Определение констант равновесия химических реакций и расчет химического равновесия (стр. 1 )

Федеральное агентство по образованию

ГОУ ВПО «Уральский государственный технический университет - УПИ»

Определение констант равновесия химических

реакций и расчет химического равновесия

Методическое пособие для лабораторной работы № 4

по курсу физической химии

для студентов дневной формы обучения

химико-технологического факультета и

факультета строительного материаловедения

Екатеринбург 2007

УДК 544(076)С79

Составитель

Научный редактор, к. х.н., доцент

Определение констант равновесия химических реакций и расчет химического равновесия: методические указания для лабораторной работы № 4 по курсу физической химии / сост. - Екатеринбург: ГОУ ВПО УГТУ-УПИ, 2007. 29 с.

Методические указания предназначены для дополнительной углубленной проработки материала по химическому равновесию в рамках расчетно-аналитической лабораторной работы. Содержат 15 вариантов индивидуальных заданий, что способствует выполнению поставленной цели.

Библиогр.: 5 назв. Рис. Табл.

© ГОУ ВПО «Уральский государственный

технический университет – УПИ», 2007

Введение

Данная работа, хотя и проводится в рамках лабораторного практикума, относится к расчетно-аналитическим и заключается в освоении теоретического материала и решении ряда задач по теме курса физической химии «Химическое равновесие».

Необходимость ее проведения вызвана сложностью данной темы с одной стороны и недостаточным количеством учебного времени отводимого на ее проработку с другой.

Основная часть темы «Химическое равновесие»: вывод закона химического равновесия, рассмотрение уравнения изобары и изотермы химической реакции и т. д. излагается в лекциях и изучается на практических занятиях (поэтому в данной работе этот материал не приведен). В этом пособии подробно рассмотрен раздел темы, касающийся экспериментального определения констант равновесия и определения равновесного состава системы с протекающей в ней химической реакцией.

Итак, выполнение студентами данной работы позволит решить следующие задачи:

1) познакомиться с методами определения и вычисления констант равновесия химических реакций;

2) научиться рассчитывать равновесный состав смеси, исходя из самых различных экспериментальных данных.

1.  ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ О СПОСОБАХ

ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОНСТАНТ РАВНОВЕСИЯ ХИМИЧЕСКИХ РЕАКЦИЙ

Остановимся кратко на основных понятиях, используемых далее. Константой равновесия химической реакции называется величина

, (1)

где - стандартная мольная энергия Гиббса реакции r.

Уравнение (1) – определительное уравнение для константы равновесия химической реакции. Нужно отметить, что константа равновесия химической реакции является безразмерной величиной.

Закон химического равновесия записывается следующим образом

, (2)

где - константа равновесия реакции r, выраженная через активности участников реакции; - активность k - участника реакции; - размерность активности; стехиометрический коэффициент k- участника реакции r.

Экспериментальное определение констант равновесия – достаточно трудная задача. Прежде всего, необходимо быть уверенным, что при данной температуре равновесие достигнуто, т. е. состав реакционной смеси соответствует равновесному состоянию – состоянию с минимумом энергии Гиббса, нулевым сродством реакции и равенством скоростей прямой и обратной реакций. При равновесии будут постоянными давление, температура и состав реакционной смеси.

На первый взгляд кажется, что состав равновесной смеси можно определить, используя методы количественного анализа с характерными химическими реакциями. Однако введение постороннего реагента, который связывает один из компонентов химического процесса, смещает (т. е. изменяет) состояние равновесия системы. Этот метод можно использовать только в случае, если скорость реакции достаточно мала. Именно поэтому очень часто при изучении равновесия используют также различные физические методы для определения состава системы.

1.1 Химические методы

Различают статические химические методы и динамические химические методы. Рассмотрим конкретные примеры, приведенные в [1].

1.1.1 Статические методы.

Статические методы заключаются в том, что реакционная смесь помещается в реактор при постоянной температуре и затем по достижении равновесия определяется состав системы. Исследуемая реакция должна быть достаточно медленной, чтобы введение постороннего реактива практически не нарушало состояния равновесия. Чтобы замедлить процесс, можно достаточно быстро охладить реакционную колбу. Классическим примером подобного исследования является реакция между йодом и водородом

H2(г) + I2(г) = 2HI (г) (3)

Лемойн помещал в стеклянные баллоны либо смесь йода с водородом, либо йодистый водород. При 200 оС реакция практически не идет; при 265 оС продолжительность установления равновесия составляет несколько месяцев; при 350 оС равновесие устанавливается в течение нескольких дней; при 440 оС - в течение нескольких часов. В этой связи для исследования этого процесса был выбран температурный интервал 300 – 400 оС. Анализ системы проводился следующим образом. Реакционный баллон быстро охлаждался опусканием в воду, затем открывался кран и йодистый водород растворялся в воде. Титрованием определялось количество йодоводородной кислоты. При каждой температуре эксперимент проводился до тех пор, пока концентрация не достигнет постоянного значения, что свидетельствует об установлении в системе химического равновесия.

1.1.2 Динамические методы.

Динамические методы состоят в том, что газовая смесь непрерывно циркулирует, затем ее быстро охлаждают для последующего анализа. Эти методы наиболее хорошо применимы для достаточно быстрых реакций. Ускоряют реакции, как правило, либо осуществляя их при повышенных температурах, либо вводя в систему катализатор. Динамический метод применялся, в частности, при анализе следующих газовых реакций:

2H2 + O2 ⇄ 2H2O. (4)

2CO + O2 ⇄ 2CO2. (5)

2SO2 + O2 ⇄ 2SO3 . (6)

3H2 + N2 ⇄ 2NH3 . (7)

1.2 Физические методы

Эти методы основаны, главным образом, на измерение давления или плотности массы реакционной смеси, хотя можно использовать и другие свойства системы.

1.2.1 Измерение давления

Каждая реакция, которая сопровождается изменением числа молей газообразных реагентов, сопровождается изменением давления при постоянном объеме. Если газы близки к идеальным, то давление прямо пропорционально общему числу молей газообразных реагентов.

В качестве иллюстрации рассмотрим следующую газовую реакцию, записанную из расчета на одну молекулу исходного вещества

⇄ + (8)

Число молей

в начальный момент 0 0

при равновесии

где - равновесная степень диссоциации исходного вещества.

Общее число молей компонентов в момент равновесия

, (9)

где .

Обозначим давление в начальный момент, когда диссоциации еще нет , общее давление в системе при установившемся равновесии , а парциальные равновесные давления компонентов как .

Между этими давлениями имеются соотношения:

. (10)

. (11)

. (12)

. (13)

Константа равновесия, выраженная в p-шкале, будет иметь вид

. (14)

Следовательно, измерив равновесное давление, по формуле (13) можно определить степень диссоциации, а затем по формуле (14) рассчитать и константу равновесия.

1.2.2 Измерение плотности массы

Каждая реакция, которая сопровождается изменением числа молей газообразных участников процесса, характеризуется изменением плотности массы при постоянном давлении.

Например, для реакции (8) справедливо

, (15)

где - начальный объем системы, - объем системы в состоянии равновесия. Как правило в реальных экспериментах измеряют не объем, а плотность массы системы, которая обратно пропорциональна объему. То есть вместо уравнения (15) используют , (16) где - плотность массы системы в начальный момент и в момент равновесия, соответственно. Измеряя плотность массы системы, можно по формуле (16) вычислить степень диссоциации, а затем и константу равновесия.