D 2 NF3 + 3 H2; KС = 1

2 NH3 + 3 Cl2 D N2 + 6 HCl; KС = 1 × 10-6

2 CH4  + 3 O2 + 2 NH3 D 2 HCN + 6 H2O; KС = 1

2 H2S  + 3 O2 D 2 SO2 + 2 H2O; KС = 3 × 105

На основании закона действующих масс составьте выражение для константы равновесия. Эти системы с данным значением KC переводят в новое состояние равновесия с другим значением KC, изменяя один из термодинамических параметров. Какой? По данным значениям KC укажите, реагенты или продукты будут преобладать в равновесной смеси веществ.

5.2.      В гетерогенных химических системах при постоянных термодинамических параметрах установилось состояние равновесия:

а)         TiO2(т) + 2 C(т) + 2 Cl2(г) D TiCl4(г) + 2 CO(г)

б)        Mg3N2(т) + 6 H2O(г) D 3 Mg(OH)2(т) + 2 NH3(г)

в)        Si(т)  + 2 H2O(г) D SiO2(т) + 2 H2(г)

г)         CS2(г)  + 2 Cl2(г) D CCl4(г) + 2 S(т)

д)        2 NO2(г)  + 2 S(т) D N2(г) + 2 SO2(г)

e)         10 NO(г)  + P4(г) D 5 N2(г) + P4O10(т)

На основании закона действующих масс составьте выражение для константы равновесия. По данным Приложения рассчитайте молярные концентрации твердых веществ.

5.3.      Константы равновесия для обратимых реакций с участием газов можно выражать (помимо концентраций) через равновесные парциальные давления реагентов и продуктов (`р). Парциальное давление – это давление, которое при некоторой температуре имел бы газходящий в состав газовой смеси, если бы он один занимал весь объем смеси при той же температуре. Например, для системы

nАA(г) + nВB(ж) D nCC(т) + nDD(г) + nЕЕ(г)

константа равновесия, выраженная через парциальные давления, имеет вид (а = nА, d = nD, е = nЕ):

 (`pD)d (`pE)e

KP  = ––––––––––

                                                   (`pA)a

Используя уравнение состояния идеального газа        `pV = = nRT, выведите соотношение между KC и KP. Пусть в этой системе с данным значением KP реакционный объем увеличивают в два раза. Укажите изменится, ли при этом значение KP (если да, то во сколько раз).

5.4.      Глубина протекания обратимой химической реакции может быть охарактеризована (помимо выхода продукта) равновесной степенью превращения реагента, т.е. Отношением остаточного равновесного количества этого реагента к его начальному количеству. Определите, какой (большой или малой) будет степень превращения реагентов в системах:

4 NH3 + 5 O2 D 4 NO + 6 H2O; KС = 0,008

2 C2H6 + 7 O2 D 4 CO2 + 6 H2O; KС = 145

6 HF + N2 D 2 NF3 + 3 H2; KС = 1

2 NH3 + 3 Cl2 D N2 + 6 HCl; KС = 1 × 10-6

2 CH4  + 3 O2 + 2 NH3 D 2 HCN + 6 H2O; KС = 1

2 H2S  + 3 O2 D 2 SO2 + 2 H2O; KС = 3 × 105

5.5.      При некоторой постоянной температуре известны значения констант равновесия гомогенных реакций:

(I)           2 СО2 D 2 CO + O2KС(I) = 0,25

(II)          2 SO2 + O2 D 2 SO3; KС(II) = 0,84

Рассчитайте константу равновесия процесса

SO2 + CO2 D SO3 + CO

и укажите преобладающее в нем направление.

5.6.      При Т = const определены константы равновесия гомогенных реакций:

(I)           H2 + Cl2 D 2 CO + O2;          KС(I) = 24,3

(II)          2 H2O D 2 H2 + O2;               KС(II) = 0,84

Рассчитайте KС процесса и укажите преобладающее в нем направление.

2 H2О + 2 Cl2 D 4 НCl + O2

5.7.      При Т = const известны KС реакций:

(I)           Fe(т) + CO2(г) D FeO(т) + CO(г);          KС(I) = 215

(II)          Fe(т) + H2O(г) D FeO(т) + H2(г);            KС(II) = 163

Рассчитайте KС процесса

CO2(г) + H2(г) D CO(г) + H2O(г)

5.8.      На основании закона действующих масс определите, в каких единицах будет выражена константа равновесия реакции

nАA(г) + nВB(ж) D nCC(т) + nDD(г) + nЕЕ(г)

если равновесные концентрации даны в моль/л. Укажите затем единицу величины KС реакций из задач 5.1 и 5.2.

5.9.      Рассчитайте равновесный выход диоксида серы в следующих реакциях, если в состоянии равновесия количество SO2 равно 0,35 моль/л, а начальный объем О2 составлял 28,5 л (н.у.):

а)         2 Sb2S3(т) + 9 O2(г) D 2 Sb2O3(т)  + 6 SO2(г)

б)        4 FeS2(т) + 11 O2(г) D 2 Fe2O3(т) + 8 SO2(г)

в)        2 MoS2(т)  + 7 O2(г) D 2MoO3(т) + 4 SO2(г)

г)         4 FeS(т)  + 7 O2(г) D 2 Fe2O3(т) + 4 SO2(г)

д)        2 Bi2S3(т)  + 9 O2(г) D 2 Bi2O3(т) + 6 SO2(г)

e)         4 ReS2(т)  + 15 O2(г) D 2 Re2O7(т) + 8 SO2(г)

5.10.    Выведите соотношение между равновесным выходом продукта и равновесной степенью превращения реагента в некоторой реакции nАA(г) D nВB(г).

5.11.    Рассчитайте равновесный выход продукта реакции

3 О2(г) D 2 О3(г)

если известны начальная масса и равновесное количество дикислорода:

Вариант

mнач.2), г

nравн..2), моль

а

25,24

0,64

б

12,56

0,32

в

27,83

0,81

г

18,92

0,51

д

24,81

0,73

е

15,08

0,43

5.12.       Рассчитайте константу равновесия реакции

3 А(г) + 4 В(г) D С(г) + 2 D(г)

если известны (при Т = const) равновесные концентрации веществ (моль/л).

Вариант

[A]

[B]

[C]

[D]

а

0,05

0,21

0,94

0.77

б

0,07

0,32

1,05

0.59

в

0,03

0,15

0,84

0,66

г

0,08

0,41

0,79

0,72

д

0,06

0,28

0,94

0,83

е

0,09

0,37

0,89

0,52

5.13.       Рассчитайте константу равновесия реакции

2 А(г) + 3 В(г) D 5 С(г) + 2 D(г)

если известны (при Т = const) равновесные концентрации веществ (моль/л).

Вариант

[A]

[B]

[C]

[D]

а

0,05

0,21

0,94

0.77

б

0,07

0,32

1,05

0.59

в

0,03

0,15

0,84

0,66

г

0,08

0,41

0,79

0,72

д

0,06

0,28

0,94

0,83

е

0,09

0,37

0,89

0,52

5.14.       Рассчитайте константу равновесия реакции

4 А(г) + В(г) D 2 С(г) + 3 D(г)

если известны (при Т = const) равновесные концентрации веществ (моль/л).

Вариант

[A]

[B]

[C]

[D]

а

0,05

0,21

0,94

0.77

б

0,07

0,32

1,05

0.59

в

0,03

0,15

0,84

0,66

г

0,08

0,41

0,79

0,72

д

0,06

0,28

0,94

0,83

е

0,09

0,37

0,89

0,52

5.15.       По следующим данным при Т = const для реакции

4 NH3(г) + 3 O2(г) D 2 N2(г) + 6 H2O(г)

определите равновесную концентрацию диазота и начальные концентрации (моль/л) реагентов:

Вариант

[NH3]

[O2]

[H2O]

а

0,37

1,74

3,78

б

2,44

0,59

8,22

в

1,63

2,15

7,44

г

0,86

0,43

4,02

д

1,22

2,79

7,56

е

2,18

1,65

5,64

5.16.       По следующим данным при Т = const для реакции

4 NО (г) + 6 H2O (г) D 4 NН3(г) + 5 O2 (г)

определите равновесную концентрацию аммиака и начальные концентрации (моль/л) реагентов:

Вариант

[NО]

[H2O]

[O2]

а

2,44

1,58

0,65

б

3.86

2,47

1,35

в

4,25

2,18

3,55

г

0,98

0,34

0,85

д

1,52

0,84

2,95

е

2,07

1,46

1,15

5.17.    По следующим данным при Т = const для реакции

2 NF3(г) + 3 H2(г) D 6 HF(г) + N2(г)

определите равновесную концентрацию фтороводорода и начальные концентрации (моль/л) реагентов:

Вариант

[NF3]

[H2]

[N2]

а

0,86

0,43

1,24

б

1,15

0,72

0,97

в

0,73

1,06

1,36

г

1,25

0,94

0,82

д

0,69

0,88

1,23

е

1,38

1,02

0,78

5.18. Для следующих гомогенных реакций с заданными константами равновесия и начальной концентрацией реагента рассчитайте равновесные концентрации всех веществ (моль/л).

 

 

Вариант

Реакция

KС

с0, моль/л

а

CClO2 D CO + Cl2

1,23

2,86

б

PCl5 D PCl3 + Cl2

5,45

0,74

в

C2H6 D C2H4 + H2

2,46

1,65

г

C2H5OHD C2H4 + H2O

7,65

2,48

д

SCl2O2 D SO2 + Cl2

4,58

1,32

е

SO2F2 D SO2 + F2

3,82

2,59

5.19.    Для следующих гомогенных реакций с заданными константами равновесия и начальной концентрацией реагента рассчитайте равновесные концентрации всех веществ (моль/л).

Вариант

Реакция

KС

с0, моль/л

а

2 HI D H2 + I2

0,54

0,37

б

2 HBr D H2 + Br2

0,36

0,44

в

2 HCl D H2 + Cl2

0,27

0,64

г

2 NO D O2 + N2

0,29

0,27

д

2 HI D H2 + I2

0,65

0,81

е

2 HBr D H2 + Br2

0,36

0,77

5.20. Для следующих гомогенных реакций с заданными константами равновесия и начальными концентрациями, одинаковыми для обоих реагентов, определите равновесные концентрации всех веществ (моль/л).

 

 

 

Вариант

Реакция

KС

с0, моль/л

а

CO + H2O D CO2 +H2

2,25

0,75

б

H2 + SO3 D H2O + SO2

1,36

0,65

в

SO3 + CO D SO2 + CO2

1,89

0,95

г

H2 + CO2 D H2O + CO

2,64

1,05

д

H2O + SO2 D H2 + SO3

1,56

0,45

е

SO2 + CO2 D SO3 + CO

3,06

0,55

5.21.    Для следующих реакций с заданными константами равновесия и начальной концентрацией газообразного реагента рассчитайте равновесные концентрации газообразных веществ (моль/л).

Вариант

Реакция

KС

с0, моль/л

а

FeO(т) + CO(г) D Fe(т) + CO2(г)

13,64

2,05

б

2 CuO(т) + CO(г) D Cu2O(т) + CO2(г)

15,89

3,21

в

Fe2O3(т) + CO(г) D 2 FeO(т) + CO2(г)

11,33

2,59

г

CoO(т) + CO(г) D Co(т) + CO2(г)

18,67

1,77

д

CuO(т) + CO(г) D Cu(т) + CO2(г)

12,84

4,43

е

NiO(т) + CO(г) D Ni(т) + CO2(г)

16,09

1,88

5.22. Для следующих реакций с заданными константами равновесия и начальной концентрацией газообразного реагента рассчитайте равновесные концентрации газообразных веществ (моль/л).

 

 

Вариант

Реакция

KС

с0, моль/л

а

Fe2O3(т) + H2(г) D 2(FeIIFe2III)O4(т)+                     + H2O(г)

7,47

1,44

б

2 FeO(т) + H2(г) D Fe(т) + H2O(г)

6,75

2,17

в

NiO(т) + H2(г) D Ni(т) + H2O(г)

5,61

1,19

г

(FeIIFe2III)O4(т) + H2(г) D 3FeO(т) +             + H2O(г)

4,56

2,28

д

CoO(т) + H2(г) D Co(т) + H2O(г)

6,50

1,65

е

Fe2O3 (т) + H2(г) D 2FeO(т) + H2O(г)

7,03

2,33

5.23.    Для следующих реакций с заданными константами равновесия и начальной концентрацией газообразного реагента рассчитайте равновесные концентрации газообразных веществ (моль/л).

Вариант

Реакция

KС

с0, моль/л

а

2 С(т) + О2(г) D 2 СО(г)

0,31

0,54

б

С (т) + СО2(г) D 2 СО(г)

0,84

0,85

в

С(т) + 2 H2(г) D СН4(г)

0,77

1,92

г

С(т) + 2 Сl2(г) D ССl4(г)

0,43

1,42

д

C(т) + О2(г) D CО2(г)

0,79

0,86

е

2 С(т) + H2(г) D С2Н2(г)

0,72

1,53

5.24.    В реактор объемом 11,42 л для проведения реакции

2 SO2(г) + О2(г)D 2 SO3(г)

введены 2,43 моль SO2 и 2,17 моль О2. При некоторой температуре к моменту наступления равновесия количество диоксида серы уменьшилось на 1,85 моль. Определите константу равновесия.

5.25.    В реактор объемом 7,25 л введена смесь 2,34 моль NO и 1,17 моль Cl2. При некоторой температуре к моменту равновесия образовалось 0,65 моль (NO)Cl. Определите константу равновесия.

5.26.    Рассчитайте константу равновесия реакции

N2(г) + 3 H2(г) D 2 NH3(г)

если начальные количества реагентов были 4,06 моль N2 и 12,28 моль Н2, а к моменту наступления равновесия при Т = const прореагировало 10 % начального количества диазота. Объем реактора составляет 2,35 л.

5.27.    Определите константу равновесия реакции

4 HCl(г) + O2(г) D 2 Cl2(г) + 2 H2O(г)

если начальные количества реагентов были 2,4 моль HCl и 1,2 моль O2, а к моменту наступления равновесия при Т = const осталось непрореагировавшим        0,8 моль хлороводорода. Объем реактора составляет   4 л.

5.28.    Рассчитайте константу равновесия реакции

N2(г) + 3 H2(г) D 2 NH3(г)

если при некоторой температуре в реактор объемом  10 л введено 0,05 моль N2 и 0,52 моль Н2, а к моменту равновесия образовалось 0,04 моль аммиака.

5.29.    При некоторой температуре протекает реакция

2 NO2(г) D N2O4(г); KС = 0,32

Рассчитайте равновесные концентрации (моль/л) всех веществ, если начальное количество диоксида азота составляло 1,15 моль, а объем реактора равен 5,75 л.

5.30.    В реакторе объемом 0,5 л протекает реакция

СН4(г) + Н2О(г) D СО) + 3 Н2(г)

Определите константу равновесия при Т = const, если в начальный момент имелось 0,05 моль СН4 и 0,04 моль Н2О, а к моменту равновесия прореагировало 50 % начального количества метана.

5.31.    При некоторой температуре протекает реакция

CS2(г) + 3 O2(г) D CO2(г) + 2 SO2(г)

Рассчитайте константу равновесия и начальные концентрации реагентов (моль/л), если в состоянии равновесия количества веществ составили 0,5; 0,3 и         0,6 моль для CS2, O2 и CO2 соответственно, а объем реактора равен 0,5 л.