Изобара химической реакции

Влияние температуры на константу химического равновесия описывается уравнением:

lnK_p = .

Продифференцируем это уравнение по температуре при постоянном давлении и полученный результат сочетаем с уравнением Гиббса-Гельмгольца. Тогда окончательно получим зависимость

или отойдя от частных производных имеем

dlnK_p = .

Это уравнение получило название изобары химической реакции.

Проанализируем его.

1. Пусть DH = const. Это может наблюдаться только в узком температурном интервале.

.

2. DH = f(T) и для всех участников реакции действительно уравнение
С_р = a + bT + cT². В этом случае целесообразно найти тепловой эффект реакции при 298 К, а затем провести интегрирование с учетом зависимости С_р от температуры

.

Рассмотрим несколько примеров решения задач.

Задача 1. Найти константу равновесия реакции

Fe₂O_3(т) + СО_(г) ® 2FeO_(т) + СО_2(г)

при 298 К и р = 1,0135 × 10⁵ Па, если

(Fe₂O₃) = –741 кДж/моль;

(СО) = –137,2 кДж/моль;

(FeO) = –254,2 кДж/моль;

(СО₂) = –394,4 кДж/моль.

DG_p = 2DG(FeO_(т)) + DG(СО_2(г)) – DG(Fe₂O_3(т)) – DG(СО_(г));

DG_p = –394,4 – 2 × 254,2 + 741 + 132,2;

DG_p = –29,6 кДж/моль = –29600 Дж/моль.

DG = –RTlnK_p

;

К_р = 1,55 × 10⁶.

Высокое значение величины К_р указывает, что реакция практически идет до конца.

Задача 2. Степень диссоциации фосгена по реакции

COCl₂ ⇆ CO + Cl₂

при 600 °С и 1,38 × 10⁵ н/м² равна 0,9. Определить в каком направлении будет протекать процесс при следующих заданных значениях парциальных давлений компонентов:

Варианты	, н/м2	, н/м2	, н/м2
	1,013 × 105	1,013 × 105	1,013 × 105
	1,048 × 105	2,026 × 105	3,039 × 105
	1,048 × 105	3,039 × 105	3,039 × 105

Определяем константу равновесия реакции

COCl₂ ⇆ CO + Cl₂

n(1 – a) na na

; = = ; = .

После подстановки и простых преобразований получаем

н/м².

Направление процесса определяем по изменению изобарного потенциала DG, которое вычисляем по уравнению изотермы химической реакции.

Для первого случая:

кДж.

Следовательно, в первом случае протекание процесса в прямом направлении возможен.

Для второго случая:

.

Следовательно, во втором случае система находится в равновесии.

Для третьего случая:

кДж.

Следовательно, в третьем случае процесс в прямом направлении неосуществим, но возможен в обратном направлении.

Задача 3. Давление диссоциации NiO при 600 °С равно 4 × 10^–17 мм.рт.ст. Определить изменение изобарного потенциала для реакции

2Ni_(т) + О_2(г) ⇆ 2NiO_(т)

при этой температуре, если кислород взят под давлением 1,013 × 10⁵ н/м².

Определяем константу равновесия данной реакции

,

равно 4 × 10^–17 мм.рт.ст., или н/м²; отсюда (н/м²)^–1.

Определяем изменение изобарного потенциала:

кДж.

Задача 4. Возможен ли термодинамический процесс получения анилина из хлорбензола и аммиака по уравнению

С₆H₅Cl_(ж) + NH_3(г) ⇆ С₆H₅NH_2(ж) + HCl_(г),

если известны стандартные изменения изобарного потенциала образования веществ, входящих в данную реакцию:

DG⁰(С₆H₅Cl) = 198,4 кДж/моль;

DG⁰(NH₃) = –16,63 кДж/моль;

DG⁰(С₆H₅NH₂) = 153,1 кДж/моль;

DG⁰(HCl) = –95,28 кДж/моль.

Вычисляем стандартное изменение изобарного потенциала реакции

DG =S(nDG⁰)_прод–S(nDG⁰)_исх=153,1 –95,28+16,63–198,4= –123,95 кДж.

Следовательно, процесс возможен.

Задачи для самостоятельного решения

Задача 5. Для реакции

H₂ + I₂ ⇆ 2HI

K_C = 50 при 444 °С. Определить направление процесса, если исходная смесь имеет следующий состав: = 2 моль/л; = 5 моль/л; = 10 моль/л.

Задача 6. Константа диссоциации N₂H₄ по уравнению

N₂H₄ ⇆ 2NO₂

при 50 °С равна 0,797 × 10⁵ н/м². Определить направление процесса при следующих исходных значениях парциальных давлений компонентов:

Варианты	, н/м2*	, н/м2*
	1,013 × 105	1,013 × 105
	4,052 × 105	1,792 × 105
	1,681 × 105	1,013 × 105

* 1 н/м² = 1 Па

Задача 7. Для реакции

Н₂О ⇆ Н₂­ + ½О₂

при 1500 °С и 1,013 × 10⁵ н/м² a = 2,21 × 10^–4. Определить в каком направлении будет протекать процесс при следующих значениях исходных парциальных давлений компонентов:

Варианты	, н/м2	, н/м2	, н/м2
	1,013 × 105	1,013 × 105	1,013 × 105
	1,013 × 104	2,026 × 102	1,28 × 10–3
	1,013 × 104	1,013 × 101	1,28 × 10–3

Задача 8. Для реакции

СО₂ ⇆ СО + ½О₂

при 1500 К и 1,013 × 10⁵ н/м² a = 4,8 × 10^–4. Определить в каком направлении будет протекать процесс при следующих значениях исходных парциальных давлений компонентов:

Варианты	, н/м2	, н/м2	, н/м2
	1,013 × 105	1,013 × 105	1,013 × 105
	1,013 × 103	2,026 × 102	12,75 × 10–5
	1,013 × 103	1,013 × 101	12,75 × 10–5

Задача 9. При 600 °С константа равновесия реакции

CO + Cl₂ ⇆ COCl₂

равна К_р = 1,678 × 10^–6 (н/м²)^–1.

Вычислить максимальную работу образования 1 моля COCl₂ при этой температуре и парциальном давлении 0,507 × 10⁵ н/м², если CO и Cl₂ взяты при парциальных давлениях соответственно 2,026 × 10⁵ и 3,039 × 10⁵ н/м².

Задача 10. Для реакции

СО + Н₂О ⇆ СО₂ + Н₂

при 1500 К величина К_р = 0,31. Определить в каком направлении пойдет процесс при следующих значениях исходных парциальных давлений компонентов:

Варианты	, н/м2	, н/м2	, н/м2	, н/м2
	2,026 × 105	6,078 × 105	4,052 × 105	3,039 × 105
	19,25 × 105	2,43 × 105	4,052 × 105	3,039 × 105
	20,26 × 105	5,065 × 105	6,078 × 105	2,026 × 105

Задача 11.Для реакции

SO₂Cl₂ ⇆ SO₂ + Cl₂

при 30 °C значение К_р = 2,88 × 10³ н/м². Определить в каком направлении пойдет процесс при следующих значениях исходных парциальных давлений компонентов:

Варианты	, н/м2	, н/м2	, н/м2
	4,052 × 105	2,026 × 105	2,026 × 105
	3,565 × 103	1,013 × 103	1,013 × 104
	2,026 × 103	1,013 × 103	1,013 × 104

Задачи 2 – 11 заимствованы в книге Картушинской А.И., Лельчук Х.А., Стромберга А.Г. Сборник задач по химической термодинамике. М.: Высшая школа. 1973. 224 с.

ЛИТЕРАТУРА

Основная литература

1. Шель Н.В., Синютина С.Е., Романцова С.В. Органическая химия. Тамбов: Изд-во ТГУ им. Г.Р. Державина. 2004. 199 с.

2. Абакумова Н.А. Органическая химия. Тамбов: Изд-во ТГТУ. 2004.
100 с.

3. Петров А.А., Бальян Х.В., Трощенко А.Т. Органическая химия. М.: Высшая школа. 1981. 592 с.

4. Артеменко А.И. Органическая химия. М.: Высшая школа. 2000. 559 с.

5. Семчиков Ю.Д. Высокомолекулярные соединения. М.: Издательский центр «Академия». 2008. 368 с.

6. Леонова В.Ф. Термодинамика. М.: Высшая школа. 1968. 159 с.

7. Эверет Д. Введение в химическую термодинамику. М.: Издат. иностр. литературы. 1963. 300 с.

8. Путилов К.А. Термодинамика. М.: Наука. 1971. 375 с.

9. Даниэльс Ф., Альберти Р. Физическая химия. М.: Высшая школа. 1967. 784 с.

10. Уильямс В., Уильямс Х. Физическая химия для биологов. М.: Мир. 1976. 600 с.

11. Добычин Д.П., Каданер Л.И., Серпинский В.В., Буркат Т.М., Ганелина Е.Ш., Лобов В.И. Физическая и коллоидная химия. М.: Просвещение. 1986. 463 с.

Дополнительная литература

12. Несмеянов А.Н., Несмеянов Н.А. Начала органической химии. М.: Химия. 1969. Т. 1. 663 с.

13. Несмеянов А.Н., Несмеянов Н.А. Начала органической химии. М.: Химия. 1970. Т. 2. 824 с.

14. Робертс Дж., Касерио М. Основы органической химии. М.: Мир. Т. 1. 1998. 842 с.

15. Пригожин И., Кондепуди Д. Современная термодинамика. М.: Мир. 2009. 461 с.

16. Судариков С.А., Капуцкий Ф.Н. Физическая химия. Минск: Высшая школа. 1981. 312 с.

17. Николаев Л.А., Тулупов В.А. Физическая химия. М.: Высшая школа. 1964. 441 с.

18. Вигдорович В.И., Цыганкова Л.Е. Экология. Химические аспекты и проблемы. Тамбов: Изд-во ТГУ им. Г.Р. державина. Ч. I. 1994. 148 с.

19. Вигдорович В.И., Цыганкова Л.Е. Экология. Химические аспекты и проблемы. Тамбов: Изд-во ТГУ им. Г.Р. державина. Ч. II. 1995. 220 с.

20. Корже Ф., Бахадир М., Клайн В., Лай Я.П., Паллар Г., Шойверт И. Экологическая химия. М.: Мир. 1997. 396 с.

21. Вигдорович В.И., Ситнер Е.Я. Химия и экология гидросферы. Тамбов: Изд-во ТГУ им. Г.Р. державина. 2000. 204 с.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту: